VCR采礦法在武山銅礦的應用及展望

陳智宏，張振平，劉經(jīng)民

（江西銅業(yè)股份有限公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

1 引言

武山銅礦2020年大力開展單產(chǎn)能力攻關研究，通過對現(xiàn)有采礦方法進行分析，找到了施工方法及管理措施中的不足之處，有針對性地開展了一系列攻關活動，取得了不錯的效果。但受現(xiàn)有采掘施工設備設施的先進性不足及對采礦作業(yè)流程分析不完全等因素的影響，采場單產(chǎn)能力提升沒有達到預期，同時受生產(chǎn)效率低、人工作業(yè)勞動強度大、采礦方法局限性等因素制約，采礦作業(yè)成本居高不下。另外，受建礦時間長、地質條件復雜等因素影響，新采礦方法如何適應武山銅礦的現(xiàn)有系統(tǒng)是一個難題。

為解決上述問題，我們在武山銅礦“三期建設”之初，充分分析現(xiàn)有采礦方法及工藝的不足，對國內(nèi)外高效采礦方法進行對比、選擇，對武山銅礦地質、采掘工藝條件等進行適應性比較分析，提出了在現(xiàn)有采礦方法的基礎上發(fā)揮高效低廉效應的對策，并通過在采礦盤區(qū)推行VCR采礦法，初步論證了該方法在武山銅礦應用及提升綜合采礦效益的可行性。

2 礦體及圍巖地質條件

武山銅礦分南、北礦帶，北礦帶W3以西礦體主要由含銅黃鐵礦及含銅白云質灰?guī)r、含銅大理巖為主，其中含銅黃鐵礦為靠下盤獨立礦體，界限較為明顯，礦體呈砂塊狀，黏結力差。含銅白云質灰?guī)r、含銅大理巖在上盤緊鄰含銅黃鐵礦賦存，大部分礦體節(jié)理發(fā)育，裂隙內(nèi)侵入含銅黃鐵礦，裂隙寬度多數(shù)在3cm以內(nèi)，完整性較差，部分區(qū)域有溶洞，多為干溶洞，有鐵質粘土等充填［1］。

E6至W3，主要由含銅白云質灰?guī)r、含銅大理巖、含銅石英閃長玢巖、含銅破碎帶、含銅角礫巖礦體組成，節(jié)理發(fā)育，完整性一般。

E10至E6，主要由含銅黃鐵礦、含銅高嶺土、含銅破碎帶（碳酸巖）組成，其中含銅黃鐵礦與西部巖性類似，含銅高嶺土，易吸濕膨脹、溜幫，含銅破碎帶主要是節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差。

北礦帶上盤圍巖為大理巖，穩(wěn)定性好，部分區(qū)域有溶洞，以干溶洞填充塊狀碎屑及鐵質粘土，整體較為穩(wěn)定。下盤為砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性一般。

南礦帶礦體主要為含銅矽卡巖、含銅大理巖，礦體穩(wěn)定性較好，少部分區(qū)域（W1、W2、W4、E5、E7、E8等）有花崗巖和煌斑巖穿插，穿插厚度為2～10m左右。花崗巖、煌斑巖均易風化，長期暴露易吸濕膨脹、垮幫。

南礦帶礦體成馬蹄形，南礦帶圍巖中間（上盤）為花崗巖，易風化，長期暴露易吸濕膨脹、垮幫。下盤為大理巖，較為穩(wěn)定。

3 歷史采礦方法應用情況

分段崩落法及分層崩落法。武山銅礦在建礦初期至20世紀90年代使用該采礦方法，其特點是生產(chǎn)能力低、頂板控制難度大，易冒落，安全性保障低，礦體損失率低。

下向分層水砂充填采礦法。在20世紀90年代至今一直沿用，其特點是支護量大，人工假底量大，材料運輸繁忙，成本高，生產(chǎn)能力相對較低，勞動生產(chǎn)率低，但安全性較好。

上向分層水砂充填采礦法。在20世紀90年代至2013年在武山銅礦南部圍巖及礦體均較穩(wěn)定的采場應用較多，主要是南礦帶S、N部礦體。其特點是施工效率較高，但遇破碎帶及軟巖段支護量大，松石傷人事故頻發(fā)，為保證施工過程中頂板的穩(wěn)定性，往往需預留礦柱，損失率大，同時受上向施工時底板充填砂的影響，貧化率也較大。

下向分層膠結充填采礦法。該方法在武山銅礦應用最為成功，解決充填體穩(wěn)定性后，采場支護量大為減少，施工過程中安全性較高，礦體貧損指標非常低，但充填成本相對較高。同時受分條充填時密閉墻施工等影響，采場材料使用量較大，運輸成本較高。

分段空場嗣后充填采礦法。該方法近年來在武山銅礦試驗成功，驗證了高采空區(qū)邊幫穩(wěn)定性及充填體假頂?shù)淖苑€(wěn)能力滿足分段或中段空場采礦的要求，推廣應用后，有望大幅減少用工及作業(yè)成本。

