铜绿山矿采矿方法优化研究及应用

戴宏辉

(大冶有色金属集团控股有限公司， 湖北 大冶市 435101)

0 引言

铜绿山矿是大冶有色金属集团控股有限公司的三大主力矿山之一，也是建国以来就开始开采的老矿山之一，当前产能为132万t/a。随着近地表的矿体逐渐开采殆尽，已逐步向深部的Ⅵ矿体、Ⅻ矿体开采[1-3]。

由国内其他矿山的开采经验与铜绿山矿的实际表明，随开采深部的逐渐增加，地应力逐渐升高，矿岩的稳定性逐渐下降，特别是矿体的自立性变差最为明显，这就导致浅部采用的 VCR法、分段凿岩阶段空场嗣后充填法等使用时，造成贫化损失率偏大，甚至造成二步骤采场无法回采。在此条件下，仅能采用盘区机械化上向分层进行矿体的回采工作，但受采矿方法、设备水平、操作水平等因素的制约，导致人员须暴露在顶板下进行作业，安全风险较大，且产能较小，无法满足矿山实际的开采需求[4-5]。

为了解决深部矿体开采过程中采矿方面遇到的技术及安全难题，提出高分层空场嗣后充填开采工艺，其不仅能解决矿体自立性差的问题，也能解决采用上向水平分层充填采矿法时的安全问题。

1 矿山概况

1.1 矿山开采现状

铜绿山矿进入地下开采以来，最深已开采至-605 m水平，已开拓至-800 m左右，整体回采深度已达到900 m左右，已形成10多个中段，采用竖井开拓，中段运输，由箕斗井提升矿石。

采矿方法有盘区机械化上向水平分层充填法、分段凿岩阶段空场嗣后充填法、VCR法、上向进路充填法等，这其中盘区机械化上向水平分层充填法占比最高，达到70%左右，其他几种方法占比较低，采场生产能力平均可达到100 t/d，贫化损失率均在20%左右。

1.2 矿山开采技术条件

目前主要开采的矿体为Ⅲ、Ⅳ与Ⅴ矿体，平均厚度为30 m，倾角为60°～70°，走向长度为1000 m，矿体呈条带状，上盘围岩为含矽卡岩的大理岩，下盘围岩为长斑花岗岩，均属较为稳固的岩体，相比较起来，下盘围岩稳定性要优于上盘围岩。矿体矽卡岩化较为明显，整体稳定性较好，经现场调查发现，上盘围岩及矿体内部发育大量的潜在结构面，受爆破振动等扰动时，易产生离层、脱落现象。

2 现有采矿方法存在的问题

2.1 采矿方法

目前，铜绿山矿采用的采矿工艺主要有：VCR法、分段凿岩阶段矿房法、盘区机械化上向水平分层充填法和上向进路充填法等。

2.2 存在的问题

随着开采逐渐向深部迈进，受矿床开采条件、地压条件、设备条件、充填质量等的影响，目前采用的采矿方法存在的问题有：

（1）矿体角度偏缓，分枝复合现象明显，采用VCR法易导致贫化损失率大；

（2）采用分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法，易因无法控制矿柱采场的矿石垮落，造成大量的矿体损失贫化；

（3）配套的机械设备较少，采用上向水平分层充填采矿法时，在进行敲帮问顶时，易发生安全事故；

（4）受生产压力的影响，整个矿区的回采节奏较快，各个采场的通风措施井无法快速到位；

（5）由于充填体质量无法保证，在采用两步骤空场嗣后充填法回采矿柱时，贫化损失率大，矿石回采率无法保证；

（6）受矿岩条件影响，采用普通法施工切割天井较为困难，效率低下。

3 高分层空场嗣后充填采矿法

根据对铜绿山矿的采矿方法的论述及其存在的问题，结合矿体开采技术条件，通过大量的摸索及现场实践，提出了高分层空场嗣后充填采矿法（见图1）。该方法是将分段凿岩分段空场嗣后充填采矿法与上向水平分层充填采矿法进行综合，取二者各自的优点，即在原有的分段空场基础上，运用分层充填的回采方式进行回采，通过降低分段高度及提高机械化水平，可以减少矿体自立性变差及人员长时间暴露在直接顶板下作业的安全隐患。

图1 高分层空场嗣后充填采矿法

3.1 采场结构参数

根据矿体厚度设置矿房走向，当矿体厚度小于15 m时，矿房沿矿体走向布置，当矿体厚度大于15 m时，矿房垂直矿体走向布置。因此，矿体垂直走向布置，矿房宽度为6 m～8 m，采用两步骤方法进行回采，矿房高为阶段高60 m，预留8 m底柱，分段高度为10 m～15 m，不留顶柱和间柱。

