观天厂铜矿倾斜薄矿体开采工艺研究

林 友 尤本勇 董继德 夏建波 文义明

(1.昆明冶金高等专科学校矿业学院，云南 昆明 650033；2.昆明赛特拉矿山工程设计有限公司，云南 昆明 650011；3.保山市民生安全评价有限公司，云南 保山 678000)

壁式崩落法主要用于开采顶板不稳固的缓倾斜薄矿体。采幅高度一般等于矿体厚度，但很少超过3 m[1]。经过多年的实践应用，该法在对缓倾斜薄矿体的开采过程中有了很大的技术创新，使这种方法不断得到改进，如沿矿体走向推进的直线长壁式单层崩落法、沿矿体走向推进的阶梯长壁式单层崩落法、沿矿体倾斜上向推进的长壁式单层崩落法、沿矿体倾斜下向推进的短壁式崩落法、人工顶柱无底柱长壁式崩落法、人工底柱长壁式崩落法等，这些方法主要从采场顶板管理、降低生产成本、提高生产能力及作业面安全等方面进行考虑[2]。

观天厂铜矿KTⅠ号矿体属倾斜薄矿体，矿山自2012年开采以来一直采用倾斜下向推进短壁式崩落法开采。近年来，随着矿石价位持续走低，矿山处于亏损状态，原采矿方案存在作业劳动强度高、采矿效率低、生产能力低以及安全性差等一系列急待解决的问题。受企业委托，对其采矿方法进行了改造设计，采用了伪倾斜面布置采场的优化方案，即将原来的沿矿体倾斜下向耙矿改为伪倾斜耙矿方案，以此来降低电耙耙矿的倾角，确保安全出矿，同时亦提高了采矿工效等。此方案在该矿进行试验并取得了成功，为采场顶板不稳固的倾斜薄矿体高效安全回采提供了一个有效途径。

1 开采条件

观天厂铜矿KTⅠ号矿体赋存于落雪组中下部白云岩中，产状与围岩近一致，倾向0°～30°，倾角29°～33°，平均30°，呈透镜状岩层产出，一般长几十米至200 m，最长530 m，倾斜延深145 m，厚2.3～3.0 m，平均2.7 m，品位0.5%～2.0%，矿体地表无建筑及生活区等设施，允许崩落。矿石矿物主要有孔雀石、蓝铜矿和黑铜矿。脉石矿物有白云石、石英、方解石、绢云母和铁质等。

矿区地势相对较高，地处区域分水岭附近，区内无常年性地表水体和地下水泉点分布。各含水层主要在其露头区接受大气降水补给，属地下水补给、径流区部位，地下水埋藏较深，主要充水含水层地下水位低于开采标高。设计开采的矿体位于地下水位之上。但矿体围岩为白云岩及白云岩强风化后形成的岩石风化壳，透水性强～中等，由于该地层裸露地表，部分矿层紧邻断裂(F2、F3)，因此，大气降雨易渗入地下，可能对矿山地下开采造成不利影响。矿区水文地质条件属简单类型。

矿区地表广泛分布的岩石风化壳厚度较大、强度低，矿山采矿主要在岩石风化壳中进行，通过现场观测，巷道围岩稳定性差、属破碎岩体，易出现冒顶现象，需采用混凝土支护进行处理。地下采矿巷道等遭受片帮、垮塌可能性大。采场顶板的允许暴露面积小。严重威胁矿业活动的正常进行，对当地林地资源破坏较大，矿区工程地质条件复杂。

2 原采矿方案及主要问题

矿体围岩主要为白云岩及白云岩强风化后形成的岩石风化壳，稳定性极差。矿山采用沿矿体倾斜下向推进的短壁式崩落法回采已有5 a多，见图1所示。矿块沿矿体走向布置，长24 m，顶底柱高均为5 m，开采工作线沿矿体倾斜下向推进，先沿矿房两侧分别掘2 m宽通风上山，自矿房中部掘电耙上山及电耙硐室，矿房顶部掘超前切割横巷，再以电耙上山为作业空间，分别向两侧矿体凿平行浅孔进行爆破，每次崩矿长度以3～4 m为宜，炮孔与上山中心线呈60°夹角，利用爆力将大量矿石抛向上山内，再利用电耙将矿石顺上山耙至采场底部运输巷道。左右远端矿体回采时，由于距离电耙上山较远，采下矿石需进行人工运搬或电耙转运至上山内再进行接力耙运。

多年开采证明该方法存在的主要问题有：未抛入上山的残留矿石量较多，约占60%，人工清理难度大，工人劳动强度大，需进行接力耙运，出矿效率极低，采场生产能力低；矿体倾角超过29°，电耙顺矿体倾角耙矿，矿石滚动会对下方人员及设施构成威胁，安全性极差；需布置的上山多，采切工程量较大，采矿成本高，且工效低；由于采场左侧上山被崩落顶板围岩填堵，其回采时通风效果较差；崩落的顶板围岩顺矿体倾角向下因其自重及爆破震动等原因易形成滑动体，故为了确保安全，用于临时支撑的木支柱需更加密集，木材消耗量有所增加。

