提高大型貧鎳礦體充填采礦生產能力關鍵技術研究

王永定

(金川集團股份有限公司 龍首礦， 甘肅 金昌市 737100)

提高大型貧鎳礦體充填采礦生產能力關鍵技術研究

王永定

(金川集團股份有限公司 龍首礦， 甘肅 金昌市 737100)

針對金川鎳礦Ⅲ礦區貧礦開發，開展了提高充填采礦生產能力的關鍵技術研究。首先，以應用大型采礦設備為目的，開展大斷面六角形進路參數優化選擇和穩定性分析。在此基礎上，進行了進路式回采分層道優化布置并發展了大斷面六角形進路式采礦方法的回采工藝和爆破參數優化與控制技術。通過采礦試驗和工程應用，不僅提高了龍首礦貧礦充填法采礦生產能力，而且保障了采礦安全，由此獲得顯著的經濟效益和社會效益。

大型貧礦；充填法開采；采礦生產；六角形進路；經濟效益

0 前 言

金川鎳礦是我國最大的硫化銅鎳礦床，共劃分為4個礦體。其中Ⅰ、Ⅱ礦體為富礦，Ⅲ、Ⅳ礦體為貧礦。經過幾十年的開采，Ⅰ礦體的富礦開采接近尾聲，貧礦成為主要的開采對象。開采Ⅲ礦貧礦的龍首礦西采區，貧礦資源儲量占西采區總量的93%。該礦體屬熔離-貫入型礦體，分布在超基性巖體下盤的二輝橄欖巖和含輝橄欖巖及純橄欖巖中，是地質構造作用從Ⅰ礦體中錯斷推移形成獨立礦體。礦體呈似層狀，走向320°～330°，傾向南西，傾角60°～85°。礦體長1100～1300 m，寬10～200 m，厚10～175 m，傾向長度800 m。礦體地質品位為0.55%～0.60%。由于Ⅲ礦體經歷了劇烈的地質構造作用，節理裂隙十分發育，礦巖十分破碎，穩定性極差，屬于典型的破碎礦巖的大型貧礦體[1]。

提高貧礦產量，降低采礦成本，實現規模化效益是貧礦采礦生產的核心問題。為此金川礦山將原設計的自然崩落法改為下向分層膠結充填法開采。

1 充填法開采貧礦存在的問題

(1) 大型鏟裝設備利用問題。在底寬3.5 m，腰寬7 m，高6 m的大斷面六角形進路中，配套設施不健全：現場未配備檢撬車，進路高度達到6 m后，人工檢撬頂部非常困難，勞動強度大，效率低下；為了便于撬碴和裝藥，現場采用先爆破底部炮孔，然后在礦堆上裝藥再爆破上部炮孔的方法，降低了生產效率且增加了爆破成本；分層道高度為3 m，進路開口時必須人工挑頂，施工效率低，安全性差，不利于鑿巖臺車效率的發揮。

(2) 大斷面進路形成與穩定性控制問題。金川礦山目前采用下向矩形進路和六角形進路兩種采礦方法。矩形斷面施工簡單，便于控制，但進路受力條件差，不利于進路的穩定。而六角形進路圍巖應力分布有利于采場的穩定，但進路斷面形成給爆破參數優化和控制提出更高要求。因此，對于礦巖條件極不穩固的貧礦開采，大斷面六角形進路的形成與穩定性控制問題，是貧礦開采所面臨的另一技術難題。

(3) 充填法采礦持續穩定生產問題。提高貧礦充填法開采的生產規模，必須選擇一種回采效率高，轉層速度快，損失貧化率低的采礦方法。傳統的六角形單一采場雖具有小、快、靈的特點，但在實際生產過程中存在不足。主要表現在一個單一采場在回采結束后，從最后轉層準備、充填實施到下分層拉開開始出礦，至少需要20 d的時間。在此期間采場將喪失出礦能力，嚴重制約著采場生產能力的提高和供礦的均衡性。

針對龍首礦傳統的六角形進路采礦存在的問題，開展了回采工藝研究，包括單分層道回填布置方案、雙分層道布置方案、進路斷面參數、爆破參數、盤區規劃及整合等，從而滿足大型采裝設備的使用要求和采礦效率，提高進路式充填采礦的生產能力。

