束狀孔大量落礦殘礦高效回采工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

劉建東，陳 何，王湖鑫

(北京礦冶研究總院，北京 100070)

空場法回采一般包括礦房、礦柱回采和空區(qū)處理。一些純粹采用空場法回采的礦山，一般后期均面臨大規(guī)模礦柱群回采或空區(qū)群處理的問題。礦柱通常是礦體經(jīng)過一步回采后的應(yīng)力集中部位，任何礦柱的回采都意味空區(qū)形態(tài)的改變，甚或相互連通，以致影響周圍其他礦柱的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布；礦柱群礦量的回采過程，必然造成空區(qū)群(或礦柱群)范圍內(nèi)頻繁的巖體應(yīng)力擾動和難以預(yù)料的地壓活動，是礦柱群類型殘礦資源回采的難點所在。

通常，由于空場法開采的礦山空區(qū)形成的歷史較長，形態(tài)復(fù)雜，臨空面、抵抗線等主要爆破參數(shù)和邊界條件難以準確確定，加之一般爆破規(guī)模較大，炸藥在爆破介質(zhì)中的分布及爆破作用難以控制，采用中深孔爆破處理采空區(qū)群，需要分段鑿巖、分散作業(yè)，鑿巖爆破作業(yè)效率低，由于爆破抵抗線小，存在臨近采空區(qū)作業(yè)不安全等缺點，因而在大規(guī)模空區(qū)群處理的工程應(yīng)用上存在相當?shù)睦щy。基于束狀孔變抵抗線爆破技術(shù)的大量落礦殘礦高效回采工藝技術(shù)，可以根據(jù)空區(qū)形態(tài)調(diào)整束孔參數(shù)，設(shè)計大尺寸的爆破抵抗線，選擇工程條件較好的地段集中作業(yè)，因而是解決這一難題的安全高效的技術(shù)手段。

1 束狀孔變抵抗線爆破技術(shù)[1]

(1)

式中：d為炮孔孔徑(m)；N為炮孔個數(shù)；Δ為裝藥密度(t/m3)；q為炸藥單耗(kg/t)。

從式(1)可以看出，在炮孔孔徑d一定的情況下，通過調(diào)整每束孔的炮孔個數(shù)可靈活調(diào)整爆破抵抗線，從而為束狀孔爆破在各種復(fù)雜條件下的應(yīng)用提供了便利。尤其在大規(guī)模礦柱群殘礦回采中，可根據(jù)空區(qū)形態(tài)靈活調(diào)整爆破參數(shù)，選擇工程條件良好的地段集中作業(yè)，提高殘礦回采作業(yè)的效率和安全性，是大規(guī)模空區(qū)群條件下殘礦回采中值得優(yōu)先考慮的爆破技術(shù)手段。

2 束狀孔大量落礦殘礦高效回采工藝技術(shù)及應(yīng)用

2.1 回采工藝與技術(shù)

以束狀孔變抵抗爆破技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了適用于大規(guī)模空區(qū)群的殘礦高效回采工藝技術(shù)。采用該技術(shù)時，以采空區(qū)作為爆破的自由面和補償空間，將一定規(guī)模空區(qū)群范圍內(nèi)的殘存礦量作為一個整體進行崩落。垂直方向崩落高度以不超過階段高為宜，爆區(qū)水平面積則需考慮作業(yè)安全、地壓影響、爆破規(guī)模等各方面因素綜合確定。

1)采準工程：如圖1所示，在崩落區(qū)上部布置鑿巖硐室，下部布置底部出礦工程。鑿巖硐室一般布置在礦柱上方，若布置在空區(qū)上方則需確保空區(qū)頂板具備足夠安全厚度。底部結(jié)構(gòu)一般選擇“塹溝”形式，若條件允許則可對空區(qū)底部擴漏形成“大漏斗”出礦結(jié)構(gòu)。由于底部結(jié)構(gòu)工程的大量開挖會引起原有空區(qū)周邊應(yīng)力狀態(tài)的變化，給上部作業(yè)帶來安全風險，因此需根據(jù)具體情況選擇合理的底部結(jié)構(gòu)形式和施工順序。

2)鑿巖：一般采用大直徑深孔鉆機鉆鑿下向束狀深孔，束孔抵抗線以控制至空區(qū)邊界為準，根據(jù)抵抗線大小確定每束孔的炮孔個數(shù)。為控制爆破塊度，盡可能選擇多排孔、小抵抗線(但不宜小于5m)的爆破參數(shù)。當崩落區(qū)內(nèi)空區(qū)上下重疊關(guān)系較為復(fù)雜時，完全采用下向束狀孔存在一定困難，可輔助一定數(shù)量的中深孔爆破。

