索尔库都克铜矿露天转井下采矿方法研究

周 通 严文炳 雷明礼 张 亭

（西北矿冶研究院）

索尔库都克铜矿（以下简称索矿）矿区位于新疆富蕴县城南西245°，直线距离约为65 km，为一座矽卡岩型矿床。

矿山于2010年12月建成露天采矿系统并开始生产，截至2020年年末，矿山现行主要开采1#、4#、5#露天采场。矿山按190万t/a规模生产，现行开采的露天采场服务年限所剩不多。且矿山露天境界外资源量较大，占资源总量60%以上，为确保矿山可持续性发展，矿山开展了多次露天转井下研究工作，研究适合矿山特性的地下采矿方法。

1 矿区地质

（1）区域地质。矿区大地构造位置南西40 km以洪古勒楞—阿尔曼台深大断裂为界，与塔尔巴哈台—纳尔曼得早古生代沟弧带（Ⅲ级）相邻。区域地层出露较齐全，构造活动强烈，岩浆—火山活动频繁，属区域上铜、镍、金、钼、铅锌成矿带的重要组成部分。

（2）矿床特征。矿体主要赋存于矽卡岩带中，矿带全长约为2 500 m，宽约为900 m，呈330～350°方向展布，倾向南西，倾角为10～45°。主矿体常产于石榴石绿帘石矽卡岩和绿帘石榴石矽卡岩中［1］。铜、钼矿体形态简单，为透镜状、似层状、脉状［2］。

（3）开采技术条件。矿山水文地质、工程地质、环境地质均为简单类型，有利于矿山的开发建设，矿岩物理力学参数如下。

铜、钼矿石密度为3.19 t/m³；围岩密度为2.7 t/m³；矿、岩抗压强度为160～208 MPa；矿、岩抗拉强度为7.9～19.7 MPa；顶板岩石硬度系数f=10～21；底板岩石硬度系数f=16～21；铜、钼矿石硬度系数f=19；矿体松散系数为1.5；矿岩自然安息角为37°。

2 露天转井下主要问题

索尔库都克铜矿为矽卡岩型矿床，矿体属于极坚硬缓倾斜矿体，矿体倾角一般为6～45°，平均倾角为20°，矿山连续性较好的主矿体已采用露天方式开采，露天境界外矿体连续性较差，对采矿活动影响较大。索尔库都克铜矿露天转井下技术难点：缓倾斜极坚硬矿体的采矿工艺、露天转井下保护层厚度、保安矿柱大小、采场结构参数等，直接关系到矿山后期的经济效益及安全生产。

现行开采的1#露天采场顶部周界长约1 200 m，宽约为780 m，境界周长约为4 000 m，境界面积约为50.7万m2，最终开采坑底标高为540 m，矿区地表标高为750 m，边坡高度为210 m；4#露天采场顶部周界长约为330 m，宽约为250 m，境界面积约为6.4万㎡，坑底标高为628 m，边坡高度为125 m；5#露天采场顶部周界长约为300 m，宽约为250 m，境界面积约6.0万㎡，坑底标为高652 m，边坡高度为93 m。露天转井下工程的布置既要保证地下采矿的安全性，又要保证地下开采不会对露天采场边坡稳定性产生隐患，因此选择合适的地下采矿方法显得尤为重要，1#、4#、5#露天采场现状见图1。

3 采矿方法研究

地下采矿方法的选取，主要根据矿体赋存的特点、露天边坡地压情况和露天坑底留设境界矿柱等因素确定，是一项复杂的技术难题。方案既要防止采空区围岩突然崩落，对地下采空区产生强动力冲击，导致矿山安全事故；又要避免隔离层在突然崩落造成矿产资源的浪费。

