巴魯巴銅礦采礦方法的優化研究

摘要：本文簡述巴魯巴銅礦的開采歷史及地質狀況。依據巴魯巴銅礦的開采技術條件以及巴魯巴銅礦以前采礦方法的應用情況，詳細分析了原公司LCM各項采礦經濟技術指標低下的原因。在此基礎上，利用原有工程采用分爆分出來完成礦山恢復生產，并嚴格管理各項經濟技術指標。依據礦體開采現狀提出采用單段空場開采方法，并試分析其開采的可行性及其技術路線，為安全高效回采礦體奠定基礎。

關鍵詞：采礦方法 巴魯巴銅礦 空場采礦法 分爆分出

1 巴魯巴銅礦概述及開采技術條件

1.1 巴魯巴銅礦開采歷史

巴魯巴銅鈷礦位于贊比亞銅帶省盧安夏市，是中國有色集團2009年收購并組建的盧安夏銅業有限公司的主要井下開采礦山，是羅恩-穆利亞希盆地已發現資源地中，唯一鈷品位較高的礦山。1973年礦山投產，2001年—2004年間曾停產約3年，2004年6月恢復生產，2008年12月再度停產。1973年-1996年間累計采出礦石4353萬噸，含銅金屬量為75萬噸，含鈷金屬量為5.8萬噸；2004年-2008年間采出礦石634萬噸，含銅金屬量8.3萬噸，含鈷金屬量6880噸。估計投產以來累計采出礦石量達5500萬噸以上，含銅金屬量90萬噸以上，含鈷金屬量7萬噸以上。巴魯巴銅礦歷經37年的采礦歷史，采礦量超5500萬噸，剩余資源全部為平緩礦體。

1.2 巴魯巴地質概況

巴魯巴銅礦礦體受褶皺構造影響，形態復雜，礦體分布范圍走向從SS21-CS7912約3600m，中部SS39-SS59向斜底部1500m貫穿次一級褶皺區，出現一個沿傾向方向水平寬度達到400m～800m的緩傾角區。因此可把礦體劃分為陡傾角區——北翼，緩傾角區——中部（向斜底部）和南翼，北翼礦體傾角45°～90°，傾向南西210°。緩傾角區——中部（向斜底部）和南翼構成次一級背斜，背斜軸部以北的礦體傾向北東30°，南翼礦體傾向210°。次一級背斜使向斜軸部礦體抬升了250m。礦體向南向深部傾伏到穆利亞希盆地。

巴魯巴銅礦礦體含礦層位由底盤向頂盤依次為：

斑銅礦—黃銅礦混合帶（富礦帶），厚度一般小于兩米，由于風化作用在RL7頂部有時可見赤銅礦，局部偶爾可見自然銅。該含礦帶含全銅品位達到3％左右，鈷品位0.2％左右。

黃銅礦—硫銅鈷礦帶，厚度一般小于4m，巖性為白云質片巖。該含礦帶含全銅品位一般都達到1.5％左右，鈷品位0.08％－0.1％。黃銅礦—黃鐵礦帶，厚度3——15m，巖性為白云質片巖夾泥質板巖，逐漸過渡到黃鐵礦占硫化物礦物的絕大多數，少量的鈷出現在黃鐵礦中。

典型剖面示意圖見圖1。

礦區巖層主要為淺變質巖系組成的地層(上羅恩組和下羅恩組)，表現為復雜的褶皺構造，其下為古老的花崗巖基底。

礦體下盤的基底花崗巖及片巖、石英巖等總體上穩定性好。大多數中段運輸巷和分段巷都位于該巖層中。礦體與近礦圍巖抗壓強度為礦體頂板的含礦板巖一般都大于100MPa。穩定性較差的為礦體下盤富礦帶含礦片巖；另一個就是礦體的直接底板下盤礫巖。

1.3 巴魯巴銅礦開采技術條件

巴魯巴銅礦礦體分為兩個帶，靠下盤是富礦帶（斑銅礦—黃銅礦混合帶），厚度一般小于2m，最大可達到6m，巖性為含透閃石的白云質片巖，含全銅品位一般都達到3％左右，鈷品位0.2％左右。該巖層一般比較軟，破碎，穩定性差，完整巖石單軸抗壓強度50MPa。靠上盤是貧礦帶（從黃銅礦—硫銅鈷礦帶過渡到黃銅礦—黃鐵礦帶），黃銅礦—硫銅鈷礦帶厚度一般小于4m，巖性為白云質片巖。該含礦帶含全銅品位一般都達到1.5％左右，鈷品位0.08％－0.1％；黃銅礦—黃鐵礦帶厚度3m－15m，巖性為白云質片巖夾泥質板巖，逐漸過渡到黃鐵礦占硫化物礦物的絕大多數，少量的鈷出現在黃鐵礦中。礦體與圍巖的界限漸變過渡，靠取樣分析劃定。礦體圈定指標：邊界品位為全銅品位1％，礦塊(％Tcu－%OCu)+(3×％Co)達到2％為經濟礦體，礦體圈定最小厚度為4m。貧礦帶礦體穩定性較好，完整巖石單軸抗壓強度一般大于100MPa。礦石及頂板圍巖體重平均2.67t/m3。