3)爆破：以爆區(qū)內(nèi)的空區(qū)作為補償空間，將整個采區(qū)作為整體一次性爆破崩落。鑒于爆破裝藥規(guī)模一般在幾十t乃至上百t以上，需要進行詳細爆破設(shè)計，精心組織爆破施工。

4)出礦：整體崩落后的大量礦石通過底部出礦結(jié)構(gòu)放出，采用大斗容(一般在3m3以上)的鏟裝設(shè)備集中出礦。在覆巖下進行放礦時，必須加強放礦管理和控制，減少貧化和損失。由于一次崩落礦量較大，出礦時間較長，因此應(yīng)用該方法時要求礦石不發(fā)火、不結(jié)塊。

圖1 束狀孔大量落礦殘礦高效回采技術(shù)

2.2 關(guān)鍵工藝與技術(shù)

1)束狀孔區(qū)域崩落大爆破技術(shù)：爆破參數(shù)設(shè)計是決定爆破效果的關(guān)鍵，需根據(jù)殘礦形態(tài)、礦體條件、已有工程現(xiàn)狀等，選擇工程條件良好的地段布置采準工程，設(shè)計合理爆破抵抗線、布孔參數(shù)、裝藥參數(shù)和起爆網(wǎng)絡(luò)。

2)大爆破有害效應(yīng)控制技術(shù)：爆破有害效應(yīng)包括爆破地震波、爆破沖擊波和爆破有毒有害氣體。區(qū)域整體崩落時，崩落礦量較大，爆破裝藥量較大(一般在幾十t乃至上百t以上)，必須采取有效措施減少爆破震動、爆破沖擊波和爆破有害氣體的危害，確保井下生產(chǎn)設(shè)施和人員安全。如采用分段毫秒延時起爆技術(shù)，降低爆破震動危害；采用預(yù)留礦石墊層、設(shè)置柔性阻波墻、“開天窗”等技術(shù)措施，降低爆破沖擊波危害；通過制定應(yīng)急通風措施、爆破后加強通風等手段，減少大爆破有毒有害氣體危害。

3)殘礦開采地壓控制技術(shù)：殘礦回采的目標之一，是有效處理采空區(qū)。在大規(guī)模空區(qū)群下的殘礦回采中，受爆破規(guī)模的限制，一般需采取分區(qū)崩落的方式回收殘礦。隨著殘礦的開挖，必然對臨近采空區(qū)產(chǎn)生擾動，進而可能誘發(fā)地壓災(zāi)害問題。因此，大規(guī)模空區(qū)群下的殘礦回采過程中，必須采取相關(guān)地壓控制措施，如采空區(qū)局部充填、空區(qū)密閉、地壓監(jiān)測等，確保殘礦回采作業(yè)的安全。

4)大量放礦控制技術(shù)[2]：區(qū)域整體崩落后的大量礦石，一般在覆巖下進行放礦。要根據(jù)開采條件和回采需要，設(shè)計合理的出礦結(jié)構(gòu)，采取合理的放礦控制措施，減少礦石貧化與損失，提高出礦效率和礦石回收率。

2.3 束狀孔大量落礦殘礦高效回采工藝技術(shù)的應(yīng)用

2.3.1 赤峰國維礦業(yè)多空復(fù)雜條件下殘礦回采[3]

赤峰國維礦業(yè)公司原屬民企礦山，設(shè)計中段高40m，由于技術(shù)應(yīng)用不合理和設(shè)備條件限制，采用淺孔留礦法開采。每個中段僅回采15～16m高度，剩余約20m高的礦體沒有采下來，形成了多空區(qū)復(fù)雜條件下殘礦開采條件。在部分空區(qū)上部，地表已經(jīng)出現(xiàn)裂縫和塌陷，造成了極大的安全隱患，急需處理。

針對該礦開采現(xiàn)狀及殘礦回收技術(shù)條件，經(jīng)研究分析，選擇束狀孔強制崩落與誘導(dǎo)自然崩落相結(jié)合的采礦方案，即對于二中段的半截采場和礦柱采用束狀深孔一次性崩落，解除礦柱的支撐作用，進而誘導(dǎo)上部裂隙發(fā)育、破壞嚴重的一中段半截采場和礦柱的全面積自然崩落，并貫通地表釋放地應(yīng)力。設(shè)計鑿巖硐室布置于844m水平，從該中段打下向束狀炮孔(炮孔直徑110mm)直接穿透二中段采場頂板。崩落的礦石利用二中段原有的平底底部結(jié)構(gòu)，人工裝礦推車，把礦石通過溜井溜到三中段集中運礦。