4 VCR采礦法應用展望

4.1 應用VCR采礦法

VCR采礦法在金屬礦山應用較多，特別是大型井采金屬礦，因該方法高效、低成本，近年來應用面在逐步擴大［3］。武山銅礦經(jīng)過近兩年分段空場嗣后充填采礦法試驗，驗證了高采空區(qū)邊幫的穩(wěn)定性，進一步增強了該礦后期引進更高效率的采礦方法的可能性，VCR采礦法是主要方向。

國內(nèi)大多數(shù)礦山都采取“一礦多方法”的模式，有針對性地解決采礦效率低、地質結構復雜等問題，取得了很好的效果。武山銅礦作為老礦山，現(xiàn)有的進路式采礦方法應用成熟，該采礦方法也解決了武山銅礦規(guī)模小、松軟難采礦體的開采問題。為了最大限度利用資源，應當再優(yōu)化并推廣其在難采礦體區(qū)域的應用［4］。結合武山銅礦圍巖穩(wěn)定性具有區(qū)域性的特點，我們認為在一些穩(wěn)定性較好，如南礦帶S、E、N5、N6等采場，可以采取更先進更高效的采礦法，能在一定程度上解決現(xiàn)有采礦方法成本高、用工量大、安全隱患多、施工效率低等一系列問題。

對比國內(nèi)外采礦方法的應用成果，并結合武山銅礦礦體賦存條件及充填工藝條件，VCR采礦法+嗣后膏體充填是武山銅礦后期發(fā)展的不二之選。分析該采礦方法的優(yōu)點，能發(fā)現(xiàn)該采礦方法有利于綜合效益的提升，同時，結合武山銅礦的實際情況，該方法也便于應用和推廣。

4.2 武山銅試用VCR法的優(yōu)點

武山銅礦得益于成熟的充填工藝及部分區(qū)域穩(wěn)定的地質條件，應用VCR采礦法優(yōu)點比較明顯。

（1）南礦帶部分礦體較穩(wěn)固，同時礦體不連續(xù)，且礦體規(guī)模不大，都屬于急傾斜礦體，比較適合應用此法，具體操作時，可以選取單個采場作為一個礦房，免去了二步驟回采礦柱的麻煩。

（2）由于使用了全尾膏體充填工藝，可以充分利用穩(wěn)定的充填體假頂作為VCR法中礦房頂部鑿巖硐室、礦房聯(lián)巷以及其他巷道的頂板，確保了鑿巖施工的安全。

（3）礦房底部采取有底柱出礦系統(tǒng)，出礦巷與受礦巷分開布置，能有效保證出礦安全。

（4）礦房回收干凈后，通過對底部8m左右采取高強度（4MP）充填后，底部結構可以采取現(xiàn)有的水平分層充填采礦法進行回收，能有效解決底柱回收困難的問題。

（5）在成本控制上，由于采取該方法后不再需要每12m施工一層分段沿脈巷道，同時一次爆破出礦量將會大大提升，采礦成本將會成倍下降。

4.3 VCR法具體施工工法建議

（1）選取分段高度50m礦體（如選取南礦帶E3采場-310m至-360m），底部5m施工底部結構。出礦溜井由-410m送至-360m并與底部出礦巷道貫通，排水由-360m采聯(lián)道排出。底部結構由采聯(lián)道靠近礦體約10m左右處開口掘進盤區(qū)沿脈巷，在走向方向上間隔24m掘進一條出礦巷，出礦巷與出礦巷之間掘進一條受礦巷，受礦巷與出礦巷之間每間隔5m掘進一條出礦進路（如圖1）。

圖1 底部結構巷道布置圖

（2）底部出礦巷及受礦巷施工完成后，在受礦巷進行中孔拉底施工（如圖2）。中深孔拉底后形成底部出礦塹溝及補償空間［4］（如圖3所示）。

圖2 受礦巷拉底中深孔施工圖

圖3 底部出礦塹溝

（3）礦房頂部鑿巖巷道及硐室施工。利用現(xiàn)有膠結充填工藝，對E3采場進行不少于3個分層的膠結充填，確保頂板穩(wěn)定后，在采場開掘礦房頂部鑿巖巷道及硐室，鑿巖巷布置與底部結構出礦巷及受礦巷類似，但兩巷道間不再開掘出礦進路（如圖4所示）。

圖4 鑿巖巷道布置圖

（4）礦房深孔施工。在已施工完成的鑿巖巷道上，根據(jù)爆破方案施工深孔（如圖5），深孔施工完成后，以利文斯頓爆破漏斗原理為基礎［5-7］，充分利用球狀藥包爆破特點，采用小斷面掏槽與倒梯段側向崩礦相結合的留礦爆破回采工藝。

