脈內順路天井中深孔嗣后充填采礦法在玲瓏金礦的應用

劉 濤,姜培根,喬俊斌,白騰飛,任 基

(1.山東黃金礦業(玲瓏)有限公司; 2.中南大學資源與安全工程學院)

薄礦脈在鎢、錫、黃金等貴重金屬礦山較為常見[1]。隨著地下工程逐漸向深部發展,薄礦脈開采被認為是貴重金屬尤其是黃金的主要開采來源[2-4]。然而,薄和極薄礦脈的開采方法一直是黃金礦山的難題之一。由于薄礦脈采準切割工程量大,采切比高,大型設備和機械很少使用,容易導致礦房生產效率低、礦石貧化率高等問題[5]。隨著礦山開采深度的增加,地壓顯現,且采空區未充填,造成開采難度越來越大,頂板冒頂事故頻發,這嚴重威脅到地下作業人員的生命安全,造成礦山資源財產的損失,進而影響礦山的生產效能和經濟效益。傳統的工藝與技術(如淺孔留礦采礦法)已不能適應薄礦脈的開采,不僅采礦效率低,且安全性較低[6-7]。因此,需要尋找新工藝與新技術,突破薄礦脈條件與技術條件的瓶頸[8-14],以實現薄礦脈的安全高效開采。

1 工程概況

山東黃金礦業(玲瓏)有限公司(下稱“玲瓏金礦”)共圈出有資源儲量的礦體213個,其中單礦體規模屬大型的(>500 m×500 m)有4個,規模屬中型的有17個,規模屬小型的有192個。礦體形態簡單,絕大多數呈脈狀產出,傾角50°～80°,水平厚度一般為0.8～2.0 m,出露巖石主要為中粗粒二長花崗巖和片麻狀中細粒二長花崗巖,屬典型的石英脈型金礦床,礦床較為穩定。九曲分礦是玲瓏金礦的主要開采礦段之一,其急傾斜薄礦脈一直采用淺孔留礦采礦法開采。隨著礦山開采深度的增加,地壓顯現,且采空區未充填,導致開采難度越來越高,頂板冒頂事故頻發,繼續使用淺孔留礦采礦法開采,工人長時間暴露在頂板下作業,作業環境危險。鑒于此,礦山開展了脈內順路天井中深孔嗣后充填采礦法試驗研究,優化采礦工藝,以實現玲瓏金礦急傾斜薄礦脈的安全高效開采。

2 順路天井中深孔嗣后充填采礦法

以玲瓏金礦九曲分礦-150 m中段9#支7173采場為例加以說明。采場礦體傾角為85°左右,平均厚度1.04 m,礦體上下盤均為玲瓏花崗巖,與主構造相連,巖石穩固性強。

2.1 方法概述

脈內順路天井中深孔嗣后充填采礦法如圖1所示,即在采場頂部留設頂柱,中間布置1條順路天井作為人行通風通道,同時利用該順路先自上而下施工所有炮孔,然后自下而上逐層爆破,爆落的礦石自重落入采場底部,采用鏟運機出礦的平底出礦穿底部結構,用鏟運機裝入礦車運走。礦房回采及出礦結束后,及時封堵各個出礦穿脈,采用上部中段廢石及尾砂充填采空區。主要采場要素為:采場長30 m,高40 m,礦體厚度≤0.6 m時,采幅0.6～0.8 m;礦體厚度>0.6 m時,采幅為礦體實際厚度。

圖1 脈內順路天井中深孔嗣后充填采礦法示意圖

2.2 采準工程

2.2.1 主要采準工程

主要采準工程有脈外巷(2.5 m×2.5 m)、出礦穿脈(2.2 m×2.3 m)、順路天井(2.7 m×1.5 m)等。

2.2.2 采準巷道支護

在進行采準工程時,需要及時對巷道進行支護,保障作業的安全性。依據《玲瓏金礦采掘工程支護管理規定(暫行)》,巷道(含脈外巷、出礦穿脈)為Ⅲ級巖體,采用錨桿支護。錨桿選用長1.8 m、φ40 mm的管縫式錨桿,支護網度根據巖石穩固情況可適當調整。脈外巷支護如圖2所示,出礦穿脈支護如圖3所示。脈外巷為拱形斷面,掛網穿帶,頂部錨桿支護網度為900 mm×900 mm,兩幫錨桿支護網度為1 000 mm×1 000 mm;出礦穿脈錨桿支護網度為1 000 mm×1 000 mm;而順路隨上掘進行正規木支護,直至貫通上部中段。

圖2 脈外巷支護示意圖

圖3 出礦穿脈支護示意圖

2.2.3 施工順序

首先施工脈外巷,然后施工出礦穿脈和順路天井,且順路天井提前與上部中段貫通。順路天井布置在脈內,采用YT-28鉆機全斷面一次成形。

順路天井施工過程中,每上掘1 m,在上下盤鉆鑿4個平臺固定孔,每3 m鉆鑿1個梯子固定孔,以便于上部中段提升設備及鉆機安裝。

2.3 回采工藝

采準切割工程結束后,即可進行回采。回采工藝主要包括鑿巖、裝藥爆破、通風、出礦、破碎大塊等。

2.3.1 鑿 巖

采用自主研發的吊罐鉆機一體式作業平臺(如圖4所示)進行鑿巖作業。吊罐鉆機一體式作業平臺由底座、絲杠、下盤滑輪、前后軌、上下軌、安全防護欄及安全蓋板組成。其中,YGZ-90鉆機通過焊接固定于作業平臺上,且可通過前后軌、上下軌前后上下移動,操作靈活方便;同時在吊罐下盤面布置滑輪,便于吊罐上下移動,而絲杠可頂住順路上下盤從而固定平臺。

