南非某金矿深井开采技术探讨

宁彦红(鹏欣环球资源股份有限公司,上海200336)

1 前言

1.1 工程概况

南非某金矿位于南非西北省Klerksdorp 地区,是一个年采选100 万t 的大型矿山,自1931年建成投产至今已有90年历史,2000年最高生产能力149.66 万t,产金15.448 t,采矿方法主要为全面法,7 个矿井最深已经开拓至2 325.9 m,一期工程1 000 m高度以上的30 个中段已经回采结束,目前进入二、三期工程。设计高度为1 000～2 200 m 的32～70中段,矿山开拓方式为矿体两翼及中间布置1-7#竖井。

1.2 矿床开采技术条件

矿区气候为典型的南非高原草原气候,夏季气温22 ℃～34 ℃,冬季(5月～7月)平均气温为15.5℃,该地区气候不会对该矿生产作业造成任何影响;矿区地形平坦,伴随着一些起伏的丘陵,海拔在1 300～1 350 m。西北省是林波波河源头(包括东流至印度洋的格罗特马里科河)及奥兰治-瓦尔河水系多条支流(如西流至大西洋的莫洛波河)的分水岭,拥有大量的地下水储备,该金矿开采深度在地下800～2 300 m[1]。

1.3 水文地质

矿区主要含水层火山熔岩风化裂隙弱含水层,发育于似硬结隔水层的下部,下伏为隔水性能强的火山熔岩隔水层。该含水层具有补给条件差,富水性弱,地下水为潜水,局部承压。虽为矿床主要充水水源,但由于有矿床上覆火山熔岩相隔,且隔水层构造裂隙和断层破碎带既不含水也不导水,不会直接充水矿床;隔水层岩体稳定性强,也不会产生陷落柱,更不会有孔隙和岩溶通道。充水含水层地下水与矿床地下水水力联系弱,间接充水矿床的水量小。矿区所有矿体虽然埋深于当地侵蚀基准面以下的深部,矿坑涌水无法自然排泄,但矿坑涌水量小,长期稳定在1 000 m3/d,因此矿区水文地质条件简单。

1.4 环境地质

矿区位于卡普瓦尔(Kaapvaal)克拉通西北部,也是兰德凹陷盆地西北部边缘。自然(构造)地震频度低、震级小,矿区附近2014年8月5日发生的5.5 级地震为诱发浅源地震,属内力地质作用相对较弱的稳定区块。矿区钻孔岩心没有饼化迹象,河流切割较浅,没有陡崖和深谷地貌,井下开拓也没有岩爆反应,说明没有大的残余应力聚集,属非高原应力区。残余应力低的稳定区块有利矿山安全生产和建设。

矿区地形平坦开阔,没有产生山岩开裂、崩塌、滑坡的地貌条件;矿床埋深大,上部岩体稳定性强,也没有产生地面塌陷和开裂的工程地质条件;矿坑涌水量小,隔水层隔水性能好,矿坑排水和生产用水不会大幅度改变水循环条件和水化学环境。深部开采也不会引发水土流失、土地肥力减弱及土壤侵蚀等损坏土地问题。矿区环境地质条件良好[2]。

2 目前采矿方法弊端及采矿方法选择

2.1 采矿方法弊端

随着开采深度的增加,该金矿多年来形成的全面法回采已经很成熟,但是出现贫化率损失率偏高、回采矿量不足、采场出矿困难、工人劳动强度大、生产效率低下、机械化程度低、生产成本上升、原提升系统自动化程度低,不能够满足大规模采出矿生产等问题。

2.2 采矿方法选择

矿山二期工程设计服务年限30年,二期工程控制的矿体主要是地下1 000～2 200 m,仍然是缓倾斜、薄矿体、矿岩稳固类型,生产能力120 万t/年,经2020年补充深部勘探至地下3 000 m,深部仍然具有较大资源量。

针对本矿生产现状,除了提升运输工艺系统需要改造以外,采矿方法优化改进仍然是重中之重。根据现场调查,中深孔全面法开采,可以实现规模化生产,但是采切比增大、贫化率升高,不便于出矿和地压管理,所以暂不考虑,全面法开采工艺如图1所示。原有使用的长臂式全面法继续保留,条件是在矿体厚度≥0.9 m 以上时,实行混采混出,贫化率符合设计要求;当矿体厚度＜0.9 m 时,改为削壁充填全面法,矿脉出现急倾斜时(极少数)选择浅孔留矿法回采,根据矿脉厚度、工程进度、经济合理性及充填空间大小进行调整施工,类比国内外同类矿山,经过充分论证,其他采矿方法尚不适宜本矿山。本文以削壁充填全面法为例进行试验和论述。削壁充填全面法开采技术条件见表1。削壁充填全面法开采工艺如图2所示。

图1 全面法

图2 削壁充填全面法

表1 削壁充填全面法开采技术条件

3 削壁充填全面法

3.1 削壁充填全面法回采顺序

根据开拓工程布置、矿脉及矿块的分布情况,因VCR 及EB 矿脉间距较近(2～15 m),开采顺序为:首先开采上层VCR 号矿脉,然后开采下层EB号矿脉,Vaal 号矿脉距VCR 间距500 m 垂高,同时布置开拓工程。同一矿脉开采时要由上向下逐阶段进行,每个阶段沿矿脉走向前进式开采,矿房内也可以由下向上开采,同一矿脉的上阶段开采结束后,其上中段作为下阶段开采时的回风巷道,要求对回风巷道加强维护,确保通风畅通安全;当矿体厚度＞0.9 m 时,不需要削壁,直接选择全面法回采(图1),地下开采工艺流程如图3所示。

