刍议下行式小分段高效采矿工艺

张帆

（湖北三鑫金铜股份有限公司，湖北黄石 435000）

0 引言

根据中国矿产资源局公布的相关数据：截至2022年，我国已经成功开发173 种矿产，且稀土矿资源占据全球70%以上。为进一步增强我国采矿能力，应善于运用先进工艺，完善采矿计划，满足矿产资源需求之上提高采矿效益。同时，还需立足现有采矿特征，加强新工艺应用推广，借此增加资源储量。

1 下行式小分段高效采矿工艺的可行性

下行式小分段高效采矿工艺的可行性，主要体现在缩减采矿成本和提高采矿效率两个方面。为进一步阐述应用优势，此次研究专门采用对比分析法归纳该项技术可行性价值，与上行式小分段高效采矿技术、下向分层进路充填采矿技术比较。假设在相同地质条件下，上盘岩土天然密度2.88g/cm3，含水率0.093%，抗压强度11.41MPa，弹性模量59.43GPa。而矿体及下盘结构参数分别为2.99g/cm3（2.89g/cm3）、0.083%（0.094%）、13.21MPa（13.03MPa）、64.59GPa（57.71GPa）。同时呈现上薄下厚特征，其厚度为30～40m，具有100～400m 走向长度，此次研究中分布的岩石以铜矿和镍矿资源为主，且掺杂着沉凝灰岩及碎屑浊流沉积物。

为进一步阐述此项工艺的可行性，结合学者周光信等[1]相关研究结果，确定上述3 种采矿工艺在相同采矿量条件下，显然此项工艺采矿生产能力更大。另外，成本对比上采矿直接成本较小。炸药使用过程中消耗量与上行式小分段高效采矿工艺持平。由此证实本文推荐的下行式小分段高效采矿工艺在采矿成本上相对第三种工艺可节约50%的投入成本，采矿效率上最多可增加250%，表示此项技术确有显著可行性，若地质条件符合稳固矿体条件，应善于依靠此技术助力采矿企业谋求高收益、低成本目标，尽量扩大此技术的适用范围，建立标准化技术规范。3 种采矿工艺下采矿方案对比如表1 所示。

表1 3 种采矿工艺下采矿方案对比

2 下行式小分段高效采矿工艺关键点

2.1 回采工艺

采矿项目中在爆破以及回采等工艺操作下，可能随着时间延长引发震动能量波动情况，如图1 所示，要想进一步维护采矿安全，务必利用回采工艺发挥技术特性。一般情况下，回采工艺水准多关乎采矿经济指标水平，这也是此项技术是否彰显省本价值的重要保障。在上述地质条件下，于回采作业中应先行搭建采矿巷道，随即配备切割天井，用于助力后续采矿人员高效完成凿岩、爆破等诸多任务。而后以隔三采一方法有序回采，并将回采工序调整为由上到下，先组织采矿人员进行上分段回采，后开展下分段回采工作，始终以胶结充填法搭配非胶结充填法夯实回采基础。

图1 采矿作业中扰动条件下震动能量变化情况

为优化回采工艺效果，还可以借鉴黑龙江省老柞山金矿回采经验，此金矿多有52MPa 以上抗压强度的矿石，且岩石密度为3.12t/m3，其中设置的采矿区具有3～5m 宽和80m 高的地理条件。因早期随着爆破作业已然形成松动带（2m 宽），故而采矿人员专门运用电机车（ZK3-5/250 型）有序将矿石运输至天井内，而且选择301.733m 高度位置上搭设巷道，并以2m 长、2m 宽设计分段巷道，经过对回采作业边界范围的有效控制，达成了高效回采目的，整体回采效果良好。

2.2 采场布置技术

在采矿区域内应用下行式小分段高效采矿工艺时，可以应用采场布置关键技术改善采矿条件。由于采场不同位置岩石成分及稳定性多有不同，所以需优选回采区、爆破区，以便在合理布置下提高采矿效率。为验证采场布置匹配度，应依据采场强度差异进行模拟分析，建立采矿仿真结构模型后，可根据现实条件出具采矿方案。经过研究应当以8m 跨度为标准进行交叉布置，此时可促使在12m 高度以下的采场内实现安全采矿。事实上，采矿企业在采矿作业中除了关注矿产资源带来的经济效益外，还应注重现场采矿安全水平，否则可能诱发中断采矿后果[2]。

