近水平極薄礦體采礦工藝研究

焦國芮，陳才賢，楊福斗，溫世平，李 恒，袁聰林

(1.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；2.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.文山麻栗坡紫金鎢業集團有限公司，云南 文山 663000)

緩傾斜極薄礦床開采歷來是國內外采礦界的重大技術難題之一，該類礦床在我國分布尤為廣泛。緩傾斜薄礦脈由于礦體薄、傾角緩、作業空間有限，難以使用大型機械化設備，導致生產效率低、貧化損失大、生產成本高[1-4]。礦體傾角越小，開采難度系數越大。因此，近水平礦體開采技術的攻關對緩傾斜極薄礦床的開采有著重要意義。近水平極薄礦體的開采技術條件受到地質條件的影響，發展較為緩慢。就目前來看，用于近水平極薄礦體的基本方法仍然是長壁釆礦法、房柱法和全面法。長壁式采礦法[5]具有采切量小、回采工藝簡單以及機械化程度高等優點，適用于礦巖強度低的礦山。房柱法和全面法[6]用于傾角15°以下的極薄礦體時，可以釆用無軌設備或輪胎式設備來提高作業的生產能力。該方法存在的主要問題是礦石損失較大、礦石回采率較低、資源利用程度低，有時需要錨桿支護，工序復雜，安全性較差。

針對近水平極薄礦床開采的技術難點，國內外學者對此做了大量的研究工作，進行技術攻關。宋衛東等[7-8]基于結構力學理論提出了采用長壁式采礦法回采緩傾斜極薄鐵礦，采用相似模擬實驗，得出長壁法開采緩傾斜極薄類鐵礦體圍巖移動變化規律與破壞機理；郭燕忠[9]針對緩傾斜極薄礦體的2種可行的采礦方法(中深孔全面采礦法和削壁充填法)進行對比分析研究；丁明飛等[10]和翟會超等[11]針對壁式削壁充填法開采在開采緩傾斜極薄礦脈中的優化應用進行了優化研究。

1 礦體開采地質條件

薄礦體在南溫河鎢礦的分布范圍較廣，薄礦體礦量占到全礦儲量的30%，礦床整體品位較高且變化均勻。由于礦體產出于矽卡巖中，嚴格受層位控制，礦體頂板圍巖為二云母片巖，穩定性較差，尤其是暴露風化后易垮落。受此安全因素影響，曾采用電耙運搬集礦巷直接裝車全面法進行回采，由于采礦作業空間有限、勞動強度大、生產效率低、貧化率大等原因，難以進行大規?；夭?。

薄礦脈采場區域(圖1)位于礦區21線至27線3沿以西，試驗采場的采深在290～360 m，礦體傾角4°左右，屬緩傾斜礦體但接近水平；礦體沿走向長約470 m，厚度0.5～1.0 m不等，平均厚度0.8 m，屬極薄礦脈；礦石品位較高且分布較均勻，平均品位0.7 %，具有極高的開采價值。

圖1 極薄礦脈采場區域Fig.1 Stope area of extra-thin orebody

2 采礦方法

2.1 試驗采場確定

擬選取東西跨度5～9沿、南北25+1～27線區域內的礦體作為試驗采場。經現場實際調研，礦體品位分布較高，約0.7%以上，真實厚度約為0.8 m，礦體厚度變化相對均勻。

2.2 采切工程

施工沿礦體傾向的切割上山，礦房尺寸為6～8 m，礦房與礦房之間留設0.5～1.0 m條柱。于礦塊中間施工上底3.0 m、下底2.0 m、高2.0 m的“倒梯形”巷道作為落礦的受礦巷。

2.3 鑿巖爆破

受礦槽、運輸巷及回風巷鑿巖采用YT-28氣腿式鑿巖機進行鑿巖。以受礦槽兩幫為自由面，在受礦槽中向兩翼礦體鉆鑿與上山中線呈40°～50°夾角且彼此平行的炮孔，炮孔排列成“之”字形。一方面提高鑿巖效率，另一方面可提高礦方機械設備的利用率。

