空场嗣后法在谦比西矿深部开采中应用.pdf

S e r i a l No ． 5 28 Ap r i l ． 201 3 现代矿业 M0RD EN MI N I NG 总 第5 2 8 期 2 0 1 3 年 4月第 4期 技 术 交 流 空场嗣后 法在谦 比西矿深部开采 中应用 王耀 杨清平 1 ． 大冶有色金属集团控股有限公司； 2 ． 中国有色矿业集团有限公司 摘要矿山深部开采面临着开采条件复杂、 采切 比大、 成本 高等诸多技 术难题。空场嗣后法 是一种能解决深部开采难题的有效采矿方法。以赞比亚中色非洲矿业公司深部开采空场嗣后法为 研 究对象， 介绍 了薄至 中厚矿体开采工艺的试验研 究。 关键词 空场嗣后法深部开采试验爆破 赞比亚谦 比西矿隶属于 Z C C M 赞 比亚联合铜 业有限公司 ， 因多年经营不善 ， 加之 1 9 9 8年金融危 机导致生产经营难 以维持 ， 中国有色当年 收购此矿 山， 改名为中色非洲矿业有限公 司。谦 比西矿 目前 开采 的主要有 2大矿体谦 比西 西矿体 和主矿 体 ， 年产铜金属量约 2 ． 6万 t ， 整个矿山最 突出的特 点就是涌水量较大， 每天排放量达到 5 0 0 0 0 m 。 。西 矿体 目前开拓至 3 0 0 m， 因矿体为缓倾斜中厚矿体 ， 且岩体稳 固性极差 。主矿体 当前开采 中段有 5 0 0 、 7 0 0 、 9 0 0 、 5 0 0与 7 0 0 m， 主要采矿方法有 分段崩落 法 、 分段空场法、 空场嗣后法 、 上 向分层充填法等， 这 些采矿方法配合着必要 的支护手段 ， 工艺技术运用 相当成功。 目前 5 0 0与 7 0 0 m备采矿量已不足 ， 因 深部矿体地质条件变化较大 ， 必须确定 主矿体 9 0 0 m采矿方法。 1 谦 比西主矿体 深部地质条件 谦 比西主矿体矿床属于沉积岩型矿床 ， 在地质 勘查和深部开拓采准工程揭露后 ， 发现深部矿床板 岩裂隙节理发育， 大体呈东西走向， 走向长约2 k m， 倾 向西南方 向， 矿体倾角约 8 0 。 ， 矿体厚度 5～8 m， 地质平均品位约 2 ． 2 ％。矿体 自下盘开始为底盘砾 岩一长石石英岩一 中砾岩剪切带一泥质石英岩一下 盘砾岩一矿体一 白云质片岩板 岩一石英岩底板 隔 水层 一含水层带。总体来说， 矿体属于中等稳固， 仅局部不稳 固。矿体上盘稳 固性差 ， 下盘 中等稳固。 因矿体含水较大 ， 前期开拓采准工程 的同时进行 了 疏干施工， 具备形成采场条件。 矿石密度 2 ． 62 ． 8 2 t ／ m ； 矿石硬度系数f6 ～ 8 ； 围岩硬度系数_厂 1 0～1 2 ； 岩石松散性系数 王耀 1 9 8 2 一 ， 男 ， 工程师 ， 硕 士研究生 ， 4 3 5 0 0 5湖北省 黄石 1 ． 5 ～1． 6。 靠近矿体与下盘砾岩接触位置品位较高 ， 为厚 1 ～ 2 m的斑铜矿， 崩落矿石一般为粒状或板状结 构； 矿体中主要为黄铜矿， 崩落矿石一般为板状结 构 ， 致密性好 。 2 主矿体 深部矿床 开采方案 2 ． 1 主矿体深部矿体采准方案与矿块尺寸的确定 对于此类地质条件下 的矿体开采 ， 可供选择采 矿方法很多 ， 譬如 崩落法 、 充填法、 空场嗣后法等 。 但崩落法与充填法的采准比远远超出了采矿成本， 确定采用空场嗣后法。 该矿体属于薄至 中厚矿体 ， 分段高度过小对采 矿成本影响很大， 因此借鉴国内外经验， 尽量增大采 场分段高度 ， 将 8 2 9 m布置为凿岩水平 ， 8 6 5 13 1 布置 为出矿水平 ， 确定 了凿岩垂直高度 为 3 3 m。8 2 9 m 与 8 6 5 m 2个水平通 过 中央斜坡道施工 2条联络 道 ， 与采准分段平巷连接起来。 