地下开采的采矿方法主要有空场法、崩落法及充填法三大类［3］，3种采矿方法优缺点如下。

崩落采矿法优点：①矿块生产能力较大；②不积压资金。缺点：①损失贫化大；②工作面通风条件差；③对稳固性好的围岩，需强制崩落作覆盖层；④矿山地下开采安全保障性较差。

充填采矿法：考虑到矿山地下开采规模及经济性，且充填采矿法采矿成本高、工序复杂，不宜采取。

空场采矿法优点：①矿快生产能力大；②贫化及采掘比较小；③工艺较简单，易掌握。缺点：①顶板暴露面积大，人员在暴露顶板下作业；②部分矿石暂留矿房，积压资金。

崩落采矿法具有采场生产能力大，作业条件好，工人在巷道中凿岩安全条件好等优点，但采矿损失、贫化率大，采切工作量大，索矿为低品位矿，不适合崩落采矿法；充填采矿法采矿成本高、工序复杂，不宜采用。结合国内外中大型露天矿山转井下成功经验，展开相应的研究工作。研究适合索矿地下开采的安全、高效、节能、环保的采矿方法及适合不同矿体倾角、不同矿体厚度的采矿方法，能适应井下矿体形态的变化，并能保证井下采矿方法遵循以下原则：①生产能力大，效率高；②采准工程量少；③矿石损失率、贫化率低；④能耗少，成本低，经济效益好。

综上研究，认为适合索矿露天转井下采矿方法为空场采矿方法。适用于不同矿体倾角、厚度的空场采矿方法具体又分为房柱采矿法、采场斜坡道留柱采矿法、分段空场法。

3.1 房柱法

房柱采矿法一般适用于矿岩稳固，开采矿体倾角在20°以下，厚度在4 m以下矿体，由于喷锚网、锚杆等支护技术的应用，扩大了房柱法的适用范围，在国内外也用来开采厚大矿体。使用房柱法的矿山，一般将矿体划分为矿块，在矿块内又划分矿房和矿柱。矿房、矿柱交替排列。房柱法实质上是全面法的变形方案，其主要特点是回采时留规则矿柱。房柱采矿法由于矿柱多不回收，矿石损失大，使用条件有一定的局限性。

索尔库都克铜矿矿体为极坚硬缓倾斜矿体，且矿体倾角在6～45°，本次索矿露天转井下开采，当矿体厚度小于3 m，倾角小于15°时可采用房柱法进行开采。

（1）矿块构成要素。采场内无轨斜坡道布置在脉内，联通各个盘区，盘区沿走向长度为80 m，沿倾向高度40 m，矿房、矿柱沿走向划分，每个盘区划分为8个矿房，回采时每隔7 m留3 m×3 m的点柱。房柱法采矿示意图见图2。

（2）采准和切割工作。穿脉巷道与装矿台阶相连，铲运机在装矿台阶内装矿。

（3）矿房回采工作。盘区内由一翼向另一翼回采。沿走向每10 m为1个矿房，矿房内采用DW1-24型凿岩台车凿岩，采用装药器装药，非电导爆管雷管起爆，崩下的矿石由WJ-2型铲运机运至装矿台阶并装入运矿汽车。局部顶板不稳固地段采取长锚索或锚杆护顶措施，以保障采、出矿安全。

（4）矿柱回收和采空区处理。在回采矿房，留下3 m×3 m的点柱，点柱回收率为50%（隔一采一）。采空区一般采取封闭或废石充填处理［4］。

3.2 采场斜坡道留柱法

采场斜坡道留柱法是依据国外台阶式房柱法，并根据索矿地下矿体赋存特征改进而来。台阶式房柱法采用无轨设备。国外房柱法的适用范围与国内完全不同，只是缓倾斜矿体和留不规则矿柱的条件是一样的。例如美国弗古尼亚州奥斯汀维尔铅锌矿和密苏里州邦恩特尔矿的自上而下分层房柱法，矿柱最大高度达90 m。为了适应索矿地下矿体倾斜超过20°，无轨设备难以逆倾斜运行的条件，改进为采场斜坡道留柱采矿法，可用于倾角达10～35°的矿体。采场斜坡道留柱采矿法适用于厚度为3～12 m，倾角为10～35°的矿体，采用无轨设备，其通路，亦即进路式采场沿走向水平布置，在阶段内自上而下回采。采场斜坡道留柱采矿法示意图见图3。

（1）矿块构成要素。盘区内联络斜坡道伪倾斜工作面布置在矿体内，联通整个盘区。盘区沿矿体走向长度为80 m，沿矿体倾向高度为40 m。采用DW1-24型凿岩台车凿岩，WJ-2型铲运机出矿，其通道亦即进路式采场沿走向水平布置，沿倾向每个盘区划分为4个矿房，回采时每隔7 m留3 m×3 m的点柱。

