云磷集團(tuán)晉寧磷礦2 號(hào)坑深部礦體開(kāi)采方法

李小雙 李耀基 王孟來(lái)

(1.國(guó)家磷資源開(kāi)發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，云南 晉寧650600;2.云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 晉寧650600)

近年來(lái)，隨著云南滇池周邊區(qū)域露天磷礦山的開(kāi)采深度逐步增大，磷礦山逐步進(jìn)入深凹開(kāi)采階段，生產(chǎn)剝采比急劇增加，加之排土場(chǎng)與土林地的租賃費(fèi)用、環(huán)境與水土保持費(fèi)用、人工成本以及柴油、材料價(jià)格的快速上漲，露天開(kāi)采的成本快速增加，原有的優(yōu)勢(shì)正逐步喪失［1-8］。露天磷礦山深部礦體開(kāi)采方法問(wèn)題已經(jīng)成為滇池周邊區(qū)域露天磷礦山未來(lái)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的一個(gè)重大問(wèn)題［9-13］。

1 晉寧磷礦2 號(hào)坑概況

晉寧礦區(qū)(Ⅲ、Ⅳ礦段)北起五指山北麓(34#勘探線)，南至羊石凹子頂(134#勘探線)，南北長(zhǎng)13.7 km，東西寬1.1 km，礦區(qū)面積(采礦權(quán)范圍)14.97 km2。山勢(shì)北低南高，最高點(diǎn)2 485.5 m，一般標(biāo)高2 200 ～2 350 m，與東西兩側(cè)的河床相對(duì)高差200 ～400 m。晉寧磷礦礦區(qū)內(nèi)總共含有10 個(gè)露天采坑口。2 號(hào)坑位于54 ～95#勘探線間，西起小石巖—鍋蓋頂一線，東至打煤炭—小平壩—大柳樹(shù)一線;南起大沙地，北達(dá)小黑土。南北長(zhǎng)約4.16 km，東西寬約0.57 km，面積約2.37 km2。地理座標(biāo)為東經(jīng)102°42'47″～102°44'09″，北緯24°33'47″～24°36'10″。

晉寧磷礦為目前正在開(kāi)采的大型露天礦，二號(hào)坑也是目前正在開(kāi)采的露天礦區(qū)之一，運(yùn)礦公路、外部35 kV 供電線路、外部供水管線等設(shè)施均已到達(dá)試驗(yàn)區(qū)附近，生產(chǎn)、生活配套設(shè)施較齊全，均可作為地下開(kāi)采試驗(yàn)工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)和依托。礦區(qū)屬中山地貌，溝谷較發(fā)育，植被茂密，村落、耕地較少，無(wú)重要工業(yè)設(shè)施，無(wú)名勝古跡，不屬于自然保護(hù)區(qū)，礦山開(kāi)發(fā)的地理?xiàng)l件較好。

2 礦山工程地質(zhì)

2.1 礦層特征

礦層主要賦存于梅樹(shù)村組第二、三巖性段中。

Ⅰ級(jí)品磷礦體分布不連續(xù)，在WN—ES 與EN—WS 對(duì)角線上均出現(xiàn)尖滅現(xiàn)象，磷礦層厚度介于1.20～28.40 m，平均厚度為5.33 m;Ⅰ級(jí)品磷礦體分布不連續(xù)情況更為嚴(yán)重，在56#、57#勘探線之間出現(xiàn)大規(guī)模尖滅現(xiàn)象，磷礦層厚度介于1.00 ～20.80 mm，平均厚度為6.03 m;;Ⅲ級(jí)品磷礦體連續(xù)性較好，磷礦層厚度介于1.00 ～28.42 m，平均厚度為13.09 m。

地下開(kāi)采方法工程試驗(yàn)區(qū)域，位于58#、59#勘探線之間。試驗(yàn)區(qū)的磷礦層標(biāo)高范圍為2 220 ～2 270 m，礦體傾角45° ～54°，磷礦體賦存深度為50～100 m，Ⅰ級(jí)品磷礦厚度4.80 ～7.00 m，Ⅱ級(jí)品磷礦厚度1.90 ～6.00 m。