圖5 深孔施工示意圖

（5）出礦。用鏟運機或其他高效率出礦設備從出礦巷道及出礦進路中運出破碎礦石30%～40%，為下一分層爆破提供補償空間。

（6）底柱回收。利用全尾膏體充填工藝，待盤區(qū)礦房出盡礦石后，封堵底部結構中的采聯(lián)道，對采空區(qū)進行充填作業(yè)，為保證采空區(qū)底部的充填強度并為下中段VCR采礦法應用提供穩(wěn)定的鑿巖巷道及硐室，要求底部10～15m采礦高強度充填（4MP以上）。充填完成并養(yǎng)護后，對底柱采取水平分層充填采礦法回收（視底柱高度決定1個或2個分層），最后一個分層施工時按礦房鑿巖巷道形式設計施工，為下中段深孔施工創(chuàng)造條件。

4.4 VCR采礦法與現(xiàn)有采礦方法的比較

武山銅礦正處于采礦方法的變革期，對于新采礦方法的選擇，要充分結合礦山實際情況，當前武山銅礦單個采場采礦效率低、全員勞動生產(chǎn)率低、采礦作業(yè)工序繁雜、采礦作業(yè)成本高是主要問題。若采取高效率的VCR采礦法，上述問題將大為改善。從上述四個方面進行比較可發(fā)現(xiàn)，VCR采礦法優(yōu)勢比較明顯。

表1 VCR采礦法與現(xiàn)采礦方法效益表現(xiàn)比較

4.5 應用VCR采礦法的幾點問題

（1）VCR采礦方法關鍵點在于深孔鉆鑿及球形藥包裝藥爆破［6］，以取得良好的礦石塊度及提高圍巖的穩(wěn)定性，避免出礦過程中的卡堵及礦體邊界圍巖過度擾動。為此，為了更好地應用此方法，還需邀請專業(yè)的科研院所針對武銅的具體情況進行研究、設計。

（2）結合國內(nèi)外礦山應用此方法的實例，出礦過程中，難以保證不會出現(xiàn)卡堵的情況。因此，針對卡堵現(xiàn)象應制定相應的措施，特別是對大塊的破碎，是采取長臂大塊破碎機還是采取機械化鉆孔裝藥破碎，應對應現(xiàn)場的安全情況擇優(yōu)選取或多種方法并行。

（3）采取VCR法后，由于爆破礦體大、產(chǎn)量高，影響生產(chǎn)能力提升的主要問題將集中在出礦環(huán)節(jié)上，如何提升出礦效率將是該方法應用后需重點考慮的因素。

（4）由于底部結構及部分頂部鑿巖硐室可能在原巖中施工，各種巷道的頂板支護將會是保證施工安全的重要措施，同時支護的穩(wěn)定性、可靠性不僅影響安全，也將影響生產(chǎn)效率。為此，使用專業(yè)化的支護設備，能大大緩解上述難題。

（5）VCR采礦法底部結構形式并非只有上述一種，還有無底柱及人工砼底柱等多種方式［8］。根據(jù)武山銅礦生產(chǎn)經(jīng)驗，這里推薦上述有底柱形式，施工較為經(jīng)濟、安全性也相對較好。但無論哪種底部結構，可能都會面臨出盡采礦區(qū)內(nèi)礦石時鏟運機等出礦設備暴露在采空區(qū)內(nèi)的現(xiàn)象，有松石傷害的風險。為此，多數(shù)礦山的經(jīng)驗都是對最后剩余的礦石采用遙控設備作業(yè)，以降低對人的傷害風險。

（6）對于VCR法中貧化的問題，與武山銅礦現(xiàn)有采礦方法相差不會太大。主要原因在于現(xiàn)有采礦方法中充填跑冒現(xiàn)象比較多，其中跑冒后的尾砂（江砂）大部分進入了礦石，這些尾砂進入礦石后貧化已比較嚴重（從地質品位與入選品位比較就能發(fā)現(xiàn)問題所在）。而VCR采礦法，因其嗣后充填的性質，礦石貧化只有大爆破過程中難以剔除的廢石混入，充填砂將不再會進入礦石中。

5 結束語

武山銅礦已開啟三期改擴建工程，建萬噸標桿井采銅礦山在即，在現(xiàn)有采礦方法的基礎上，合理地改進施工斷面或施工方法，同時投入效率更高、能力更大、自適性更好的采礦機械設備，以降低勞動強度、縮短部分工序的施工作業(yè)時間、及時處理安全隱患，從而達到安全、高效、降成本的目的，而針對這些方法及目標的達成，現(xiàn)階段進路式采礦法局限性很大。只有探索高效的采礦方法，才有可能在未來的三期采礦作業(yè)過程中使效率及成本達到最佳狀態(tài)。結合武山銅礦礦體賦存情況及生產(chǎn)實際，推薦試用VCR采礦法，通過在南礦帶E3采場簡單模擬該方法，提出了方法試用時可能存在的問題，為后期可選采礦方法提供一定的參考。