2 進路式回采分層道優化布置

針對六角形進路采礦存在的問題，提出了單分層道布置方案和雙分層道方案交替使用布置。

2.1 單分層道布置形式

單分層道是在回采邊緣或小礦體時采用的一種布置方式，該方案是充填前將分層道回填原高度一半的礦石，下層開采后，在上層分層道下部掘進，落下回填層后，形成與進路等高的分層道。分層道規格為矩形斷面；進路垂直分層道布置，進路規格為六角形進路，采場每分層下降比上分層標高低一半的高度開層，開層后回采上分層礦柱，回采結束后分段充填。單分層道回填布置方案如圖1所示。

圖1 單分層道回填布置方案

設計時布置一條分層道在礦體下盤或礦體中間，進路垂直布置，進路長度控制在50 m左右，分層道每層沿用。關鍵是為了保證分層道和進路高度一致，分層道在轉層充填前按照下層高度對分層道進行回填，回填高度為2.5 m，開層高度2.5 m，開層后落下回填層后高度達到5 m。

該布置方案是在傳統的小斷面六角形進路回采方案基礎上，通過調整采場布局方式和采切工程參數，可以適應大型采裝設備的使用；同時可以實現采場多作業面同時回采，擴大回采能力；保留了六角形進路回采強度大、開層速度快的特點。對于厚大礦體，將一個采場再劃分為若干個回采區間，在回采過程中對回采順序進行靈活調整，來實現多個作業面作業及采場連續生產，以提高生產能力。

2.2 雙分層道布置形式

雙分層道布置方案是在每個礦塊布置兩條分層道，每分層只需使用一條，可上下層交替使用，轉層時不需要回填礦石。將每個盤區劃分為若干采場，分層道可靈活布置在垂直或沿礦體走向的采場兩端，分層道規格為矩形斷面；進路垂直分層道布置，進路規格為六角形水平進路。采場每分層比上分層下降2.5 m開層，開層后回采上分層礦柱，充填時利用分層道預留的充填井接入充填管即可完成充填。盤區雙分層道布置方案如圖2所示。

圖2 雙分層道布置

該回采方案將每個盤區(長度100 m，寬度為礦體厚度)劃分為若干采場(采場長×寬=50 m×50 m，采用雙分層道布置結構)，分層道可靈活布置在垂直或沿礦體走向的采場兩端，分層道規格為4 m×5 m(寬×高)的矩形斷面；進路垂直分層道布置，進路規格為底寬4 m，腰寬6 m，高5 m的六角形水平進路。采場每分層比上分層底板標高下降2.5 m開層，回采結束后每2～4條進路充填1次，充填時利用預留的充填回風井接入充填管即可完成充填。第一層回采過程中，必須嚴格按設計控制好進路的規格、方向和長度，第二層回采時即可根據揭露的上層充填體位置回采。進路的規格、方向、長度都受到上層充填體的控制，可以大大減少進路超高、超寬及方向打偏的現象，提高了采場的生產效率。

雙分層道布置方案有采礦方法靈活性高、作業面多、適合大型采裝設備使用等優點，保留了傳統六角形進路回采強度大、在不規則礦體中易布置采場、施工方便，開層速度快的優點。

3 六角形進路參數選擇與穩定性分析

3.1 大斷面六角形進路參數選擇

3.1.1 六角形進路兩幫坡角

六角形斷面的合理性主要是分析幫坡角對頂板度的寬度影響程度。在進路間距L固定的情況下，幫坡角越小頂板寬度就越小，頂板就更安全。幫坡角最小坡度應確定為礦石的自然安全息角42°，因為幫坡角小于自然安息角就會給進路回采的礦石運搬帶來難度。在此情況下進路頂板寬度最小，進路充填體的鑲嵌結構最為明顯，進路頂板就最安全。但是此時使得進路上半部充填體幫坡角也最小，如果接近頂板坡度0°，可視同為幫變頂，頂幫安全性或礦柱承載能力最差。當幫坡角達到最大90°時，進路為矩形斷面，進路頂板寬度為最大，存在拉應力區，容易出現脫層，頂幫轉角應力集中區系數大，進路兩幫容易出現拉應力破壞片幫傷人，巷道穩定性較差。

綜上所述，合理幫坡角應在45°～90°兩種極限角度之間，在此區間有一特殊角即等邊六角形，對應的幫坡角是60°。等邊六角形斷面在靜水應力場中是最佳斷面，但在進路式采場中的次生應力場中進路承受的是垂直應力，只有在邊緣進路的邊緣幫同時在承受水平和垂直應用。為了提高礦柱承受垂直應力的能力，應盡量增大礦柱的厚度，即增大幫坡角角度。因此，進路幫坡角應大于60°。考慮到充填體形成鑲嵌結構，增加充填體自身承載能力，幫坡角不應大于70°，所以幫坡角應選擇在60°～70°之間。