2.2 工程地質(zhì)條件

地下采礦工程試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的巖層，依據(jù)各巖層與巖體的力學(xué)特征、構(gòu)造以及工程賦存情況可劃分為5組:第1 組為第四系(Q)松散表土層;第2 組為堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)較為完好的礦層底板;第3 組為軟弱—半堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)比較破碎礦層直接頂板;第4 組為半堅(jiān)硬～堅(jiān)硬間接頂板;第5 組為半堅(jiān)硬～堅(jiān)硬的間接底板。

地下開(kāi)采工程試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)磷礦與各巖層體，由于埋藏深度較淺，受風(fēng)化作用強(qiáng)烈，頂板覆巖整體穩(wěn)定性差，底板穩(wěn)定較好。礦體賦存狀態(tài)如圖1 所示，各巖層的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1 所示。

圖1 2 號(hào)坑礦體賦存情況Fig.1 The occurence geological condition of No.2 pit

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

3 深部礦體開(kāi)采方法研究

3.1 工業(yè)試驗(yàn)區(qū)段的選擇

試驗(yàn)區(qū)段有2 個(gè)方案。

(1)58#勘探線往北方案:從地質(zhì)剖面圖看，58#至57#勘探線礦體厚度太薄，代表性不強(qiáng)。57#往56#勘探線方向，基本為品位很低的表外礦。同時(shí)，無(wú)論是57#勘探線還是56#勘探線，2 220 m 往深部，都有近100 m 深度的工業(yè)礦層變貧變薄，不利于試驗(yàn)后期的持續(xù)生產(chǎn)。設(shè)計(jì)認(rèn)為，58#勘探線往北作為試驗(yàn)地點(diǎn)不合適。

(2)58#勘探線往南方案:從地質(zhì)剖面圖看，58#至59#勘探線間礦體賦存簡(jiǎn)單，儲(chǔ)量大，品位高，且有多層礦，代表性較強(qiáng)，無(wú)論是往南還是往深部，工業(yè)礦層的連續(xù)性都較好，有利于試驗(yàn)后期的持續(xù)生產(chǎn)。因此設(shè)計(jì)選定58#～59#勘探線作為采礦試驗(yàn)區(qū)段。

根據(jù)58#勘探線附近地表地形和58#～59#勘探線露天礦開(kāi)采情況(58#～59#勘探線間露天開(kāi)采境界標(biāo)高為2 170 m)，需采用斜井或斜坡道開(kāi)拓，井口標(biāo)高2 220 m，階段高度50 m。

3.2 開(kāi)采對(duì)象與開(kāi)采方案的選擇

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)磷塊巖礦床貧富礦層之間連續(xù)沉積，物質(zhì)組分漸變，礦石品位逐漸過(guò)渡。根據(jù)礦石品級(jí)劃分，Ⅰ品級(jí)(P2O5≥25%)位于含磷礦層的上部;Ⅱ品級(jí)(P2O5為15% ～25%)主要位于含磷礦層的中部;Ⅲ品級(jí)(表外礦，P2O5為8% ～15%)位于含磷礦層的中、下部;在Ⅲ級(jí)品(表外礦層)中還出現(xiàn)夾石層。

在不考慮充填采礦法的情況下，當(dāng)分2 層進(jìn)行回采時(shí)(上部①礦層、①1礦層和①2礦層混采，下部②3礦層單獨(dú)開(kāi)采，詳見(jiàn)圖2)，為保證回采層間夾層基本穩(wěn)定，其厚度需達(dá)到20 m。從58#和59#勘探線剖面圖來(lái)看，這一夾層厚度均小于20 m。根據(jù)該研究成果，為保證開(kāi)采安全不宜分多層進(jìn)行開(kāi)采。

圖2 開(kāi)采礦層示意Fig.2 The schematic diagram of mining seam

針對(duì)試驗(yàn)區(qū)段(58#～59#勘探線，標(biāo)高2 120 ～2 170 m)各礦石品級(jí)的分布情況(試驗(yàn)區(qū)段儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2)，對(duì)開(kāi)采對(duì)象，設(shè)計(jì)了以下2 個(gè)方案(見(jiàn)表3)。