图1 原采矿方案Fig.1 Original mining scheme

3 采矿方案改进

3.1 改进要点

近年来，由于矿业经济持续走低，铜金属价格一直在低位徘徊，企业经济效益较差[3]。为了避免原采矿方案存在的问题，更加经济合理地利用铜矿资源，本次研究改进方案设计采用了沿伪倾斜面布置采场的长壁式崩落采矿方案，如图2所示。

与原沿矿体倾斜下向推进的短壁式崩落法对比，具体做了以下3方面改进：

(1)采用伪倾斜面布置采场，避免崩落的围岩形成易滑动体，减少了部分坑木耗材用量，将电耙耙矿倾角降低至25°左右，确保安全出矿。伪倾斜面与矿体走向夹角γ的确定方法如下：本次设计沿用原运输巷道脉内靠下盘的布置形式，中段高度25 m。在AutoCAD软件中以耙矿倾角β=25°，中段高H=25 m绘制直角三角形BED，采场立体示意图见图3。通过计算或量测得到采场有效长度L=59.2 m。当矿体倾角α为30°时，由于

故

同理可计算，当矿体倾角分别为33°和29°时，γ分别为51°和61°，即在生产中应视矿体倾角来控制伪倾斜面与矿体走向夹角的范围在51°～61°内。

图2 改进采矿方案Fig.2 Improved mining scheme

图3 采场立体示意Fig.3 Stereoscopic drawing of stope α—矿体倾角；β—耙矿倾角；γ—伪倾斜面与矿体走向夹角

(2)采场长度增大，采准工作量减小，回采工作面采取阶梯式布置，使凿岩、支护、运搬3个工序同时作业，互不干扰，故采场生产能力大幅提高。

(3)回采矿石绝大部分可抛掷到作业面附近形成集中爆堆，便于出矿，可直接采用电耙进行运搬，人工清理工作量减少，劳动强度降低，工效提高，进而使采矿成本降低[3]；同时，将上中段电耙硐室与矿房于顶柱内掘通后作为回风联络道，兼作采场第2个安全出口，上下中段的电耙硐室伪倾斜交错布置，这样便于形成采场贯穿风流通风[4]。

3.2 矿块布置及构成要素

设计沿用原运输巷道脉内靠下盘的布置形式，矿块沿矿体走向伪倾斜面布置，伪倾斜面与矿体走向夹角控制在51°～61°范围内，采场沿走向长48 m，工作面斜长46～52 m，顶底柱斜长均为5 m，采场高度为矿体垂直厚度。取悬顶距6.0 m、放顶距4 m、控顶距2.0 m，以确保长壁工作面安全推进。采用伪倾斜上向阶梯式回采，这样可多工序同时作业，提高采矿工效和出矿能力；每次崩矿时应在立柱一侧架设木板以防止矿石与采空区崩塌的废石相混，以降低矿石贫化率。

3.3 采准切割

沿中段运输平巷一侧间隔6 m掘电耙硐室至采场拉底层，上下中段的电耙硐室伪倾斜交错布置，上中段电耙硐室与矿房于顶柱内掘通。在采场内沿矿体伪倾斜面向上掘切割上山并与上中段运输平巷贯通，在矿房底部沿矿体走向掘切割平巷，回采时从切割平巷开始沿切割上山由下往上分梯段进行。

3.4 矿块回采

(1)凿岩爆破。采用YT-28型凿岩机打眼，孔深3.0～3.2 m，在布置炮眼时，应注意不要破坏顶板和崩倒支柱，同时需有利于安全生产、爆堆集中、减少矿石贫化及损失和便于电耙出矿。

(2)采场通风。新鲜风流从中段运输平巷经上山、切割平巷到达回采工作面，清洗工作面后的污风经采场上部电耙硐室回风联络道进入回风平巷后排出地表。采场通风主要利用矿井的主风压进行机械通风，在爆破后或需要加强通风时采用JK55-2NO4局扇通风[2]。

(3)出矿。每循环崩落的矿石采用2DPJ-15型耙矿绞车沿伪倾斜面耙运至中段运输巷道内0.7 m3的矿车中[2]，用人力推运至坑外。矿体爆破前应在立柱旁安设木板与采空区崩落围岩隔开，以降低矿石损失和贫化。

