極破碎礦體采礦工藝與鑿巖爆破參數優化研究

韓光照，李 春，馬賀雨

(嵩縣前河礦業有限責任公司， 河南 嵩縣 471433)

極破碎礦體采礦工藝與鑿巖爆破參數優化研究

韓光照，李 春，馬賀雨

(嵩縣前河礦業有限責任公司， 河南 嵩縣 471433)

針對前河金礦葚溝礦區Ⅳ號帶S礦體賦存條件差、上下盤圍巖破碎、回采難度大等問題，為延長礦山服務年限，增加可采礦量，在礦山原有充填系統的基礎上，通過充填系統工藝和設備升級，將塊石水泥人工充填系統改造為河沙水泥管道充填系統，對相應的下向膠結充填回采工藝進行了優化，并對回采鑿巖爆破參數進行了優化試驗。現場生產實踐結果表明：改造后的充填系統和下向膠結采-充工藝能夠滿足礦山安全生產需要，有效控制采場的穩定性和回采過程中的貧損率，為礦山Ⅳ號破碎礦帶S礦體的安全回采提供了技術支撐。

破碎巖體；下向膠結充填；回采工藝；鑿巖爆破

0 引 言

在地下金屬礦山開采過程中，隨著礦產資源賦存情況和開采環境的變化，高成本高風險的采礦方法逐漸被淘汰，充填采礦法應用日趨普遍。在過去的50年間，充填方法不斷的發展和創新，從傳統的干式充填等逐步轉變為水力充填和膠結充填等方法，其中對于破碎巖體條件下高價值礦體開采而言，下向進路膠結充填采礦法具有其獨特的優勢。

前河金礦作為國內典型的破碎巖型礦山，傳統的塊石水泥充填系統與回采工藝難以滿足礦山安全經濟高效開采的需要，2012年礦山開始通過與長沙礦山研究院聯合技術攻關，逐步改進了下向膠結充填系統與回采工藝，將原有的塊石水泥人工充填系統改造為河沙水泥管道充填系統，并在此基礎上改進下向進路膠結充填回采爆破等工藝，以達到安全、經濟、低貧損回采礦石的目的。

1 IV號礦帶S礦體開采技術條件

葚溝礦區金礦體賦存于F4斷裂構造帶中，F4斷裂對金礦體的空間分布、形態、產狀及規模具有明顯控制作用。

Ⅳ號礦帶在葚溝礦區西起75線，東至99線東30 m，橫貫礦區中部，區內控制長度1060 m；礦帶寬度6～52 m，平均24 m，總體呈現西寬東窄之勢。IV礦帶走向70°～100°，傾角平均68°。根據斷裂結構面特征，構造巖組合及蝕變礦化不同，Ⅳ號礦帶還可進一步劃分為南、北兩個次級礦帶，其中IVS礦體分布于73～84線，礦體長480 m，礦體探明標高-160～+556 m；礦體呈不規則脈狀、透鏡狀產于Ⅳ礦帶最下盤，走向55°～85°，傾向北西，傾角45°～80°，平均68°。礦體在79～80勘探線處走向55°左右，延伸至83～84勘探線處與IV3礦體復合；礦體頂部界面不規則，與圍巖界線基本清晰；底部界呈凸凹狀起伏，變化較大。礦體厚度0.2～4.8 m，平均厚度2.1 m，厚度變化系數55%，屬較穩定型；礦體結構松散較破碎，局部穩固，但上下盤圍巖屬于構造碎裂巖，糜棱巖，節理極為發育，節理面內多充填碳酸鈣，極不穩固。

2 下向膠結充填系統與回采工藝

2.1 充填系統工藝改造及比較

2.1.1 塊石水泥人工充填系統與工藝

前河金礦葚溝礦區在2012年之前使用塊石水泥下向膠結充填方法回采礦石。

采用塊石水泥充填方法需要拌料場地和專門的充填下料井(如圖1所示)，攪拌站2個，使用機車將水泥、沙子和塊石在地表攪拌站混合好，裝進礦車內，通過420 m平硐運輸到充填下料井后翻至井內，在需要充填采場所在的中段，通過漏斗將混合料倒運到礦車內，運輸至需要充填的采場充填眼，在充填眼處人工用水管往混合料內注水，注水后通過充填眼倒入采場。在采場內，由工人將充填料翻運、平整，達到一定高度后繼續充填下一個充填眼，直至將采場充填完畢(見圖2)。