3.1.2 六角形進路斷面高度

龍首礦六角形進路高度，在普采采場中由于不受采礦設備的限制，其高度主要是考慮施工方便程度和人工檢撬的合理高度以及采礦效率的發揮，選擇4 m的進路高度比較合理。但在機采盤區進路高度選擇6 m，主要是為了保證采礦設備在分層道順利通過。6 m高的進路給施工、撬碴帶來了不便。因此機采采場的進路高度應選擇4～5 m為宜，采場在布置形式上采用“雙分層道布置方案”和“單分層道回填方案”，使分層道高度與進路一致，可方便大型設備的使用。

3.1.3 六角形進路斷面寬度

進路寬度就是進路間距，如果間距愈小，進路寬度就愈小，當進路寬度小于高度時，其內切(或外切)橢圓的長軸方向與垂直應力方向一致，有利于承受垂直應力，使得進路頂板穩定狀況較好，但此狀況礦柱太薄弱，不利于分解頂板垂直應力的轉移。如果間距愈大，進路寬度就愈大，當進路寬度大于高度時，其內切(或外切)橢圓的長軸方向與垂直應力方向垂直，不利于承受垂直應力，增加頂板拉應力區，造成不安全隱患。因此，應選擇進路間距等于或近似等于進路高度，這樣進路內切(或外切)橢圓就近似于圓，對承受地壓最為有利(見圖3)。同時，進路寬度的選擇還應滿足采場運搬設備要求。采場設備以鏟運機對進路寬度要求最為重要，進路寬度太小，鏟斗對進路斜幫破壞最大，容易鏟掉底幫，將斜幫變為直幫，使進路呈“凸”字形結構。應該選擇設備與進路幫的間距接近1m，才能方便設備的作業(見圖4)。

綜上所述，在正常回采情況下，最終選擇的龍首礦西采區大斷面六角形進路參數為：頂、底寬4 m，腰寬為6 m，高度5 m。選擇的大斷面六角形進路不僅滿足采礦設備的使用要求，而且還有利于進路采場的穩定。圖5為調整后的六角形進路采場。

圖3 六角形進路高度與寬度對比

圖4 鏟運機與進路寬度對比(單位：mm)

3.2 六角形進路穩定性分析

為了分析大斷面六角形進路的穩定性，在礦山工程地質研究的基礎上，采用FLAC3D軟件建模，進行大斷面采場的穩定性分析，由此得到以下結論。

(1) 六角形斷面合理參數遵循兩個比例關系：一是進路高度與進路底寬之比為1.5～2.0，并盡可能取小值，以增大進路側邊角，利于礦石自溜，保證鏟運機出礦順利；二是進路腰寬與進路底寬之比為1.2～1.3，并盡可能取值小于1.25。進路高度5 m適用于雙分層道、單分層道墊礦結構。

(2) 當六角形進路的頂、底寬均為4 m，腰寬為6 m和高度為5 m的大斷面六角形進路，圍巖的應力集中系數相對較小，采場穩定性較高，由此可以布置雙分層道采準形式，提高采場機械化生產程度。

3.3 六角形斷面進路形成

針對傳統六角形采礦形成假頂周期長、勞動強度大的弊端。提出了首層采用隔一采一的方式，第二層回采結束后直接開幫形成六角形的雛形，第三層形成標準六角形斷面的方法。根據下向六角形進路式充填采礦方法工藝特點，并結合龍首礦地質條件的特殊要求，第一層、第二層和第三層的采準切割和回采工藝各不相同。第一層為中段首采分層，承載較大的地應力，頂部是原巖，采用半圓拱形斷面加強支護；第二層是過渡層，負責銜接首分層和標準的六角形斷面進路；第三層形成全面人工假頂，進入正常有假頂六角形斷面回采階段。

3.3.1 首層進路回采布置

首層開采進路斷面規格為5.0 m×4.0 m(寬×高)，斷面形狀為直墻半圓拱形，分層道斷面規格為4.0 m×4.0 m(寬×高)，斷面形狀為直墻半圓拱形。分層道采用全斷面雙層噴錨網支護，噴層厚度200 mm；進路采用單層噴錨網。錨桿采用Φ18螺紋鋼，長1.8 m，排間距1 m，網片采用Ф6.5 mm的圓鋼點焊而成，網度150 mm×150 mm，墊板為200 mm×200 mm×10 mm的鋼板，噴射混凝土厚度為200 mm，強度C20。