矿体采准布置 矿体下盘布置采准分段平巷 ， 联 络道将采准分段平巷与矿体连接起来 ， 形成 了开拓 与采准系统。 矿块按走向布置 ， 矿块尺寸确定为长 2 0 m ， 宽 为矿体水平厚度 。 2 ． 2 试验采场的选择 刮 1 回采顺序对采场地压影 响很大。运用嗣后 法回采， 要兼顾相邻采场的回采 ， 宜采用后退式 回采 方案。 2 试验采场要有代表性 。试验采场不能选择 高应力区域或者有断层 的区域 ， 以免影 响对试验结 果的判断。 3 尽量选择距离相近或者相邻采场， 便于分 析相邻采场之间的相互影响与关系。 4 采场回采顺序为隔一采一， 先回采矿房， 后 5 7 总第 5 2 8期 现代矿业 2 0 1 3年 4月第 4期 回采矿柱。 综合以上 因素 ， 选择 3 2 、 3 4 、 3 6 采场作为试验 采场。见图 1 。 图 1试 验 采 场 2 ． 3 试验采场凿岩方案 1 一般矿体沿走 向为其最 大主应力方 向， 垂 直矿体方 向上为最小主应力方 向 J 。本矿体性 质 属于不稳 固到稳 固， 经过分析 ， 选择 3 2 、 3 4 凿岩布 置方式进行 对 比， 对 比后确定 3 6 凿岩施 工方式 。 3 2 、 3 4 采场凿岩设计施工方案见图 2 。 一一 a 3 2 采场 b 3 4 睬 场 图 2 采场 凿岩道平面布置 2 根据国内 V C R法的凿岩断面大小经验 ， 中 等稳固以上 的岩体 中， 凿岩断面尺寸选择为 宽 高 5 m 4 ． 5 m， 而谦 比西 9 0 0 m深部 的岩性为 中 等稳固以下 ， 在确保凿岩道安全 的前提下 ， 选择深部 试验采场断面尺寸为 宽 高 4 m X 4 m。 3 凿岩支护方案。谦 比西矿一直 以来运用管 缝式锚杆和长锚索联合支护， 支护效果不是很理想， 局部区域已然有垮塌现象， 后对垮落区域采用钢支 架支护， 成本较高 ， 且返工现象严重。本次试验采场 支护将砂浆锚杆取代管缝式锚杆 锚杆间距 1 m ， 然后采用长锚索挂 网支护 长锚索 间距 2 m ， 最后 湿喷 1 0 m m厚的塑料纤维混凝土。 2 ． 4 试验采场爆破 网络参数的选择 从铜陵公司购进 T ． 1 0 0型钻机， 借鉴国内矿山 实例， 初步选择 1 0 0 m m孔径， 切割槽孔网参数定为 2 m 2 m， 侧崩孔网参数定为排距2 m， 孔距2 ． 5 m， 待爆破后， 视其爆破效果调整。 下向孔装药参数与堵塞 按照设计从孔底开始 留 1 m空间 ， 再安装水泥塞子 ， 然后底部堵塞 1 m， 再装药 4 m， 上部堵塞 1 ． 5 m； 侧崩装药时 ， 底部孔底 5 8 留 1 ． 5 m空间， 然后分段装药至上部孔 口3 m， 然后 上部孔 口以下 3 m堵塞， 分 2次或者 3次完成采场 爆破 。 2 ． 5 试验采场切割井施工方案 将切割井布置在矿体上盘 ， 先 在 3 2 采场凿垂 直深孔 ， 类似 V C R法直接拉井 ， 根据其施工效果决 定 3 4 采场拉井方案。如果 3 2 采场试验不成功， 可 考虑将 3 4 采场人工从底部向上拉 1 5 m， 再用类似 V C R法将上部 1 8 m井拉成。比较两次试验结果 ， 制定适用于 3 6 采场拉井方案 。 2 ． 6 嗣后采场充填前的准备工作 1 矿体稳定性较差， 回采完毕后必须立即充 填 ， 不会引起相邻采场的垮塌。 2 相邻采场必须预留足够厚 的点柱 ， 防止充 填水砂进入二步回采 的相邻采场 ， 引起相邻采场积 水或者出矿贫化。 3 水砂充填前 ， 优先在底部用掘进废石 干式 充填 ， 有利于水砂充填排水 ， 同时做好底部出矿进路 的堵 口工作 ， 防止压力过大引起溃坝跑砂事故 。 