圖1 塊石水泥人工充填系統

圖2 塊石水泥人工充填法回采

采礦礦塊走向長40 m，高40 m。在礦塊所在穿脈施工一條脈內行人溜礦井，在底部架設好漏斗后開始施工切割巷。切割巷通常預留5 m頂柱，也可無頂柱。切割巷規格高2.2 m，寬度根據礦體寬度變化而變化，但不超過2.0 m寬。以天井為中心沿礦體走向向兩端回采，回采縱深長20 m。切割巷施工至5，15 m位置時，需要施工充填下料小井，充填下料小井間距不能超過10 m，充填下料小井不僅能保證采場下料方便，還兼具通風和第二安全出口的作用。切割在施工過程中，底部需有0.3 m厚的碎礦石墊層。切割施工完畢后，進行充填。充填高度1.6 m。充填結束后開始回采下部分礦體。

回采作業面高度控制在2.2 m，寬度根據礦體寬度變化而變化，但不超過2.0 m寬。如果礦體仍有損失，可以在采場回采完畢后，后退式剝離礦體，但是總寬度不得大于3.5 m，而且需要木架臨時支護，防止片幫及冒頂。回采完畢后，需平整采場場地，保留0.3 m碎礦石墊層，然后按照充填標準進行充填。充填養護期7天過后開始施工下一分層。

該方法適用于葚溝礦區Ⅳ號帶內N、N2-1和IV3礦體，這3條礦體上下盤圍巖都較為穩固且礦巖蝕變明顯，采礦過程中不容易出現崩塌和片幫危害，而且大部分采場不需要支護。由于IVS礦體上下盤圍巖破碎，所以回采該礦體時，行人溜礦井不同于其他礦體可以施工在脈內，需要施工在礦體下盤穩固的圍巖內，通常行人溜礦井距離礦體在5～10 m，而且IVS礦體通常不能有沿脈充填巷，所以塊石水泥充填方法不適用于該礦體的采礦。另外，采用塊石水泥充填系統時存在著勞動量大、成本高、效率低、粉塵污染嚴重等問題，已經不能滿足礦山生產的需要，急需進行充填系統升級改造。

2.1.2 河沙水泥管道充填系統與工藝

礦山自2012年開始進行了充填工藝的改造，使用河沙水泥管道充填方法。河沙水泥管道充填是在塊石充填的基礎上進行了根本性的改變。首先在地表建設一個充填站，水泥、細沙、粗砂和水的比例全部由計算機控制，通過地面攪拌機攪拌后，由水泥砂漿灌注泵通過管道泵注至需要充填的采場。在設計過程中，主管道架設在原有的充填下料井內，通過三通連接至各個采場。

采礦過程中，切割巷施工至10 m位置時，再施工充填下料小井，東西進路各需要一個充填下料小井。采場回采仍然按照原先的采礦方法各規格進行回采。回采完畢后，采場進行平整，保留0.3 m碎石墊層，然后按照充填標準進行充填，充填高度要求1.7 m，也可以接頂充填。充填養護期7 d過后開始施工下一分層，河沙水泥管道充填系統與工藝如圖3所示。

圖3 河沙水泥管道充填法回采

2.1.3 充填系統工藝改造比較

河沙管道充填方法在前河金礦應用后，解決了IVS礦體回采的充填難題，直接將管道通過行人溜礦井送至采場，不設置充填下料小井，解決了整個IVS礦體的回采問題。改造前塊石水泥人工充填和改造后河沙水泥管道充填的優缺點比較為：

(1) 塊石水泥人工充填。其優點是塊石取料方便可就地取材和使用采下的廢石塊；粒度分級大，抗剪強度大。其缺點是勞動量大；充填周期長；充填料運輸路線長，需多次倒運；通過下料井下料過程中粉塵污染嚴重；水灰比難以控制主要靠工人經驗決定；采場需要特定的充填巷和充填下料小井。