含礦巖石及其近礦圍巖由于遭受淺變質作用和強烈的構造變形，巖石較破碎。巖體構造面弱面主要是變余沉積層理，其次是片理和節理，巖石中除了沉積層理面外，還形成了許多變質結構面和構造結構面。層理面一般較平整，容易引起較大范圍的巖石滑動；變質作用形成的片理短小、分布極密，加之片巖軟弱夾層較多，對工程具有較大的影響；構造結構面在該礦段較少，主要為一些規模小的斷層，對工程具有一定的影響。巖體結構的最大特點是層理很發育，其他的構造弱面主要為層間斷層，為一系列規模很小的與地層產狀接近一致的正斷層和節理。

總體上來說，該礦段的巖體地質構造特征主要為層理、節理、劈理和一些次生裂隙，它們一般延伸較短、未錯動。巖體的變形破壞受軟弱破碎帶控制，容易形成坍塌、滑移，還有壓縮變形的可能；水弱化巖體強度，易誘發巖體進一步失穩破壞。礦體下盤的基底花崗巖及片巖、石英巖等總體上穩定性很好。局部可能出現不穩定的地段是礦體下盤受剪切的泥質石英巖帶。采準巷道垮塌的主要原因是礦體下盤礫巖和下盤礦體穩固性差，由采礦引起的次生應力產生局部應力集中造成。該區域的地應力主應力方向應為垂直方向。

2 采礦方法的應用情況分析

從1973年投產以來，巴魯巴銅礦好幾種采礦方法被應用，其中包括：分層充填法，進路充填法，點柱充填法，分段崩落法，分段空場法。從巴魯巴的采礦歷史上看，分段空場法是主要的采礦方法。但是在生產過程中，隨著陡傾角礦體儲量減少而減少，其他的采礦方法比例在提高。

由于原LCM公司把巷道布置礦體里，很難保持巷道的完整性，而且底盤的片巖很難全部密閉而導致尾沙泄露（發現大量的泄漏充填尾沙淤積在480ml東部運輸道），并且大量的礦柱不能回采永久損失。致使原LCM公司在2006年以后停止使用分層充填法，進路充填法，點柱充填法等充填法。分段崩落法成為原LCM時期主要的采礦方法。

采礦回收率和貧化率是評價一種采礦方法成功與否的主要指標，也是關系到一個礦山企業運營能否成功的關鍵。巴魯巴銅礦2004年恢復生產，到2008年11月再次宣布進入維護期，總共生產了5個年頭，55個月。期間陡傾角和緩傾角礦體基本是各占50%，2004年主要是恢復生產和回收殘礦，不能作為正常生產數據，所以統計指標為2005年-2008年的，具體生產指標見表1。

從表1可以看出，采礦回收率從2005年的83.2%降低到2008年為61.7%，明顯低于采用相同采礦方法的其他礦山。巴魯巴銅礦原采用的分段崩落采礦方法開采的大部分礦體平均厚度為6—10米，礦體近似水平，礦體下部與底板圍巖接觸帶是穩定性很差的片巖，礦體下部的片巖含銅品位較高，但是穩定性差，礦體上部品位較低，穩定性較好。由于礦體厚度較小，只在礦體下盤圍巖內掘進一層鑿巖和出礦巷道，兩個出礦巷道之間的三角礦柱無法回收；當礦體頂板不能及時崩落時，爆破的礦石拋擲到相鄰采空區，導致礦石損失增大。

同時由于礦體底盤及礦體底盤外的泥質片巖失穩，加上無序開采導致的地壓增大，盡管許多礦塊掘進完成，但也造成其全部塌落，致使礦石無法進行開采。如460mlG礦塊施工了2000多米掘進，沒有回采就全部塌落，損失近50萬噸礦石量。

從2004年以來，廢石混入率逐漸增高，主要原因是單分段崩落法使用比例逐年增高。為了保持鑿巖出礦巷道的穩定性，鑿巖和出礦巷道布置在礦體底板6m以下的下盤圍巖中。由于出礦塹溝內廢石是同礦石一起爆破并且混合出礦，導致大量貧化；上向扇形孔鑿巖精度、頂板界限確定的不準確都將導致頂板圍巖的混入，從而加大了貧化率。2005——2008年廢石貧化率高達41.8%，明顯高于其他采用分段崩落法礦山（典型分段崩落法礦山貧化率為25%——35%）。