图3 地下开采工艺流程

削壁充填全面法回采作业顺序:削下盘围岩充填采空区—平场—铺垫层—落矿—出矿,因为矿岩属于稳固型,削壁围岩可以灵活调整为上盘或下盘均可,根据矿脉厚度变化情况,也可以选择第一次剥矿,第二次削壁围岩,控制总采副不超过1.2 m(局部矿脉厚度＞1.2 m 例外);当矿脉厚度＜0.5 m,削壁围岩厚度在＞0.7 m,采空区充填系数控制在80%以内,以保证充分的回采和出矿空间,围岩需要排出一部分,充填围岩过程选用ST600LP 低矮式铲运机协助。

3.2 矿块结构参数

矿块沿走向布置,因矿脉缓倾斜(15°左右),中段高度不宜过高,选择中段垂高30 m,矿块长度80～200 m,矿块宽度为矿体厚度,局部矿块沿脉巷兼作出矿电耙道,巷道断面为2.5 m×2.5 m,矿块间留设2 m 间柱或点柱,采切比48.0 m3/kt。削壁充填全面法结构参数见表2。

表2 削壁充填全面法结构参数

3.3 凿岩爆破

矿岩属于稳固型,使用低矮式 Rocket BommerS1L 双臂凿岩台车(或定制CMJ2-18)凿岩,南非本地水压钻机HPS 协助施工,孔径40 mm,排距与孔距均为0.7 m。为减少大块,排间交叉布孔,眼深1.5～2.4 m,改变原来凿岩深度1 m 及作业面布孔长度12 m 的参数,装药(条状)0.4～0.6 kg/m,堵塞0.2 m 炮泥,用毫秒导爆管(1、3、5、7、9 段或2、4、6、8、10 段)起爆乳化炸药,实行微差爆破,削壁围岩用抛掷爆破技术,采矿过程用松动爆破落矿,围岩充填采空区支撑顶板,矿石耙出,回采步距2 m 左右,大块率控制在5%以内。矿岩也可同时凿岩,但必须分层爆破,具体参数在生产过程以硬度系数变化进行调整。主要采矿设备见表3。

表3 主要采矿设备

3.4 出矿

采场内出矿,选择5.5～55 kW 型电耙,根据运距选型电耙和调整位置,富矿段采场底板需要扒渣机协助清理(或水洗)粉矿;漏斗放矿,漏斗间距15～20 m,采场内耙矿距离逐步加长,局部需要增加第二台电耙辅助耙矿(安装于切割上山相应高度)。随着回采高度上升,根据运输巷位置,采场中间增加溜矿井放矿,漏斗或溜矿井放矿至矿车,牵引车将装好的矿车运至井底车场(主运平巷3.5 m×3.5 m 双轨道),矿石放入中段溜矿井,进入一期1300#矿仓,最后由箕斗提升出井,正在改造的6-7#矿井提升能力将达到6 000 t/d,采场回采、放矿结束,封闭该采场。

3.5 地压管理

南非矿山地压管理,要求具有专业资质的岩石工程师进行监管,每日监测地震、地压及围岩应力变化数据,研究地压变化规律,超前预报及采取整改措施。该矿区有史以来有多次微震记录,但不影响生产;井巷工程在开拓及回采期间极少发生岩爆现象,矿山建设初期有岩爆规律记录,以调整施工时间段来躲避灾害;在采区内首先施工切割巷、电耙硐室、上山通风天井,实现应力探测、释放、转移及采取管理措施;矿房内沿矿脉走向推进回采,即一侧向另一侧推进,有效控制了地压管理。

3.6 采场通风

1-7#矿井已经开拓90年历史,井底互相贯通,新鲜风流由7#矿井侧面的服务井,进入千米以下的井底中段石门,通过运输平巷进入出矿漏斗,再进入采场,通过人行通风天井,将污风排至上中段通风井,最后由6#矿井主风机抽出地表,各采场无粉尘和炮烟现象,通风效果良好。目前正常通风条件下观测到的井温正常(20～25 ℃),说明除一定强度的地温梯度热能外,矿坑其他热能(矿体硫化物含量2%～5%,氧化反应热和贯通性传导热)增温很小,属常温矿床,没有热污染,也不会对井下生产工人的身心健康造成太大影响,2 300 m 以下新开拓工程,出现高温＞29°现象,采用大功率风机传递通风,实现正常作业,目前没有增加井下制冷系统。

3.7 井下排水

矿区各条竖井井底涌水量在1 000～2 000 m3/d,选用730 m-56 L/s 水泵(扬程730 m,电机575 kW)实行三级接替型排水,本地有停电现象,大型应急发电机组随时待命,排水设备设施、水仓及排水能力符合矿井排水规范,每日排水量直接进入地表选矿厂,作为工业水源之一。

4 结论

(1)增加削壁充填全面法生产,克服单一采矿方法之弊端,调整机械凿岩方式、凿岩参数、矿块结构参数,减少了废石外出,不留矿柱,达到减少贫化率,提高回采率,延长了矿山服务年限之目的。

(2)削壁充填过程增加了采矿、出矿作业时间和成本,但是品位提高、减少了提升废石成本和支护成本,供矿品位符合选矿回收要求,利大于弊。

(3)该采矿方法的改进,千吨采切比并没有增加,实现了连续性回采,强化了顶板管理及地压管理,在同类深井矿山具有参考价值。