圖2 多空區(qū)復(fù)雜殘礦回采方案

該礦于2010年4月成功實施殘礦回采束狀孔大爆破，爆破施工作業(yè)一天完成，在關(guān)鍵部位建立阻波墻措施降低空氣沖擊波危害。爆破形成了貫通地表的冒落區(qū)，徹底消除了空區(qū)地壓隱患，成功回收了大量殘留礦石資源。爆破技術(shù)指標見表1。

表1 爆破技術(shù)指標

2.3.2 新疆可可塔勒鉛鋅礦空區(qū)群殘礦回采

可可塔勒鉛鋅礦是一座設(shè)計生產(chǎn)能力為2500t/d改建礦山，其7#礦體為開采的主礦體。2007年以前，該礦亂采濫挖現(xiàn)象嚴重，圍繞7#礦體共建有9條斜井，864m水平以上工程布置重復(fù)冗余，采空區(qū)錯綜復(fù)雜，有的空區(qū)相互貫通，空區(qū)最大暴露面積達3000m2。相鄰空區(qū)之間有大量形態(tài)復(fù)雜的殘存礦量，據(jù)推算7#礦體殘礦礦量達400多萬t。為盡快達產(chǎn)，業(yè)主千鑫礦業(yè)有限公司欲首先強化7#礦體3～7線殘留礦量的開采，并為礦山提供1500t/d的生產(chǎn)能力。

圖3 空區(qū)群殘礦縱投影圖

根據(jù)殘礦賦存形態(tài)和開采技術(shù)條件，7#礦體3～7線865m水平以上殘留礦的回收，采用以束狀深孔區(qū)域整體崩落技術(shù)為主、邊角礦中深孔爆破落礦技術(shù)為輔的開采技術(shù)方案。以塊段內(nèi)的空區(qū)為補償空間，采用以束狀深孔變抵抗線爆破技術(shù)為主進行大量落礦。在垂直方向上，自上至下劃分三個區(qū)段：1200～1085m、1085～1006m、1006～864m。其中1200～1085m為首采段，設(shè)計將1200～1085m區(qū)段劃分三個爆區(qū)，以區(qū)段內(nèi)的采空區(qū)為補償空間，按順序分次進行崩落。

1085～1200m殘礦回采主要作業(yè)水平布置在1164m、1118m和1085m三個水平，其中1164m和1118m為鑿巖作業(yè)水平，1085m為出礦作業(yè)水平。在1164m水平布置鑿巖巷道(硐室)，采用上向中深孔(孔徑65～90mm)和下向大孔(孔徑165mm)聯(lián)合崩礦。1118m為拉底水平，該水平設(shè)鑿巖巷道(硐室)，采用下向大孔布孔，爆破后形成底部出礦大漏斗。1085m為出礦作業(yè)水平，圍繞空區(qū)底部布置出礦聯(lián)絡(luò)道和出礦進路，形成底部大漏斗出礦結(jié)構(gòu)。殘礦開采預(yù)期技術(shù)經(jīng)濟指標見表2。

表2 殘礦開采技術(shù)經(jīng)濟指標

3 結(jié)語

以束狀孔變抵抗線爆破技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了束狀孔大量落礦殘礦高效回采工藝技術(shù)，為空場法開采中空區(qū)群治理和礦柱群回收難題提供了嶄新的解決途徑。工程應(yīng)用實踐表明，與傳統(tǒng)中深孔殘礦回采技術(shù)相比，該技術(shù)具有強化開采產(chǎn)能大、集中作業(yè)效率高、整體崩落安全性好、工藝靈活適應(yīng)性強等優(yōu)點，在強化殘礦開采、提高生產(chǎn)能力方面具有明顯的優(yōu)勢。鑒于殘礦賦存形態(tài)和回采工藝的復(fù)雜性，應(yīng)用該技術(shù)時，在采準、鑿巖、爆破等各個環(huán)節(jié)均需詳細進行設(shè)計、精心組織施工。由于一次爆破開挖量較大，殘礦回采中必然面臨地壓控制和大量放礦等問題，如何根據(jù)具體情況采取合理有效的地壓控制措施和放礦管理措施，也是決定該技術(shù)應(yīng)用成敗的關(guān)鍵因素。

[1] 劉建東,陳何,孫忠銘,等.平行密集束狀深孔高效爆破技術(shù)研究及應(yīng)用[J].工程爆破,2010,17(2):23-25.

[2] 陳何,王湖鑫,韋方景.高階段大量放礦技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].礦冶,2009,18(3):9-11.

[3] 王湖鑫,陳何,吳志安,等.赤峰國維礦多空區(qū)復(fù)雜條件下殘礦資源回采技術(shù)研究[J].中國礦業(yè),2011,20(3):69-70.