3 現有采礦方法的改進措施

從巴魯巴的開采歷史數據可以進行分析，2004-2008年期間，50%是北翼陡傾角礦體，地質平均原礦品位2.3%，實際銅出礦品位累計1.32%；而目前全部是緩傾角礦體，地質銅原礦品位2.16%，并且2010年地質銅原礦品位為2.07%，提高采礦技術經濟指標的難度大，而且，為了盡快復產，盡量利用原有的斜坡道、分段巷及部分沒有完全塌落的鑿巖道，采礦方法基本沒有改變，為此，但加強以下幾方面工作的管理：

3.1 分爆分出，降低貧化，提高經濟技術指標

接管巴魯巴銅礦以后，發現LCM有些礦塊，掘進基本完成卻沒有進行采礦活動，經過調查，礦體變化大，鑿巖道位于下盤距礦體6－10m以外的堅固巖層里，貧化很大，出礦品位很低，所以原LCM公司沒有進行采礦。為了解決此問題，試驗應用分爆分出的采礦方法，提高經濟技術指標，即：一次性施工深孔，每排深孔分兩次爆破，首先爆破礦體，然后進行出礦。出礦結束后，爆破廢石，從出礦點清理部分廢石，其他的廢石充填采空區，如此循環，直到采場結束。采用此采礦方法后，金屬回收率達58%，貧化率29.6%。

3.2 加大探礦程度，指導開拓施工

根據巴魯巴銅礦礦體產狀變化大的實際情況，加大探礦力度，指導掘進施工。所有的出礦進路只施工5m，然后開始施工探礦工程，待獲得準確的礦體信息后，再修改采準設計，開始施工掘進工程，所有的采準工程基本都隨著礦體的變化而變化。從2009年幾個月的實踐看，效果明顯，2010年將繼續堅持，而且加大東西兩頭和南部的探礦，指導開拓施工。

3.3 強化支護技術

針對巴魯巴的巖性狀況，開展支護研究工作，結合巖石力學研究，在確保巷道穩固的前提下，盡量靠近礦體，提高各項經濟技術指標。

3.4 強化質量管理，特別是深孔和爆破質量管理，因為這兩項工程質量是影響回收率和貧化率很重要的因素（除采礦方法選擇以外），特別在應用扇形孔爆破的礦山尤為重要。假如深孔質量很差，裝藥、爆破后，設計的炸藥單耗就不可能實現。爆破結果就是采礦輪廓線改變，過度的頂盤和底盤廢石混入，貧化率增大，降低回收率。所以我們強化了深孔管理和質量檢測，在深孔施工完成后，馬上進行測量，確保精度。如果有必要，在機器離開作業面以前，必須重新施工。為了減少深孔破碎的可能性，深孔施工和爆破之間盡量縮短時間。

3.5 強化出礦管理和溜井管理，減少人為貧化和損失

從2010年元月正式復產以來，盧安夏銅業有限公司在采礦條件比原LCM差的情況下，完成了生產計劃和復產項目，而且1-4月份出礦品位平均達1.43%，超LCM歷史最好指標，效果顯著。

4 采礦方法研究

采礦方法的研究，勢在必行。隨著產能的增加，管理困難增大，各項指標將受到嚴重影響。必須從根本上解決問題，加大巖石力學研究，特別是新開拓的礦塊進行新的采礦方法試驗，徹底改變各項經濟技術指標。

結合巴魯巴銅礦近40年的開采歷史經驗和高德公司給LCM提議的方案，面對我們目前的平緩礦體實際狀況，建議試驗應用改進的單段空場法采礦（圖2）：礦體頂盤施工鑿巖道，下向鑿巖；礦體底盤下6m以外施工底盤鑿巖道和出礦進路、中段運輸道等，下向臺階采礦，上向崩廢石。頂盤鑿巖道采用錨索支護，減少頂盤廢石塌落混入；底盤廢石高度，初步確定5—6m，試驗改進，最終確定。采礦順序為臺階式推進：頂盤鑿巖道崩落礦石—底盤出礦—底盤崩落廢石—出渣（部分）—循環，剩余的廢石就保留在采空區墊底，提高出礦回收率。

試驗研究的重點，主要兩方面，一是確定底盤廢石的高度，確保掘進成型安全及爆破礦體后底盤廢石穩固的前提下，巷道盡量靠近礦體；二是建立地質模型，研究爆破礦巖的拋擲性，計算金屬回收率。如果不能達到目標，確定是否采用遙控鏟運機，和爆破順序的確定。

5 結論

巴魯巴銅礦開采的礦體均為平緩的中厚礦體，礦體底盤圍巖破碎，節理構造發育。通過對原LMC公司采礦的技術經濟指標分析發現，由于原公司的采礦方法選擇不當以及底盤圍巖破碎，致使其采礦技術經濟指標連年下降。針對此種情況，目前主要是在原LMC公司的原有開拓工程基礎上，采用分爆分出的崩落法進行開采，滿足現階段礦石開采需求。為確保礦山安全高效開采，需要進一步合理選擇采礦方法、加強圍巖支護結構、強化礦山的損失貧化管理，為此提出采用改進的單段空場采礦方法，為提高礦床開采的各項技術經濟指標奠定基礎。