爆破采用直徑32 mm、質量300 g的1號巖石乳化炸藥，分段起爆進行定向拋擲爆破，回采礦石絕大部分可拋擲到出礦巷中，形成集中爆堆，利用爆破出礦的方式減少清理工作量。由于礦體厚度較小，炮孔布置采用“2-1-2”的之字形式布置炮孔，邊孔的孔口距離礦巖邊界0.1 m，孔底落于礦巖接觸面，炮孔深度3.0～4.0 m，采用導爆管起爆，電雷管引爆。1號巖石乳化炸藥的性能指標見表1。

2.4 受礦槽掘進方式優化

受礦槽設計形狀為“倒梯形”，尺寸為上底3.0 m、下底2.0 m、高2.0 m，凈斷面為5.0 m2。對掘進成本進行了充分考慮，對受礦槽一次性成巷和分次成巷進行了對比分析。切割巷長度以30 m計算，成本節約2萬元，因此試驗采場受礦槽采用分次掘進的方式，分次掘進示意圖見圖2。

表1 1號巖石乳化炸藥性能指標

圖2 受礦槽“先掘后采”示意圖Fig.2 Schematic diagram of "digging first and then mining" of the receiving trough

2.5 頂板支護

出礦巷道是保障薄礦體安全回采的前提。試驗采場埋藏360 m，地壓顯現劇烈，頂板為片巖，層理性極為發育。為限制進路兩幫整體移動和變形，施以樹脂錨桿+穿帶支護形成聯合支護形式。樹脂錨桿可以提供較大的約束力，有效限制進路頂板的變形；鋼筋條帶可增加進路的整體性，有效控制桿間巖體移動，擴大了錨桿的支護范圍，與錨桿群結合可以抑制松動圈的擴大，提高進路巷道的整體約束力。穿帶與錨桿配合支護如圖3所示。

圖3 錨桿與穿帶配合支護示意圖Fig.3 Schematic diagram of combined support of anchor rod and belt

2.6 采空區處理

由于試驗采場礦體較薄，僅為0.8 m左右。采場回采結束后可采用回填廢石或封閉方式。按照礦石松散系數理論，即使不作充填處理亦不會對相鄰采場造成影響，更不會有冒落至地表的風險。

3 技術經濟指標

貧化是薄礦體開采面臨的最大技術難題。目前，試驗采場正在開采中，從回采結束的一個盤區來看，采空區平均高度可控制為0.8 m。通過采用LS/DYNA爆破動力學軟件，結合礦巖物理力學參數、1號巖石乳化炸藥參數、炮孔布置參數等進行數值模擬，優化炮孔參數、裝藥參數以及導爆管段數，通過微差起爆方式，很好的控制了礦巖邊界，基本達到“只采礦石，不采廢石”的效果，實現降低貧化。開采后采場現場實際情況見圖4。

圖4 爆破后現場圖Fig.4 Actual situation at the scene after blasting

薄礦體礦石損失的來源主要由采礦方法決定，條柱或點柱遺留會造成部分礦石損失。借助數值模擬等手段，采用FLAC3D軟件對遺留條柱的尺寸進行計算。經計算采用0.5 m寬的間柱就可以很好的實現對頂板的支撐，實現降低礦石損失的目的。

試驗采場經濟效益計算公式如下：

Q=W×GK×RX×RC÷GJ×P

式中：W—礦石量，t；Q—礦石實際經濟價值，萬元；GK—試驗采場礦石平均品位，%；RX—選礦回收率，%；RC—采礦回收率，%；GJ—鎢精粉品位，%；P—鎢精粉單價，萬元。

試驗采場礦石回收率90%、礦石貧化率為6%，經計算實際礦石經濟價值為503萬元，扣除成本232萬元，利潤指標為271萬元。

4 結論

采用雙側側向爆破拋擲全面采礦法開采近水平極薄礦體，在技術上有了很大的突破，經濟上取得了較好的效果。

1)經計算由于采場高度較小，留0.5 m 條柱可以很好地支撐頂板，可滿足回采作業安全的需要，有效控制了采場地壓，防止了采空區頂板下沉。

2)由于近水平極薄礦脈崩落的礦石采用拋擲爆破技術相較于采用電耙出礦，很大程度上提高了勞動效率，節約了成本。

3)優化后的雙側側向爆破拋擲全面采礦法，成功解決了賦存條件復雜的近水平極薄礦體的回采難題，實現了高效回采的目的，取得了顯著的經濟效益和社會效益。該采礦方法值得同類型礦山借鑒。