3.2 采准切割

采用斜坡道开拓，斜坡道布置在矿体下盘，连接上下中段。

斜坡道送至分段高度时，施工分段联络道，后由其沿脉施工分段巷，再由分段巷沿矿房中线垂直矿体掘进3.0 m×3.0 m凿岩巷，后由其向两侧扩帮至矿体边界，形成底部拉底空间。最后在矿体靠上盘施工Φ1.5 m切割天井，切割天井兼做采场的通风充填井。

3.3 回采工艺

（1）凿岩爆破。采用BoomerK41X、YG90等凿岩设备，上向平行施工钻孔，孔径为64 mm～76 mm，孔深为分段全高，炮孔间距为1.0 m～1.2 m，炮孔排距为 1.2 m，同时，为了避免爆破影响两帮的矿体或者充填体，在靠近边帮施工预裂孔时，沿矿房边界孔间距为0.5 m～0.8 m，孔径为64 mm。

爆破采用粉状乳化炸药，采用BQF100装药器进行人工装药，起爆药包采用药卷+非电导爆雷管加工而成，采用孔底起爆，整个采场分 2～3次爆破。起爆顺序为预裂孔先爆，后再进行采场内崩落矿石。

（2）出矿。矿体崩落后，采用EST-31/1型电动铲运机进行出矿。

（3）采场充填。采场出完矿后，对下部的垂直矿体的凿岩联络巷进行封堵，后即进行采场充填。充填挡墙采用废石、装袋尾砂进行构筑，采场充填采用全尾砂胶结充填，充填比例为1:6～1:8。

（4）采场通风。采场通风划分为两个阶段。一是在进行凿岩联络巷施工时，每个采场需要设置独立压入式风机进行强制通风，出风口距掌子面的距离应不大于5 m；二是切割天井施工完成后，风流由该分段联络巷进入采场，洗刷工作面后，经采场切割天井，回至上分段联络道，后经斜坡道回至上中段回风道。

3.4 顶板围岩处理

在采用该方法进行矿体回采时，采场顶板围岩的处理是极为关键的，根据相关现场经验及顶板围岩的节理裂隙发育程度，确定处理方法。

当围岩较为破碎时，需对整个顶板或者部分破碎处，进行锚网支护，锚杆采用2.0 m～2.5 m的灌缝式锚杆，钢网采用Φ3 mm～5 mm的焊接网。

当围岩较为稳定时，需要进行详细的敲帮问顶，无需进行其他的支护工作。

3.5 关键工艺及技术

运用该采矿方法进行回采时，为了达到理想的技术经济指标，关键环节需采用特殊的工艺及技术进行施工。

（1）一次爆破成井。为了解决切割井采用普通法施工时，存在的安全隐患大等问题，需采用深孔一次爆破成井技术，以保证施工安全，提高成井效率。一次爆破成井炮孔布置见图2。

图2 一次爆破成井炮孔布置

该深孔一次爆破成井，通过沿切割天井的中线间隔布置空孔和掏槽孔，混合不同孔径的钻孔，同时，间隔装药，针对不同的岩性条件，装入不同的药量及空孔布置形式，实现一次爆破成井，从现场实践来看，效果较好，成功率较高，单次成井速率大幅提升，成井成本较原先的普通法降低了近一半[6]。

（2）遥控机械化装岩。采场回采后，悬顶高度较高，采用简单的铲运机运矿时，极易造成极大的安全隐患。因此，需对现有的铲运机进行遥控改造，即形成遥控铲运机，采用遥控铲运机进行出矿。

（3）严控一步骤充填体质量。一步骤充填体质量直接影响着矿柱采场回采时贫化损失率高、出矿效率低等问题。经与同类型矿山的比较分析，最终确定一步骤的充填体强度需达到2.5 MPa，才可保证其自立性，从而不影响二步骤回采的贫化损失指标，进而保证整体贫化损失指标经济合理。

（4）高悬顶围岩支护。高悬顶是该方法最值得注意的，其直接关系到上部分段的回采结构。在实际运用中，采用比较多的方式为在进行本分段开采时，即将上分段的底部拉底工程拉开，并对拉底工程的顶板进行锚网支护，锚杆采用管缝式锚杆，网片采用高分子材料的塑料网，避免分段回采时，将网片崩坏。

4 结论

通过方法的优化研究，合理布置工程，将两种采矿方法结合，保留各自方法的优势，实现高效回采的同时，又降低了开采的安全风险，且在一定程度上降低了整个的回采成本。

现今采用高分层空场嗣后充填采矿法的采场已占整体的30%左右，在保证整个矿山的开采效率同时，降低了整体的开采风险，并且降低了整个矿山的开采成本，相较于之前，开采成本降低了20%，采场平均生产能力提高至150 t/d～200 t/d，平均贫化损失率降低至15%左右。适合于在国内同类型矿山推广应用。