（2）采准和切割工作。阶段运输平巷沿走向布置在脉外，穿脉巷道与采场斜坡道相连［5］。

（3）回采工作。伪倾斜布置的斜坡道贯通整个采场。采场从运输巷道出岔开始推进，采场内回采工作如巷道掘进，一直通向下个平行的采场。下一道工序是开掘一个相似的进路式采场，或者是通过扩帮比相邻的前一采场下降一个台阶。然后重复这一程序，上部台阶向下部台阶发展。采用凿岩台车凿岩，矿石由铲运机运装车。局部顶板不稳固地段采取长锚索或锚杆护顶措施，以保障采、出矿安全。

（4）矿柱回收和采空区处理。在回采矿房的同时，留下3 m×3 m的点柱，点柱回收率为50%（隔一采一）。采空区处理一般采取崩落上盘围岩或废石充填空区。

3.3 分段空场法

分段空场法一般适用于急倾斜—倾斜且矿岩稳固的矿体，该采矿方法在回采过程中不需要支护［6］，当索矿地下矿体厚度大于12 m，倾角大于30°时，可采用分段空场法回采［7］。

（1）矿块构成要素。采场沿走向布置，矿块长为40 m，高为40 m，沿倾向划分为3个分段；沿走向将分段划分为34 m的矿房和6 m的间柱，出矿进路间距为8 m。

（2）采准切割工作。阶段运输巷道沿矿体走向布置在脉外，人行通风天井布置阶段运输巷道的一侧，经通风天井联络道与分段凿岩巷道相连，在矿房的中间掘进切割天井［8］。分段凿岩巷道采用YT-28型气腿式凿岩机。

（3）矿房回采工作。采用分段凿岩阶段出矿，垂直方向从上向下沿一定距离凿岩爆破。沿走向从矿房中间向两侧推进。采用YGZ-90型凿上向扇形中深孔，BQ-100型装药器装药，崩下的矿石经铲运机装入运矿汽车，经中段运输巷道运出［9］。

（4）矿柱回收及采空区处理。间柱、顶柱回收与空区处理有机结合，同步进行，矿柱回收率50%（隔一采一）。空区采取崩落上盘围岩或废石充填处理。

3.4 地下开采工程布置

研究认为索尔库都克铜矿露天转井下的最佳开拓运输方案为平硐+斜坡道开拓，无轨运输方案。

井下设置700、660、620、580、540、500、460 m共7个中段，其中700、660、620 m中段采用平硐开拓，580、540、500、460 m中段采用斜坡道开拓。

700、660、620 m这3个中段主平硐口分别设置在1#露天坑700、660、620 m水平平缓边坡处。

580、540、500、460 m中段之间采用斜坡道连通。斜坡道从620 m中段开口至460 m中段。

矿石在采场或出矿短穿采用铲运机装至矿用卡车，运至中段溜井卸矿，在下中段经振动放矿机装至矿用卡车，从各主平硐口或斜坡道经露天开拓公路运至选厂矿石堆场。废石采用铲运机铲装矿用汽车，从主平硐或斜坡道运至排土场。人员、材料、设备通过平硐或斜坡道上下。索尔库都克铜矿露天转井下采矿工程三维图、露天转井下采矿工程纵投影图分别见图4、图5。

4 采矿方法的主要技术经济指标

3种采矿方法主要技术经济指标进行对比，具体见表1。

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从表中可以看出采用该3种采矿方法采切比为4.29 m³/kt，综合损失率为15%，综合贫化率为10%，说明该3种采矿方法技术经济上可行。

5 结 论

根据索矿矽卡岩型矿床特性及极坚硬缓倾斜矿体形态，并结合国内外中大型露天矿山转井下成功经验，展开相应的研究工作认为，适合索矿特性的地下采矿方法为空场采矿方法，根据矿体不同倾角、不同厚度，又可分为采用房柱采矿法、采场斜坡道留柱采矿法和分段空场法，具体适用情况如下。

（1）矿体厚度大于3 m，矿体倾角小于15°，采用房柱采矿法。

（3）矿体厚度大于3～12 m，矿体倾角小于30°，采用斜坡道留柱采矿法。

（1）矿体厚度大于12 m，矿体倾角大于30°，采用分段空场采矿法。