按照原有8m 分段高度和23m/kt，75%回采率和8%贫化率指标进行采矿作业，能够发现未改进前采场布置方案中设有斜长水平矿柱（2m），并设置了两个采场（50m 长，70m 高），之后安排采矿人员按照既定采场布置方案。以2m 分段回采高度进行循环开采，运用雷管爆破工艺建立2.2m 深度且角度为60°的炮孔。此时虽然按照原有方案也能顺利采矿，但显然以此分段高度布置采场缺少适应性。因此有关人员需在8m 分段高度之上适当延伸至12m，此时采切比和贫化率将分别降至20.6m/kt、7.8%，且回采率增加3.2%，表示提高分段高度实施采场交叉布置，有望优化采矿效果。

2.3 凿岩爆破技术

凿岩爆破是采矿工艺中较为重要的技术，往往决定采矿安全性和采矿效益，因此有关人员需兼顾地质条件采用凿岩爆破技术有效控制爆破材料用量。通常以凿石劈岩机进行开矿作业以及以炸药进行爆破式凿岩。在获得上级部门批复后方可采用炸药爆破方式，但需注意的是炸药用量应在0.3kg/t 左右，并同时使用凿岩设备作为辅助爆破，促进岩石快速开裂[3]。

另外，还可采用一次凿岩分段爆破高效成井方式，同样能够达到省本增效目的，可将其视为凿岩爆破辅助工艺。首先，安排有关人员设置掏槽，多以三孔桶形掏槽为主，并且科学设计掏槽孔与空孔间距（L）和钻孔孔径参数。具体可以参照式（1）予以分析。

式中：D——采场内空孔直径，mm。

其次，计算后可以确定辅助孔数量以及相关夹角，以便在倾斜钻孔中保障采矿质量。相关人员需根据钻孔孔径大小确定装药量。例如，针对140mm 钻孔宜使用15kg/m 炸药量，且装载高度应为1.6m。若开设120mm 钻孔，装药量应保持在11kg/t 左右，高度应为2.2m，这样才能保证炸药均匀分布；最后，在凿岩爆破作业中应当确定最佳分段爆破高度。在小分段高效采矿工艺导向下，可以将分段高度控制在5～7m，并进行多次爆破，从起初多次4m 爆破高度增加到9m 爆破高度，最后一次大高度爆破作业时，还可结合岩石分布特征进行分层爆破，以便增加爆破成功可能性。需注意的是：应用凿岩爆破技术时，需要在炸药放置前铺设一层细沙，随即有序爆破，而且应在多层分次爆响观察爆破效果，以便提升采矿有效性。

2.4 采场充填技术

下行式小分段高效采矿工艺的应用，从上述研究中确定有可行性。而以爆破钻孔作业后，还需运用采矿充填技术充分增强强度，一般需满足3.1MPa 以上的强度标准。此处指的是充填物强度。为进一步预防采矿积水等不良风险，有关人员可以对钻孔实施分层充填，而且可以按照1∶4 灰砂比配制充填材料，并为不同层级采矿配制差异化充填材料，其灰砂比从采矿底端到上端分别为1∶4、1∶10、1∶4，以便达到强度强化作用[4]。另外，负责采场充填工作的人员，还要将初期充填高度保持在1m 以下，且最高不可超过6m，否则容易在过高充填下引起充填材料变形隐患。充填后记录材料表面积水状态，未见积水表现后即可认定充填质量达标。采场充填技术作为采矿项目收尾保障技术，在充填作业前期，也可以运用充填挡墙划分安全充填区域。经过高强度充填材料的有力支撑，能够促使矿石损失贫化率得以下降，值得以小分段充填工艺达到提效效果。