表2 資源儲(chǔ)量估算Table 2 Resource reserves estimation

表3 開(kāi)采方案比較Table 3 Comparison of mining scheme

方案1。礦層①、①1、①2、②、②1、②2、②3分層混采，礦石量(含Ⅲ級(jí)品和廢石)總計(jì)294 622.0 t，地質(zhì)平均品位17.78%，采出礦石品位約15.11%;

方案2。僅采上部①、①1、①2分層礦(進(jìn)行混采)，礦石量96 855.9 t，地質(zhì)平均品位27.02%，采出礦石品位約22.97%。

根據(jù)以上比較，方案1，采出礦石品位太低;設(shè)計(jì)推薦方案2，實(shí)行①、①1、①2分礦層混合開(kāi)采，采出礦石混合后，礦石品位可達(dá)22.97%。

3.3 采礦方法比較

根據(jù)開(kāi)采對(duì)象及礦體開(kāi)采技術(shù)條件，可能采用的采礦方法有:分段空?qǐng)龇?、淺孔留礦法、分段留礦崩落法，3 種方法的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 采礦方法比較Table 4 Comparison of mining methods

(1)淺孔留礦法適用于礦巖基本穩(wěn)固的傾斜、急傾斜礦體，是一種技術(shù)成熟、工藝簡(jiǎn)單的采礦方法。缺點(diǎn)是工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，采場(chǎng)生產(chǎn)能力較低，由于工人在采場(chǎng)頂板暴露面下工作，如果礦石穩(wěn)固性較差，則安全性較差。根據(jù)馬鞍山礦山研究院初步研究資料，試驗(yàn)地段礦石破碎，完整性較差。因此，設(shè)計(jì)推薦淺孔留礦法僅能用于礦體水平厚度小于4 m 的礦體。

(2)分段空?qǐng)龇ㄟm用于礦巖均穩(wěn)固的中厚以上的傾斜、急傾斜礦體。試驗(yàn)地段礦體頂板巖石硬度中等偏小，巖層完整性中等，屬于中等穩(wěn)固巖層。礦房回采過(guò)程中，如果頂板巖層冒落，將增加礦石的損失和貧化，同時(shí)冒落產(chǎn)生的沖擊氣流對(duì)分段作業(yè)人員的安全也造成威脅。由于礦石完整性較差，間柱回采作業(yè)可能較為困難。從安全性方面考慮，分段空?qǐng)龇ú灰瞬捎谩?/p>

(3)分段留礦崩落法是無(wú)底柱分段崩落法的變種。無(wú)底柱分段崩落法是一種技術(shù)上非常成熟的采礦方法。分段留礦崩落法的要點(diǎn)是:全部采用無(wú)底柱分段崩落法的生產(chǎn)工藝，只是回采出礦前不需要形成覆蓋層，而是留下一定量的頂柱，便于放礦。在作業(yè)空間垮塌前，完成出礦工作，放出無(wú)貧化礦石。在空?qǐng)龀龅V過(guò)程中，隨著崩落礦石的放出，空?qǐng)鲈絹?lái)越大，當(dāng)空區(qū)圍巖暴露達(dá)到一定面積時(shí)，便會(huì)發(fā)生自然冒落。待覆蓋層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，采用分段崩落法回采下分段的礦石，以最大程度提高礦石回采率。

本方法的缺點(diǎn)是需要采用無(wú)軌鏟運(yùn)機(jī)出礦，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)較高，為了無(wú)軌設(shè)備運(yùn)行，還需要掘進(jìn)斜坡道。根據(jù)以上比較，上盤(pán)礦體宜采用分段留礦崩落法，而下盤(pán)礦體須采用淺孔留礦法。

4 結(jié) 論

在對(duì)云南磷化集團(tuán)有限公司晉寧磷礦2 號(hào)坑深部礦體開(kāi)采地質(zhì)采礦條件進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，從安全性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性、資源利用率等多個(gè)角度進(jìn)行分析研究，經(jīng)多方案比較，得出對(duì)于晉寧磷礦2 號(hào)坑這種典型的緩傾斜含軟夾層薄至中厚難采磷礦體，對(duì)其上盤(pán)礦層采用分段留礦崩落法，作為重點(diǎn)試驗(yàn)的地下開(kāi)采方法;而對(duì)其較薄的下盤(pán)礦層，則推薦采用淺孔留礦法，作為輔助試驗(yàn)的地下開(kāi)采方法。

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