云南大紅山鐵礦Ⅰ#銅礦帶深部回采工藝優化

邢志華 段 鑫 余賢斌 沙 斌

(1.玉溪大紅山礦業有限公司；2.昆明理工大學國土資源工程學院)

1 礦山概況

玉溪大紅山礦區礦體規模大，分別由大紅山鐵礦和大紅山銅礦開采。其中，大紅山銅礦主要開采Ⅰ#銅礦帶，大紅山鐵礦則主要開采鐵礦體。但Ⅰ#銅礦帶部分地段由于與鐵礦體相鄰，存在相互影響，因此，其曼崗河以西部分，由大紅山銅礦開采，曼崗河以東部分，則由大紅山鐵礦開采。

Ⅰ#銅礦帶為古海底火山噴發—沉積變質巖礦床，自上而下依次有Ic、I3、Ib、I2、Ia、I1等多層礦體，其中，Ic、Ib、Ia礦體為含銅鐵礦體，I3、I2、I1礦體為含鐵銅礦體，各層礦體之間還有厚度不等的夾石，但具有工業價值的主要為I3、I2、I1礦體。3層礦體之間有夾層，厚度從零至數十米不等，在不少地段，各層礦體還往往有厚度不等的分支。在大紅山鐵礦開采范圍內，Ⅰ#銅礦帶礦體傾角為12°～55°，平均35.7°，礦體厚度為1.7～21.4 m，平均6.9 m。

由于礦體厚度薄，呈多層產出，各礦層厚度變化無規律，Cu品位低(平均0.56%)，其上部還有尚未開采結束的露天熔巖鐵礦，因此，Ⅰ#銅礦帶在技術上屬于采礦界公認的多層、緩傾斜—傾斜、中厚—薄的難采礦體。在一定程度上，也反映了我國金屬礦床開采的現狀，即開采條件較好的資源已經消耗殆盡，目前可供開采的，大多為技術上難采、開采成本較高的礦床。

由于開采對象連續性差、礦層層數多，上下礦層厚度變化大，關系復雜，相互制約，開采難度大，設計采用便于剔除夾石、適應多層礦體的點柱式上向分層充填法開采。主開拓井巷為斜坡道和豎井，以豎井提升礦石，斜坡道為人員、設備材料進出通道，并兼作進風通道，另有專用進風豎井和回風豎井。階段高度100 m，分段高度20 m，每個分段內劃分為多個分層開采，分層高度3～4 m。盤區長300 m，設6個礦塊，礦塊長度50 m，礦塊寬度為礦體水平厚度(多層礦體時為多層礦體加夾石厚度)，礦塊高度按1個分段高度劃分，相鄰礦塊之間留4 m寬間柱，礦塊內按18 m間距留6 m×6 m點柱；采場溜井按 300 m 間距(即盤區長度)設置，進回風上山按600 m 間距設置(圖1)[1]。礦段投產初期，380，480 m 中段同時回采。各階段按由下至上的順序開采，各采場每分段開鑿1個出礦聯道，開采時人員設備從斜坡道經沿脈干線、出礦聯道進入各分層，礦石用鏟運機經出礦聯道、沿脈干線運至布置于下盤的礦石溜井。

圖1 點柱式上向分層充填法原理

礦山生產中發現，Ⅰ#銅礦帶礦巖中節理、層理等構造較發育，并存在多條斷層，導致礦巖穩固性較差。在實際生產中，由于鑿巖、裝藥、爆破、出礦、充填等生產步驟都需要在空場下作業，具有較大的安全隱患。

2 地質構造與回采貧損指標

點柱式上向分層充填法的主要優點是便于剔除夾石，對圍巖的破壞影響較小。因每一分層開采結束立即充填，不會形成大的采空區，采場頂板不會發生較大規模的冒落；不進行大爆破，且采后充填，對上覆巖層，特別是露天熔巖鐵礦的邊坡穩定性基本不產生顯著影響。主要缺點是采礦作業環節多，生產成本較高；鑿巖、爆破、出礦、充填等各個環節的工作人員都需要在空場下作業。因此，在礦巖穩固性較好的條件下，可以取得較好的貧損指標；礦巖穩固性差時，則存在頂板冒落的安全威脅。