3 下行式小分段高效采矿工艺优化路径

3.1 优化工艺流程

下行式小分段高效采矿工艺的实践应用，应当从工艺流程层面提出优化建议。通常在该项技术指引下需要有序完成回采、布置、爆破及充填任务，且每一项流程都应当进行模拟分析，以便出具完善方案。

此处以重庆接龙铁矿为例，在优化前回采过程中以下分段50%步距（5～8m），上下分段同步回采方式，保持6m 左右回采高度，并利用人工装药方式进行循环式回采作业。而经过分析后确定朝着步距回采顺序以及进风井分布形态等方向予以优化，优化后既能简化流程，又能提高采矿效率。即在原有6m 回采高度之上控制在3m 左右，并且保有一定宽度的护顶空间（300mm），有利于增强顶板支撑稳定性。而且对进风井性质予以优化，未优化前常以中央盲天井充当进风井，此时容易削弱采场进风效果，然而优化后仅设置单独的进风井，并借助滑轮结构运输废矿渣，加快出矿速度的同时也能净化采场环境。由此证实：针对采矿流程进行针对性优化改进，是提升采矿质量的保障措施，值得引起有关人员的重视。

3.2 配备智能设备

下行式小分段高效采矿工艺，之所以在采矿项目中拥有优良前景，是因为此项技术确实能够提高采矿效率，致使采矿企业拥有可观收益。为进一步优化技术效果，还可结合采场地质环境，积极配备智能设备，既可以代替传统采矿设备，又可以为现有爆破等设备提供便捷化服务。具体可以使用采矿机器人，妥善应对现场采矿风险，而且在机械化采矿场景内，亦能达到增效目的。

此处列举两种适用范围广泛的智能设备：①自动采矿设备，此设备实则是依靠无人驾驶系统对矿石实施智能化转运，同时搭配铲运机，即可加快出矿速度，并且因其无须人力驾驶，无形中可舒缓人力负担。一般情况下运用此设备支撑下行式小分段高效采矿工艺，可达到5000t/d 左右的矿石运输量，无论是初期采矿还是后续出矿，均可在智能设备助力下改善开采条件。②高效充填设备，以往常需要人工充填方式，若能使用自动输送设备联合深锥浓密机（径长18m），每小时可达到140m3以上的充填能力，每日每小时最多能够实现4397m3充填目标，配备自动铲运机设备后每班组每日能够获得8000t 出矿量。同时，在小分段分层回采下，对于上文提到的不同灰砂比材料的充填作业事项，在智能设备支持下也能提前规划充填顺序，优化现场采矿安全效果之上，逐步提高生态效益，削弱矿产生产过程的环境污染危害[5]。

此外，除上述智能设备外，在凿岩爆破中也可运用“炸药垂直自动下放设备”，即按照特定炸药输送顺序，对爆破位置进行定位分析，且装药环节也能促使敏化剂及乳化炸药成分得以充分混合，随即发挥最大爆破效果。在下行式小分段高效采矿工艺实践应用阶段，加强智能设备推广，应成为技术突破关键依托。

3.3 加强安全监测

采矿效益和生产安全都占据重要地位，因而在采矿项目中应当充分加强安全监测，包括依靠自动预警系统、GPS 软件实时获取采场生产动态。GPS 软件的运行可通过GPS 接收器，对现场爆破点位、采矿点位以及回填状况进行实时监督，也可兼顾天气因素判断现场安全程度，若存在采矿危险源，则立即响应自动预警系统，为项目负责人发放预警信息，随即下达暂缓采矿或提高维护等级等指令。而且还可利用定位器、传感器对采场人员地点进行监测，若存在生产风险，则及时撤离，就此提高安全水平。

4 结语

综上所述，下行式小分段高效采矿工艺在现实采矿项目中，具备提高采矿效率和节省采矿成本优势，理应立足回采工艺、采场布置技术、凿岩爆破技术、采场充填技术要点，确保在该项技术支撑下逐步提高采矿效益。随即从工艺流程、智能设备、安全监测等方面着手，经过优化后取得理想化采矿成效，助力采矿事业壮大发展，满足新时代矿产资源实际需求。