4 安装充填泄水笼以加速排水 ， 防止水沿着 裂隙渗透至相邻采场 ， 引起相邻采场地质条件恶化。 2 ． 7 试验现象与结论 1 从现场对比可以看 出， 3 4 采场凿岩设计方 案稳定性要优于 3 2 采场凿岩 的设计方 案， 按 照改 进后的支护方案 ， 采场凿岩与出矿进路的稳定性较 好 ， 为了确保凿岩道的稳定性更好 ， 有必要进一步将 凿岩道设计为 3 ． 8 m宽。 2 施工深孔的钻机型号为 T - 1 0 0型钻机， 没有 安装导 向装置。施工 中， 出现如下 问题 ①工人对 T - 1 0 0型钻机掌握不熟练 ， 加之该机偏斜率较大， 尤 其当孔深超过 1 5 m后， 偏斜率更大； ②施工过程中 或者施工完后 ， 岩石比较破碎 ， 尤其是孔在穿过不同 层位的岩石时 ， 堵塞频繁。 3 3 2 、 3 4 采场切割井施 工对 比 ① 3 2 采 场 切割井施工方案 ， 当底部 向上爆破 1 2 m 的位置时， 经常出现测量孔位 深度不发生变化 ， 而且 向上空 口 反渣严重 ， 清理反 冲矿渣耗费大量时间， 同时 ， 爆破 后堵孔现象严重 ， 爆破前必须洗孔 ， 在爆破强振动作 用下， 凿岩道破坏 明显； ②改进 3 4 采场切割槽施工 方案 ， 人工从底部施工上 向扇形炮孔 ， 爆破拉 1 5 m 深后 ， 再用 V C R法拉井 ， 爆破后反渣量小 ， 但 同样也 存在着堵孔现象 ， 每次爆破之前洗孔现象频繁。 4 经过综上分析 ， 认为存在原 因 ①岩石从底 部孔 口 1 2 m位置向上 ， 夹制力较大 ； ② 由于岩石裂 王耀杨清平 空场嗣后法在谦比西矿深部开采中应用 2 0 1 3年 4月第4期 隙比较发育 ， 炸药能量利用 比较差； ③装 药量过大 ， 形成不 了 V C R法爆破条件 ， 而且每次爆破上部堵塞 长度不够 ， 造成 了一定量 的反渣 ， 且爆破延米过长 ， 炸药单耗大， 利用率差 ； ④从试验采场结果对 比可以 看出， 从底部向上拉井至一定的高度 ， 能够减小岩石 的夹制力， 但对于大规模的开采来说， 依然存在效率 低下的问题 ， 试验认为从底部人工向上拉井 ， 提供足 够的爆破空间， 明显可以改善爆破 自由面， 从而改善 了爆破效果 ； ⑤ 同样爆破到岩石不同层位面时候 ， 堵 塞现象比较频繁。并且施工垂直深孔穿越不 同层位 时， 经常会出现堵孔或者孔位断折， 分析认为板岩岩 层不适宜垂直深孑 L 施工。 5 3 2 、 3 4 采场侧 向崩矿效果 ①每次爆破后 几乎都出现堵孔 ， 洗孔频繁 ； ②下盘斑铜矿 回收效果 好 ， 出矿品位达到 1 ． 8 0 ％ 以上 ， 上盘围岩 自身稳 固 性差 ， 在爆破振动情况下产生垮塌 ， 引起矿石贫化 ， 矿石贫化率为 3 0 ％ ～ 3 5 ％， 大块率 1 0 ％左右， 二次 爆破以后 ， 爆破块度较好； ③从安全角度可以看出， 切割井拉好后， 采场分 2 ～ 3次侧崩完矿效果较好。 分析产生以上现象 的原因 ①对于沉积岩矿床 ， 因岩石层理很发育 ， 下 向垂直孔在层面接触的位置 容易出现错孔 ； ②爆破孔 网参数过密也可能是后排 孔易堵的原因。 3 试验 工艺改进 3 ． 1 工艺改进 因多次反复爆破拉井引起凿岩道垮塌 ， 决定改 进施工工艺顺序 ， 见图 3 。 图 3改进后的施工工艺 按照图3改进的工艺顺序施工 3 6 试验采场 ， 待 底部出矿巷道施工完后 ， 施工切割井和上 向扇形炮 孔 ， 在 8 2 9 r n 按照施工 3 4 试验采场拉井方式施工切 割天井 ， 分 4～5次爆破成井 ， 然后按照 3 4 试验采场 凿岩道施工方式施工并支护 ， 凿 岩道施工完后 ， 8 6 5 m爆破拉底约 1 5 1 3 1 高再施工下向斜孔 ， 确保钻机施 工的深孔不会堵塞 ， 同时 ， 不会因为拉井引起巷道的 垮塌 ， 确保施工质量。 