(2) 河沙水泥管道充填。其優點是勞動量小；通過管道充填，無污染；水灰比通過計算機控制，精準無誤；充填高度穩定，可以達到技術要求；充填料通過管道直達采場；充填周期短，平均3～4 h。其缺點是充填結束后，需要大量清水沖洗管道，洗管水被排放到運輸巷道，需要二次清理。

2.2 下向膠結充填采礦法回采工藝及參數

前河金礦的下向膠結充填采礦法主要用于礦體傾角大，圍巖不穩固的礦體回采中。該方法是對礦塊自上往下分層回才、逐層充填，每一分層回采都是在上一分層人工假頂的的保護下進行作業，系統改造優化后的下向膠結充填采礦方案如圖4所示。

(1) 礦塊結構參數：沿礦體走向每隔40 m劃分為一個礦塊，礦塊長40 m，寬為礦體厚度，高為中段高度40 m，預留5 m頂住。

(2) 采準與切割：運輸巷布置在礦體中間為沿脈運輸巷，行人溜礦井也布置在脈內，礦體在從上往下分層回采過程中行人井逐漸被充填體包圍，而溜礦井則逐層消失變短。礦體回采過程中需先施工切割巷，切割巷頂距離沿脈巷底留5 m頂柱以保證沿脈巷穩固安全。切割巷以行人溜礦井為中心沿礦體走向向兩側經行施工，高度2.0～2.2 m，寬度1.5～2.2 m，施工至10 m位置時，施工充填下料小井與沿脈巷道貫通，規格1.0 m×1.0 m，充填下料小井不僅能夠方便下料，也為采場解決通風問題，提供了二個安全出口。切割巷施工完畢后需保留至少0.3 m碎礦石墊層，為下一分層回采提供松散自由面。

(3) 回采工作：礦體回采沿礦體走向進行，回采寬度為礦體寬度，最低不小于1.5 m。前河金礦礦體多為薄礦體，通常可以一進路回采完畢，局部超過2.0 m的礦體，可以在本進路回采完畢后通過后退式剝離礦體經行回采。回采高度控制在2.2～2.5 m，用淺孔落礦，人工出礦。回采過程中，根據回采后兩壁穩固性和人工假頂的情況，巷道采取木架支護，可采取單架、雙架或密集木架支護。回采完畢后需平整采場底部，且保證底部有0.3 m的碎石墊層，為充填做好準備。

(4) 充填：充填前需要在采場底部鋪設塑料薄膜、鋼筋網，需要架設封閉、充填管道和預留充填下料小井。在采場底部先鋪設塑料薄膜以防止充填料浸入底部預留碎石墊層，導致其凝結成塊，降低下一分層回采爆破效果。鋼筋網采用直徑12 mm的主筋和直徑為6 mm的副筋，網度為200 mm×200 mm，距離采場底部不得小于0.3 m。充填封閉采用木板封閉，在采場開口位置的巷道兩壁各施工3個孔深不小于0.8 m的炮孔，插入直徑為36 mm的螺紋鋼充當錨桿。然后用直徑20 cm的木材固定在錨桿上，再自下而上每隔0.5 m固定木材充當橫撐，用厚度為5 cm木板緊密地固定在需要充填的一側，最后使用土工布在木板上覆蓋一層，土工布要大于封閉1～2 m，將所有可能漏漿的位置全部封閉好，土工布的使用可以加快充填料的排水速度，有助于充填體的凝固。充填管道出料口架設位置不得小于采場長度的2/3。在充填下料小井的下口需要用木板制作一個高2.0 m，規格1.0 m×1.0 m的方框，外部用土工布包裹嚴實，以作為預留充填小井。充填結束后，下一分層至少經7個晝夜的充填養護后方可回采。

下向膠結充填采礦方法通過管道充填工藝改造后，能夠更好的服務生產，尤其是成功對回采IVS礦體起到了決定性的作用。在回采IVS礦體的實際施工過程中，發現按照原有的爆破參數對該礦體進行爆破作業時，對采場上下盤擾動大，片幫冒落嚴重，影響生產。所以想要更加安全高效的回采IVS礦體則需要更進一步優化爆破參數。