3.5 地压管理

由于采场顶板围岩稳固性较差，回采后需用木支柱进行支护，随着长壁工作面的推进，采场顶板跨距增大，地压也会逐渐增大。当推进到一定距离时要进行放顶，以释放采场应力减轻地压。撤柱放顶按照悬顶距6.0 m、放顶距4.0 m、控顶距2.0 m(即“采三放二留一”)的原则进行，以确保工作面的安全。放顶时应加密切顶支柱。采场内的木支柱可以用回柱绞车进行回收，回收时采用由下往上的顺序进行，个别地方因地压太大和安全情况差时也可以不回收，用爆破的方法炸断立柱进行放顶。撤柱后如因顶板不能冒落时可以在控顶空间支凿岩机，向切顶立柱外侧打少量的炮孔装药用爆破进行强制崩落放顶。当矿山条件较好时也可以用杆柱配合立柱进行护顶，以减少木材的消耗[5]。采场回采完毕后，应封闭通向采场的各种通道，在地表设置采空区移动范围警戒线标志。

4 综合指标对比

针对观天厂铜矿倾斜薄矿体开采时存在的问题，设计采用了伪倾斜面布置采场的优化开采方案，并在该矿进行了改进方案实践后，证明此工艺在技术上可行，经济效益有所改善。改进的采矿方案与原采矿方案综合技术经济指标对比如表1所示。

表1 综合技术经济指标对比Table 1 Comparison of comprehensive technical and economic indexes

通过与原方案比较，设计方案具有以下优点：

(1)千吨采切比有所降低，新设计的采准布置方案采场走向长度增大，矿量大大增加，且较原方案减少了1条采准上山，故采切比降低了5.4 m/kt。

(2)采矿效率有了明显的提高，采矿直接成本亦明显降低。新设计方案与原方案对比，凿岩、支护、运搬3个工序可同时进行，其工时利用效率更高，有效作业时间得到提升，且减少了电耙接力耙运及大量的人工抛矿工作，每个采场只需8个工人生产，出矿能力可达108 t/d以上。采矿成本由原来的62.3 元/t降低至48.2 元/t，在矿山推广运用后，经济效益明显有所好转。

(3)爆破后通风时间明显缩短，新的采准布置方案形成贯穿风流通风，其通风线路更为流畅，通风时间由原来的27 min减至13 min，同时还避免了原方案采场左侧矿体回采时风流紊乱的问题。

(4)确保了采场出矿的安全[2]。通过伪倾斜面布置采场上山，根据矿体倾角计算，其与矿体走向夹角应控制在51°～61°范围内，以确保伪倾斜耙矿倾角小于25°，避免耙矿时矿石滚动对下方人员及设施构成威胁，采场出矿、作业人员及设施的安全性得到了保障。

5 结 语

采用了沿伪倾斜面布置采场的长壁式崩落采矿方案开采观天厂铜矿的倾斜薄矿体，较好地解决了矿山原采矿方案回采时出现的通风效果差、采切比较大、出矿安全性差、木材消耗大、采矿工效低及成本高等问题，使企业经济效益有所好转。此外，还介绍了该方案采场伪倾斜面与矿体走向夹角的确定方法以供参考。该方案在观天厂铜矿的成功应用，表明其对倾斜薄矿体的高效安全回采具有较好的推广价值及应用前景。

[1] 采矿手册编辑委员会．采矿手册[M]．4卷.北京：冶金工业出版社，2005．

Editorial Committee of Mining Manual．Mining Manual[M].Vol 4.Beijing：Metallurgical Industry Press，2005．

[2] 林 友，王连森，况世华，等．蚂蚁锌矿伪倾斜削壁充填法优化[J]．矿业研究与开发，2013，33(2)：1-4．

Lin You,Wang Liansen,Kuang Shihua,et al.Optimization of pseudo inclined waste-lifting stoping Mayi Zinc Mine[J]．Mining Research and Development,2013，33(2)：1-4．

[3] 夏建波，叶加冕，林 友．王家寨铜矿缓倾斜极薄矿体开采研究[J]．矿业研究与开发，2016，36(1)：15-18．

Xia Jianbo,Ye Jiamian,Lin You.Research on mining gently-inclined and extremely-thin orebody in Wangjiazhai Copper Mine[J]．Mining Research and Development,2016，36(1)：15-18．

[4] 林 友，叶加冕，王育军，等.某铁矿留矿与阶段空场联合采矿法应用[J]．昆明冶金高等专科学校学报，2013，29(3)：6-10．

Lin You，Ye Jiamian，Wang Yujun，et al.Application of shrinkage & block stoping method in a iron mine[J]．Journal of Kunming Metallurgy College，2013，29(3)：6-10．

[5] 采矿设计手册编辑部.采矿设计手册：矿床开采卷[M].北京：中国建筑工业出版社，1987.

Editorial Office of Mining Design Manual.Handbook of Mining Design ：Mining Part[M].Beijing：China Building Industry Press，1987.