3 ． 2 改进爆破孔网参数 根据 3 2 、 3 4 试验采场的经验 ， 调整孔 网参数。 切割井前期独立施工 ， 选择切割井断面 2 m X2 m， 切割井孔 网参数减小为 0 ． 6～ 0 ． 8 m X 1 m， 每次 装药时， 从孔口起留1 m空间再安装水泥塞子， 底部 堵塞 0 ． 5 m后装药 0 ． 6 1 13 ． ， 上部堵塞 1 ． 5 m， 分若干 次爆破成井 ； 侧崩孔网参数调整为 2 ． 5 m 3 m， 孔 底留 2 m空间安装水泥塞子 ， 底部堵塞 3 m， 分段装 药直至距孔 口3 m位置． 孔 口以下 3 m堵塞 ， 分 1 2次将采场爆破完成。图4为 3 6 试验采场剖面。 l { fi 5／『1 、 ／ ／ f I ／／ ＼ J ff 8 2 9 m 凿 ／ ∥ 1 y 、 下向深 f J 、 拂 、 上 向 扇 形 ＼ 上 向 扇 形 J 柏8 2 9 8 6 5 m a 切割井施工 b 凿岩道深孔布置结构 图 4 3 6 采场 3 ． 3 上盘围岩冒落控制 利用崩落矿石支撑上盘围岩， 阻止上盘围岩垮 落 J 。首先在底部上向崩落拉底时不出矿； 在拉井 时仅出少量矿石 ， 够爆破补偿空间即可； 然后崩落矿 石时， 放出一部分矿石作 为爆破补偿空 间， 如此循 环， 直至将矿石崩落完全。矿石崩落完后， 抢出完矿 石 ， 立 即充填采空区。 3 ． 4 3 6 采场试验效果 改进后 的 3 6 试验采场斜孑 L 施工成孔率大 幅提 升 ， 切割井施工效果较好 ， 施工顺序大大减轻了对矿 体以及 围岩的破坏 ， 孑 L 网参数得到了优化 ， 炸药单耗 比先前试验采场降低了6 ％左右， 矿石大块率控制 在 5 ％左右 ， 矿石贫化率也控制在 3 0 ％ 以下 ， 矿石 回 收各项指标较好 。 4 结论与展望 1 本次深 部嗣后 法试验较为成功 ， 为赞 比亚 中色非洲矿业公 司后续发展提供 了有力 的技术保 证 。 2 不 同岩石和地质条件下 ， 同一种采矿方法 的施工工艺和顺序差异很大。设备的匹配对采场参 数选择依赖程度很高， 选择采矿方法之前 ， 必须考虑 设备选型与采矿效率 的关系。 3 切割井施工应 降低装药 面高度 ， 适 当多次 爆破， 减小岩石夹制力， 防止爆破反冲深孔堵塞； 岩 石 性质可爆性较好， 采场侧崩孔网 下转第6 6 页 5 9 总第 5 2 8期 现代矿业 2 0 1 3年 4月第4期 1 6 ． 8～1 9 ． 2 ， 属特别坚硬岩石。 分析认为爆破效果差的主要原因有 ①在特别 坚硬岩石条件下， 爆破单耗偏小； ②实际装药密度偏 低 ， 因为垂直装药的重力作用 ， 药卷下坠造成间隙过 大 ， 传爆效果差 ； ③炮孔质量不高 ， 部分孔底距偏大 ； ④切割槽爆破段 的纵向深度和爆破宽度之 比 厚宽 比 偏高 ， 切割槽夹制力过大。 2 ． 2 改进措施 1 减少炮孔 的排距 和孔距 ， 加 大一次爆破单 位炸药消耗量。 2 在排间插入加强孔。在调整炮孔参数的基 础上 ， 针对切割槽后部夹制 比较大的情况， 除正常排 之外 ， 再施工 1 ～ 2排炮孔 ， 或者在最后 两排孔问增 加炮孔数量 ， 也可以用潜孔钻机施工较大直径的炮 孑 L ， 在爆破时能够加强装药量， 以克服其夹制作用。 3 扩大切割槽 的宽度， 减少爆破纵深和宽度 的比率 ， 以减少切割槽的夹制力。均匀分配每次爆 破的崩落长度 ， 在正式爆破前 ， 以切割盲井为 中心适 当先行爆破 1～ 2排炮孑 L ， 以调整后续爆破时的崩落 长度。 