3.3.2 第二層進路回采布置

第二層下降層高2.5 m，穿脈分層道斷面規格為5.0 m×4.5 m(寬×高)，進路斷面規格為4.0 m×4.0 m(寬×高)，斷面形狀均為直墻半圓拱形。進路充填前對兩邦礦柱進行開幫，開幫位置在首層充填體以下，開幫深度1.0 m，形成底寬4.0 m，腰寬6.0 m的倒梯形(見圖6)。沿脈分層道規格為4.0 m×4.0 m(寬×高)，斷面形狀為矩形，由于充填前進行了礦石回填，開層后要徹底處理頂板的粘夾礦。

穿脈分層道采用全斷面雙層噴錨網支護；沿脈分層道掘進時對2.5 m以下原巖邦進行單層噴錨網支護，2.5 m以上由于在上分層已進行噴錨網支護，素噴加強支護；進路開口至5 m段位置及相鄰柱礦進行單層噴錨網支護，5 m以后拱頂部分采用單層噴錨網支護。在作業過程中對錨桿注漿和噴射混凝土施工質量及安全狀況加強檢查，若發現混凝土裂縫或脫層及時采用金屬拱架或架設抬棚支護。錨桿采用Φ18螺紋鋼彎勾錨桿，長1.8 m(含彎勾)，排間距為1 m,網片采用Ф6.5 mm的圓鋼點焊而成，網度150 mm×150 mm，噴射混凝土厚度為素噴50 mm；單噴100 mm；雙噴200 mm，強度C20。

圖6 第二層進路

3.3.3 第三層進路回采布置

穿脈分層道斷面規格為頂、底寬4 m，腰寬6 m，高5 m的六角形斷面，兩幫原巖采用素噴支護。進路規格為頂、底寬4.0 m，腰寬6.0 m，高5.0 m的六角形斷面(見圖7)。鑿巖時按設計好的眼位布置畫好輪廓線、標定眼位，鏟礦時嚴禁破壞進路兩幫，確保規格。進路開口5 m后，對相鄰進路之間礦柱及進路開口5 m段原巖幫采用單層噴錨網支護，錨噴支護參數同上。

圖7 第三層進路

人工假頂形成過程中，第二分層回采是形成進路規格質量的關鍵。第二分層充填體是第三分層進路的上側灰幫，第三分層進路回采時易根據灰幫定方向，當第二層方向有偏差，超挖欠挖時，勢必影響第三分層進路規格質量。

通過該方法，第一層施工時為純無假頂作業，第二層施工時只有頂部需要噴錨網支護，作業效率已經大幅度提高，第三層轉入正常有假頂進路回采，假頂形成時間只有傳統方法的一半，為采場的提前達產奠定了基礎。

4 六角形進路爆破控制技術

傳統六角形采礦方法中，進路高度為6 m，由于配套設施的不健全，在實際生產過程中，全掌子一次裝藥爆破非常困難，通常分上下兩次鑿巖爆破，先爆下部，后在礦堆上對上部進行鑿巖爆破，多一次通風除塵時間和輔助作業時間，降低了作業效率，增加了爆破成本。為此開展了六角形進路爆破參數優化和控制爆破技術研究。

進路式回采落礦類似于巷道掘進，只有一個自由面，受圍巖夾制力大，單循環爆破進尺小，落礦少，作業效率低。遇硬巖難爆礦體，爆破效果進一步惡化，循環進尺甚至不足1.5 m，嚴重影響生產效率，增加生產成本。爆破落礦作業中，鑿巖輔助工作時間基本不變，若增加單循環進尺，則邊際效益非常明顯，因此提高單循環進尺，提高單循環落礦量，是高效采礦的重要保證。

根據西采區實際情況，針對礦體可爆性，制定不同參數的爆破試驗，根據礦體可爆性簡要分為難爆礦體與易爆礦體試驗。

(1) 方案1(見圖8)。2個傾斜孔和8個孔楔形復式掏槽。

1#炮孔向上、2#炮孔向下傾斜，與工作面角度為65°～75°，孔口距0.4 m，作為第一步起爆掏槽眼，拋出少量碎礦，主要起松動礦石作用，為楔形掏槽創造有利爆破條件，采用一段雷管；由于從上往下，受夾制力越來越大，越難以起爆，楔形掏槽眼水平距離由大變小。3-10#楔形掏槽眼水平朝中間傾斜，與工作面角度65°～75°，3#、7#炮眼水平距離1.4 m，6#、10#炮孔水平距離為1.0 m，3#～10#眼為第二步起爆掏槽眼，形成槽腔，為后繼起爆創造自由面，采用三段雷管；輔助眼采用五段雷管，周邊眼采用七段雷管；底眼距底0.2 m，頂眼距頂0.4 m，上側周邊眼距邊界0.3 m，下側周邊眼距邊界0.2 m。輔助眼眼距0.6～0.8 m。