圖4 吊罐鉆機一體式作業平臺

吊罐下放至施工高度后,將吊罐底部的絲杠頂住順路上下盤從而固定吊罐。均固定牢靠后,先向采場一側采用水平炮孔(水平上仰3°)施工2排炮孔,孔深15 m,炮孔采用“之”形布置。之后將鉆機旋轉180°向另一側施工炮孔。施工完畢,下放吊罐至合適位置繼續施工炮孔,直至所有炮孔施工完成。

2.3.2 裝藥爆破

通過絞車下放吊罐至各炮孔高度,人員在吊罐內對炮孔進行裝藥,第一次裝4排藥,起爆下面2排,上面2排提前裝藥,防止炮孔擠壓破壞。采用顆粒狀的乳化炸藥,裝藥長度14 m,炮泥堵塞長度1 m,每次爆破2排。

爆破采用耦合連續裝藥導爆索+導爆管雷管聯合起爆網絡,非電導爆管微差起爆系統起爆,采用DBG-3C型遠距離擊發器引爆。

2.3.3 通風、出礦

爆破后保持局扇正常運轉,通風20 min后方可進行作業。通風結束后,出礦人員在采場底部采用鏟運機出礦。

2.3.4 采空區充填

礦房回采及出礦結束后,及時封堵各個出礦穿脈,封閉采空區,同時采用上部中段廢石及尾砂進行采空區充填。采場全部采用1∶4膠結充填,充填體養護28 d,抗壓強度不小于5 MPa。

2.4 中深孔孔網參數

中深孔孔網參數布置遵循“多打孔,少裝藥”的原則,盡可能控制采場采幅,降低礦石貧化率,并盡可能減少爆破振動對上下盤圍巖的影響。

2.4.1 炮孔直徑

炮孔直徑決定了裝藥量和施工鑿巖速度,炮孔直徑的大小對延米崩礦量、大塊率、最小抵抗線有直接影響。根據國內中深孔爆破工程經驗,接桿鉆鑿中深孔的炮孔直徑一般為55～65 mm;潛孔鑿巖的炮孔直徑一般為90～120 mm。而國外礦山在極薄、薄礦體中深孔爆破回采的炮孔直徑一般為41～65 mm,且大多采用51 mm(2.0英寸)合金鉆頭鉆鑿51～53 mm的炮孔。例如,諾頓金田采用50 mm鉆頭配合乳化炸藥車回采2～3.5 m巖金礦脈取得了較好的效果。因此,確定炮孔直徑為50 mm。

2.4.2 最小抵抗線

對于薄礦脈的回采,其自由補償空間不足、上下盤圍巖對礦體夾制力大是中深孔回采爆破的一大突出特征。

1)按爆破設計手冊計算最小抵抗線。

W= (25～30)d

(1)

式中:W為最小抵抗線(m);d為炮孔直徑(m)。

經計算,W=1.25～1.50 m。即最小抵抗線為1.25～1.50 m。

2)按爆破漏斗試驗。基于先前硬巖爆破漏斗試驗結果,采用利文斯頓爆破漏斗相似模型理論,得出不同炮孔直徑的最小抵抗線如表1所示。由表1可知,炮孔直徑為50 mm時,推薦最小抵抗線為0.9 m。因此,最終確定最小抵抗線為0.9 m,孔底距為1.2 m。

表1 硬巖不同孔徑最佳孔網參數

3 應用及效果

脈內順路天井中深孔嗣后充填采礦法在采場中間布置1條順路作為人行通風通道,同時利用該順路先自上而下施工所有炮孔,然后自下而上逐層爆破,在采場底部布置出礦工程進行后期出礦。該方法采用自主研發的吊罐鉆機一體式作業平臺進行采場一次性鑿巖裝藥,礦石爆落后通過底部出礦穿結構出礦,實現了采場無人化管理,生產效率及作業安全性大大提高。其主要技術經濟指標如表2所示。

表2 主要技術經濟指標

由表2可知:雖然脈內順路天井中深孔嗣后充填采礦法采礦直接成本略高于淺孔留礦采礦法,但采礦效率提高了47 %,采礦損失率從8.00 %降低到1.19 %,礦石貧化率從22.5 %降低到12.6 %,且人員在底部出礦穿結構出礦,安全性大大提高。

4 結 語

隨著玲瓏金礦開采深度的不斷增加,礦山所面臨的壓力也在逐步增加,礦體賦存條件、節理裂隙發育程度也在上升,傳統的采礦方法如淺孔留礦采礦法已不再適用。當前地下礦山的發展趨勢是中深孔大規模強化開采,中深孔開采過程中,人員在鑿巖巷道中作業,與淺孔留礦采礦法人員在礦體頂板下作業相比,采礦安全性大大提高,同時其生產能力大,機械化程度高,生產效率高。

為此,本文提出一種脈內順路天井中深孔嗣后充填采礦法,即在采場頂部留設頂柱,中間布置1條順路天井作為人行通風作業通道。現場應用實踐表明:脈內順路天井中深孔嗣后充填采礦法大大提高了工作人員作業的安全性,同時其具有生產能力大、機械化程度高、生產效率高等優點,具有顯著的經濟效益及社會效益,可在類似礦山中推廣應用。