4 改变炸药品种和装药方式。将粉状乳化炸 药改为多孔粒状铵油炸药， 以机械装药替代人工装 药 ， 由不耦合装药改为耦合装药 ， 提高炸药的装药密 度 。 5 采用预切顶技术措施 ， 消除最上一分段上 向炮孔爆破时顶板和侧帮夹制力的影响。在切割槽 顶板下檐沿槽体方 向切开顶巷道 ， 在切顶巷道两侧 布置切顶炮眼， 再切割槽落矿爆破切顶炮孔 ， 形成切 顶空间， 切顶只要超前于切割工作面 1～ 2排落矿炮 孔 即可。 3 爆破方案与参数选择 为了改善爆破效果 ， 在相邻采场上下分段的垂 直中深孔拉槽 中， 先后进行 了不同参数 的试验 ， 具体 结果见表 3 。 表3 切割槽垂直中深孔试验参数 综合考虑 ， 选取方案Ⅲ， 爆破技术指标 q 0 ． 6 6 k g ／ t ； 0． 8 m ； 口0． 8～0． 9 m ． 4 结语 在特别坚硬的岩石 中， 炮孔凿岩参数和一般坚 硬岩石有很大的不 同， 虽然被迫提高凿岩和爆破成 本 ， 投入更多的人力物力 ， 但为了确保爆破成功还是 值得的。 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 3 1 3 上接第 5 9页 参数增大后， 爆破效果明显改善， 炸 药单耗也明显降低。 4 方案改进后 ， 底部采用上 向孔崩落形成拉 底空间然后嗣后崩落采场， 比直接嗣后崩落效果好。 新的拉井施工顺序， 洗孔率明显降低 ， 极大地提高了 生产效率。 5 利用崩落矿石支撑上盘围岩， 阻止上盘围 岩垮落， 效果极好， 降低了矿石贫化率， 也为相邻采 场安全提供了保证。 6 本次试验虽然解决了深部采矿的部分技术 难点， 但尚存在 上盘垮落降低矿石贫化率， 可以考 虑将底部上向切割井布置在下盘等， 需要在今后的 生产中累积 ， 不断进行更新试验改进 ， 以达到更好的 采矿技术指标。 参考文献 [ 1 ] 傅鹤林． 采场稳 定性研 究及采 场结构尺寸优化 [ J ] ． 化工矿物 与加工 ， 2 0 0 2 3 3 3 - 3 5 [ 2 ] 张世雄． 固体矿 物资源开发 工程 [ M] ． 武 汉 武汉理 工大学 出 版 社 ． 2 0 05 ． [ 3 ] 采矿手册编委会． 采矿手册 第四卷 [ M] ． 北京 台金工业 出版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] S o n g X i a o t i a n ．S t a b i l i t y A n a l y s i s An d P a r a me t e r o p t i m i z a t i o n O f V C R S t o p e s [ J ] ．Y u S e C h i n S h u ／ N o n f e r r o u s M e t a l s ，3 7 2 ， 1 9 8 5 1 ． 7 ． [ 5 ] P a r i s e a u W G， P o a d M， C o r p E L， S c h m u c k C H．R o c k Me c h a n i c s O f A D e e p V C R S t o p e A t T h e Ho me S m k e Mi n e [ M] ．S o c o f Mi n i n g E n g i n e e r s o f AI ME，1 9 8 6 5 6- 7 0． [ 6 ] 李刚， 层状结构 顸板破 坏机 理及 其规律研 究[ D] ． 阜新 辽 宁工程技术大学， 2 0 0 5 ． 收稿 日期 2 0 1 3 -02 -01