圖4 系統改造優化后的下向膠結充填采礦方案

3 回采鑿巖爆破參數優化試驗

3.1 回采爆破現狀分析

前河金礦IVS礦體礦巖條件十分破碎，且礦巖蝕變嚴重，一經揭露十分容易發生垮塌破壞等現象。根據現場工程地質調查結果可知，礦巖f系數小于6～8，礦巖體中均發育有4～5優勢結構面，結構面線密度超過23條/m，且遇水容易出現泥化現象，礦巖總體上屬于Ⅳ～Ⅴ，巖體質量總體上屬于差～極差，回采作業環境惡劣，進路式回采時巷道的自穩能力差。

前河金礦葚溝礦區采場回采進路一般為矩形斷面，進路巷道底板坡度為0°、寬度2.0 m、高度2.2 m，其斷面積約為4.4 m2，支護方式為坑木全斷面連續支護。設計回采一般為矩形斷面，采用YT-28氣腿式鑿巖機鑿巖，每次爆破進尺為2.2 m。當前爆破每一個循環炮眼數量，單個工作面循環炮眼數量為9個，排列方式為3×3網格排列，其中頂眼3個、輔助眼3個、底眼3個；炸藥類型為2#巖石乳化炸藥，且為柱狀藥，裝藥系數為0.8，單孔裝藥量約為1.35 kg。采用秒延期導爆管，反向起爆，按照起爆順序依次起頂眼、輔助眼和底眼，爆破順序簡單。

在采用上述爆破工藝參數的情況下，IVS礦體大部分采場爆破后，對頂板充填體保護較為完整，但采場上、下盤出現大面積的垮塌，導致后續支護作業困難、支護強度大且效果差，支護結構與上、下盤圍巖常出現較大的空洞，給實際安全回采作業帶來了較大的困難。

針對上述采場爆破現狀和存在的問題，本次在炮眼布置方式、裝藥結構、起爆順序等方面進行一些嘗試性的優化，以盡可能的減小爆破作用對上下盤圍巖的破壞，為后續采場支護創造有利的作用時間和空間，確保采場的支護質量和回采期間的安全。為此設計提出了多個技術方案進行實驗對比，通過多次對比，最終選擇矩形斷面多段邊界控制爆破+人工風鎬聯合回采技術方案進行推廣使用。

3.2 回采鑿巖爆破參數優化試驗方案

本方案回采作業是由控制爆破和人工風鎬回采兩步組成，其中爆破作業應將斷面控制在1.8 m×2.2 m左右，上下盤兩側人工回采厚度均為10～20 cm左右，試驗方案的炮眼布置如圖5所示。

本方案具體工藝、參數如下：

(1) 炮眼布置形式：與礦山目前布置形式一致，總體上為矩形斷面，但爆破斷面形狀調整為1.8 m×2.2 m。采用YT-28氣腿式鑿巖機進行鑿巖作業，炮眼深度為2.0～2.2 m，不設置專門的掏槽眼，頂眼需比其他眼超深0.2 m左右。

(2) 裝藥參數：試驗過程中采用不耦合裝藥，各炮孔的裝藥系統控制在0.6左右(即每孔均需裝填6個藥卷)，根據計算可知，工作面單個循環裝藥量為0.9 kg。

(3) 連線及起爆：打眼完畢后需采用高壓風吹眼，以清除眼內的巖粉等雜質。按照裝藥參數和導爆管雷管段別進行裝藥作業，裝藥過程中須采用木質炮棍進行填塞，且用力不能過猛，孔口填堵長度應不小于0.5 m。裝藥完成后，起爆采用秒延期導爆管，采用反向起爆，整個過程應嚴格按照相關規程要求進行，確保作業安全。