按照相關勘探資料，Ⅰ#銅礦帶礦巖強度高(礦石、礦體直接頂板和間接頂板巖石的單軸抗壓強度均在100 MPa以上)，因此生產安全能夠得到保障。但礦山建成投產以來的生產實踐表明，Ⅰ#銅礦帶實際的礦巖強度僅為中等(單軸抗壓強度平均值為70～80 MPa；被F3斷層切錯、埋深更深的西部礦段，單軸抗壓強度甚至在60 MPa以下)，遠低于勘探報告所給出的數值；礦巖中節理、層理和構造斷層較為發育，礦巖穩固性為中等。

現場調查表明，大紅山鐵礦Ⅰ#銅礦帶礦巖中層理、節理發育，層理間距變化大，局部層間結合力較弱，在暴露面積較大的情況下，易發生脫層現象。主要發育的節理有4組：①走向節理，走向90°～115°，傾向NE或SE，傾角70°～90°，與地層走向近于平行，走向延伸長度一般大于10 m；②NE向斜交節理，走向45°～75°，傾向NE或SE，傾角60°～80°；③NW向斜交節理，走向130°～145°，傾向NE或SE，傾角45°～80°，與地層走向斜交，走向及傾向上延伸長度一般大于8 m，呈微張開閉合狀；④傾向節理，走向10°～20°，傾向SE或NW，傾角80°～90°。

層理及幾組節理將巖石切割成各種楔狀體和層狀體。在采場頂板和側幫出現的一些楔狀體，會形成許多易冒落的塊體。節理和層理分布的顯著特征是其間距呈不規則變化，一些地段節理間距僅有1～2 cm，并有較大的張開度，造成礦巖穩固性顯著降低。

礦巖中斷層數量也較多，大紅山礦區的斷層一般為張性和張扭性斷層。斷層破碎帶中常見泥質和砂質充填物，破碎帶厚度也呈不規則變化特征。

由于地質構造的存在，點柱的完整性受到削弱，在實際生產中，不得不增大其斷面面積，在存在斷層，或節理、層理較為密集的部位，尤其如此。在實際生產中，剔除夾石的目標并未達到。因此，采場的實際貧化損失指標遠高于設計值，與分段空場嗣后充填工藝的貧損指標較接近。

3 采場頂板跨度、礦柱高度與強度

導致頂板失穩冒落的主要因素為頂板巖石中的拉應力。拉應力通常隨頂板暴露面積(跨度)的增大而升高，拉應力區的范圍也隨之擴大[2-5]。因此，采場頂板極限暴露面積(極限跨度)，是涉及地下礦山效益和安全的一個基本參數。對于開采深度小于跨度的淺埋礦體，且頂板巖體完整時，可由梁理論導出極限跨度的計算公式：

式中，Lmax為極限跨度，m；γ為覆蓋巖層容重，kg/m3；H為開采深度，m；[σt]為頂板巖層許用抗拉強度，MPa；λ為原巖應力場側壓力系數。

大紅山銅礦的生產實踐表明，對大多數采用分段空場法開采的采場，頂板暴露面積達到1 500～1 600 m2時，頂板仍能保持穩定。在實際生產中，雖然分段空場法頂板一般不會發生大規模冒落，但小規模乃至個別巖塊的冒落是難以避免的。只是由于大規模爆破后人員不進入采場，頂板局部冒落因而不會對人員造成傷害。點柱式上向分層充填法的情況則有很大不同，雖然在留設點柱后，采場頂板的實際跨度遠小于分段空場法，但由于人員需要在爆破所產生的空場下作業，對頂板穩定性的要求較高。為確保生產安全，在采用點柱式上向分層充填法生產的采場中，點柱間的距離一般不能按設計取12 m，大多小于10 m，但往往無法完全避免危巖冒落。為顯著降低危巖冒落危害，本研究認為，對于礦體厚度較小的礦體，點柱間的距離仍需要顯著降低，以不超過6 m為宜。當頂板暴露面積進一步增大時，采用在采場中預留點柱的方法，可有效降低頂板跨度，從而大幅度縮小頂板中的拉應力區范圍，有效維護頂板的穩定性[11]。當礦體較厚時，礦柱高度會隨之增大；在礦柱斷面面積不變的條件下，礦柱強度會隨著采場高度的增加而降低。對于采用分層充填法采場中的點柱，充填物可對點柱提供側壓，維護其穩定性。但當點柱高度較大時，構造對礦柱的削弱作用也會顯著增強，此時高礦柱的穩定性難以維持。