圖8 方案1布眼示意

(2) 方案2。8個孔楔形掏槽方案。方案2比方案1少中間兩個掏槽眼，其他參數一樣。

(3) 方案3。6個孔楔形掏槽方案。方案3在方案2基礎上減少兩個掏槽眼，輔助眼與周邊眼數目不變，輔助眼位置稍作調整，使之分布均勻。

根據3個試驗方案的試驗結果表明，在硬巖礦體中，方案1最優；在軟巖礦體中，方案3最優。根據實際礦巖條件采用優化爆破方案，炸藥單耗降低14.6%，循環進尺提高21.1%。

5 結 論

(1) 發展新的分層道布置形式，使回采工藝更加靈活。研究提出了單分層道回填布置方案和雙分層交錯布置方案，改變了以往采場分層道只能布置在穿脈方向，采場必須采用后退式回采的問題。通過切割工程的多向布置，將采場劃分為若干個回采區間，實現了采場回采區、備采區和充填區的分離，使作業方式更加靈活，一個采場內可同時作業的工作面大幅度增加，為提高生產能力創造了有利條件。同時，將穿脈分層道規格調整為與進路相同規格參數，當穿脈分層道頂板出現異常情況時，可對穿脈分層道充填后將相鄰進路作為分層道，解決了傳統方法分層道位置無法改變的問題。

(2) 實現進路與分層道等高，采礦生產更加安全高效。實現分層道和進路等高，避免了進路開口必須使用手動鑿巖機挑頂的弊端，減少了作業環節，提高了作業安全性，便于鑿巖臺車連續作業，可充分發揮大型設備的優勢。同時也有效解決了傳統方法炮煙在進路上半部分聚集，自然通風無法排出進路上半部分炮煙，經常需要用高壓風吹炮煙的問題。

(3) 通過數值模擬和現場試驗優選斷面參數。通過數值分析，選擇六角形進路斷面參數為頂、底寬4 m，腰寬6 m，高5 m。該進路參數與機采設備配套，施工效率高，安全性好。

(4) 快速形成人工假頂，縮短了采礦時間，采取產能穩步提高。根據下向六角形進路式充填采礦方法工藝特點，并結合龍首礦地質條件的特殊要求，回采第一層、第二層和第三層的采準切割和回采工藝各不相同。通過本次研究，第一層施工時為純無假頂作業，第二層施工時只有頂部需要噴錨網支護，作業效率已經大幅度提高，第三層轉入正常有假頂進路回采，假頂形成時間只有傳統方法的一半，為采場的提前達產、提高效益奠定了基礎。

(5) 大幅度提升采礦安全標準化水平。進路與分層道的等高布置減少了進路開口的挑頂環節，實現了臺車連續作業，避免了挑頂造成破壞充填體或形成粘夾礦帶來的安全隱患。切割工程的多向布置，將采場劃分為若干個回采區間，實現了采場回采區、備采區和充填區的分離，減少了充填作業和回采工作的相互干擾，為采區標準化的提升創造了良好的條件。

(6) 降低采準切割工程，提高貧礦經濟效益。直接利用現有系統工程，每隔垂高20 m不再掘進充填回風道，直接利用充填回風井接充填管進行充填，減少了大量掘進量，縮短了層回采周期。傳統方法分層道斷面小，掘進炸藥單耗高于進路回采單耗，分層道和進路等高后，施工條件相同，炸藥單耗也相應降低。西采區合計每分層可減少掘進量900 m/5200 m3，節省采礦成本380萬元；降低萬噸切采比15 m/萬t，降低26%。按設計產能165萬t/a計算，每年回采2.8層，可節省采礦成本達到1064萬元/年。

[1]楊 震.金川公司龍首礦西采區貧礦開采地質資源研究[J].湖南有色金屬2007，23(2):5-6.

國家高技術研究發展計劃項目(SS2012AA062405).

2014-06-09)

王永定(1964-)，男,大學本科，工程師，甘肅秦安人，主要從事充填采礦技術與管理工作，Email：1205453179@qq.com。