(4) 通風、出礦、二次人工回采和支護：爆破完畢后，加強采場通風，待工作面空氣指標安全達到要求后，便可進行人工出礦作業，待爆破礦石出至一定程度后，便可采用風鎬進行兩壁擴幫回采作業，擴幫回采的同時采用木材進行采場頂板及上下盤圍巖的支護加固作業，支護的總體要求是需保證采場上下盤圍巖能夠與支護結構緊密結合，避免較大體積空洞的形成。

圖5 試驗方案的炮眼布置

3.3 試驗結果及其分析

按照矩形斷面多段邊界控制爆破+人工風鎬聯合回采技術方案的炮眼布置、裝藥及起爆順序的設計要求，在前河金礦葚溝礦區S礦體現有采場進行了試驗對比，試驗采場選擇240-78采場。

240-78采場回采IVS礦體，該礦塊礦體程不規則脈狀，寬度在0.5～2.0 m，平均寬度1.5 m，礦體上下盤圍巖為構造碎裂巖，局部呈現糜棱巖化十分破碎，所以采場爆破后需要支護作業，每一茬炮回采周期2～3 d。按照矩形斷面多段邊界控制爆破+人工風鎬聯合回采技術方案施工，爆破后礦體基本爆盡，沒有殘眼，采場寬度1.2～1.5 m，上下盤受到擾動變形，但未出現塌方，在出礦的過程中，結合風鎬擴幫，將采場擴寬至1.8～2.0 m，擴寬后使用木架密集支護，防止片幫，直到支護到掌子面，為下一次爆破提供出安全的施工場地。

通過實驗對原有爆破方案和優化后的方案進行優缺點的分析：

(1) 原有爆破方案在爆破后對上下盤圍巖擾動較大，爆破時礦體上下盤出現大面積塌落；優化后方案周邊孔距離上下盤圍巖均有一段距離，且裝藥系數低，對上下盤擾動較小，爆破后一段時間內上下盤圍巖不會塌方，可以供工人及時出礦和支護。

(2) 優化后的爆破方案比原有爆破方案炮孔數量和導爆管數量均少3個；單孔裝藥量比原方案少0.45 kg；減輕了爆破人員的勞動量和爆破成本。

(3) 采用優化方案進行爆破后出礦人員需要用風鎬進行兩壁的擴幫回采作業，增加了勞動量。

炮孔裝藥需采用不耦合裝藥(即相鄰藥卷之間留有空氣柱或填充有炮泥隔離)，尤其是周邊孔，裝藥量和裝藥系數根據巖性變化可以適當的調整，以減小爆破震動對圍巖的破壞影響。采場在回采完畢后必須留有20～30 cm的碎礦石墊層，以便為下層的回采提供一定的擠壓補償空間，同時可增加對頂板充填體的保護作用。鑿巖時須檢查并處理兩幫和頂板的浮石，檢查鑿巖設備等是否正常，確保作業安全。爆破完畢后，加強工作面通風。出礦人員在采場空氣質量達標后，需要及時經行出礦，對兩壁風鎬擴幫和密集木架支護，每一茬炮出礦和支護時間不得超過3 d。

根據現場試驗的情況和優化后方案的優缺點比較來看，優化后的技術方案雖然增加了出礦人員的勞動量，但是降低了其他成本，關鍵是爆破擾動更小，給支護提供了充裕的時間，所以更加適用于前河金礦S礦體的回采。

4 結 論

在充分認識IV號礦帶S礦體開采技術條件的基礎上，通過對充填系統工藝和設備升級，將原塊石水泥人工充填系統改造為河沙水泥管道充填系統，同時優化確定了相應的下向膠結充填具體工藝、參數，并在礦山進行了生產實踐與應用。實踐表明采用改造后的充填系統和優化后的回采爆破工藝與參數等，能夠有效解決IV號礦帶S礦體回采過程中所面臨的開采條件差、礦巖破碎等各種問題，增加了礦山的備采礦量，延長了礦山服務年限，有效控制了地下回采過程中的穩定性和礦石的貧損率，其成果可在礦區范圍內類似條件礦體回采進行推廣應用，同時可為類似條件下充填法回采提供借鑒。

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韓光照(1976-)，男，河南嵩縣人，主要從事金屬礦山采礦工程、地質勘探的工作，Email：1946530832@qq.com。