4 采礦工藝優化

4.1 厚度7 m以上礦體

綜合分析點柱式上向分層充填法和分段空場嗣后尾砂充填法的優缺點及其在大紅山礦區的應用情況，可以發現，分段空場嗣后尾砂充填法不僅具有安全風險小、采場生產能力高、噸礦石生產成本低等優點，在實際生產中，貧損指標也與點柱式上向分層充填法接近。當礦體較薄時，底部結構造成的采切千噸比相對較高，隨著礦體厚度加大，采切千噸比持續下降，噸礦石生產成本進一步降低。與之相比，生產中點柱式上向分層充填法剔除夾石的目標基本未能實現。因此，在礦體厚大(厚度在7 m以上)的地段，采用分段空場嗣后尾砂充填法更為合理。

當礦體厚度較大時，礦柱強度會隨著高度的增大而降低。根據大紅山銅礦多年來的生產實踐，礦體垂直厚度小于20～25 m時，除斷層影響的情形外，采場間柱和頂底柱的厚度為5 m，礦柱一般可以保持穩定；礦體垂直厚度大于25～30 m以上時，有必要適當增大礦柱高度。

為防止爆破對礦柱的破壞，相鄰采場不能同時開采。一個采場充填結束后，其相鄰采場方可開始爆破出礦。實行強采、強出、強充的“三強”開采模式，在盡可能短的時間內完成一個采場的生產環節，也可以達到降低礦柱尺寸、取得較好效益的目的。

在采用塹溝式底部結構的條件下，采場底部會有部分礦石無法出盡。遙控式鏟運機的應用可大幅度減少采場內的礦石損失。

4.2 厚度4 m以下礦體

當礦體垂直厚度小于4 m時，則不存在分層的問題。在此情形下，如果沒有斷層構造的影響，點柱斷面尺寸為2 m×2 m，也能夠保持穩定。為提高安全系數，可以將斷面尺寸提高至3 m×3 m；受斷層影響的部位，可加大至4 m×3 m。點柱間的距離(跨度)可相應地減少至5.5～6 m，可顯著降低頂板浮石的冒落危險。

對于厚度小于4 m的礦體，可采用條帶式回采方法。首先開鑿出數個相互平行、寬度為4 m的回采巷，其間由平行條柱分隔；然后進行后退式挑刷兩幫和頂板，并根據穩定性情況，開采條柱的一部分，使之形成點柱。實際的點柱尺寸可以靈活掌握，穩定性較差的地段，可以適當加大尺寸(圖2)。

圖2 薄礦體條帶式回采步驟(單位：m)

4.3 中等厚度礦體

對于中等厚度的礦體，仍采用點柱式上向分層充填工藝，但應該優化回采順序和結構尺寸。此時一般需要分2層開采，但也應首先開鑿寬度為4 m的條帶，在相鄰條帶之間形成連續條柱；然后向兩幫和頂板擴刷。在礦巖穩定性好的情況下，斷面規格為3 m×3 m、高度為7 m的點柱可以保持穩定。但考慮到第1分層回采、充填完畢后，第2分層的點柱應對齊，為提高安全系數，可以將點柱斷面尺寸提高至3.5 m×3.5 m，即第1步回采后形成的條柱寬度為3.5 m。對礦巖穩定性較差的地段，可以形成斷面尺寸為3.5 m×4 m的點柱。

5 結 語

根據大紅山鐵礦Ⅰ#銅礦帶的礦巖強度、構造弱面及礦巖穩定性特征，對該礦帶的開采工藝進行了優化，對于厚度大于7 m的礦體，應采用分段空場嗣后尾砂充填法開采，以避免人員在空場下作業；對于厚度小于4 m的礦體，應采用條帶式回采工藝，先開鑿若干個相互平行的條帶，形成連續條柱；再以后退式方法挑刷條帶，最后回采部分連續礦柱上的礦體，形成點柱，降低采場跨度，點柱間的距離以不超過6 m為宜；對于厚度為4～7 m的礦體，采用點柱式上向分層充填法開采。