觀天廠銅礦傾斜薄礦體開采工藝研究

林 友 尤本勇 董繼德 夏建波 文義明

(1.昆明冶金高等專科學校礦業學院，云南 昆明 650033；2.昆明賽特拉礦山工程設計有限公司，云南 昆明 650011；3.保山市民生安全評價有限公司，云南 保山 678000)

壁式崩落法主要用于開采頂板不穩固的緩傾斜薄礦體。采幅高度一般等于礦體厚度，但很少超過3 m[1]。經過多年的實踐應用，該法在對緩傾斜薄礦體的開采過程中有了很大的技術創新，使這種方法不斷得到改進，如沿礦體走向推進的直線長壁式單層崩落法、沿礦體走向推進的階梯長壁式單層崩落法、沿礦體傾斜上向推進的長壁式單層崩落法、沿礦體傾斜下向推進的短壁式崩落法、人工頂柱無底柱長壁式崩落法、人工底柱長壁式崩落法等，這些方法主要從采場頂板管理、降低生產成本、提高生產能力及作業面安全等方面進行考慮[2]。

觀天廠銅礦KTⅠ號礦體屬傾斜薄礦體，礦山自2012年開采以來一直采用傾斜下向推進短壁式崩落法開采。近年來，隨著礦石價位持續走低，礦山處于虧損狀態，原采礦方案存在作業勞動強度高、采礦效率低、生產能力低以及安全性差等一系列急待解決的問題。受企業委托，對其采礦方法進行了改造設計，采用了偽傾斜面布置采場的優化方案，即將原來的沿礦體傾斜下向耙礦改為偽傾斜耙礦方案，以此來降低電耙耙礦的傾角，確保安全出礦，同時亦提高了采礦工效等。此方案在該礦進行試驗并取得了成功，為采場頂板不穩固的傾斜薄礦體高效安全回采提供了一個有效途徑。

1 開采條件

觀天廠銅礦KTⅠ號礦體賦存于落雪組中下部白云巖中，產狀與圍巖近一致，傾向0°～30°，傾角29°～33°，平均30°，呈透鏡狀巖層產出，一般長幾十米至200 m，最長530 m，傾斜延深145 m，厚2.3～3.0 m，平均2.7 m，品位0.5%～2.0%，礦體地表無建筑及生活區等設施，允許崩落。礦石礦物主要有孔雀石、藍銅礦和黑銅礦。脈石礦物有白云石、石英、方解石、絹云母和鐵質等。

礦區地勢相對較高，地處區域分水嶺附近，區內無常年性地表水體和地下水泉點分布。各含水層主要在其露頭區接受大氣降水補給，屬地下水補給、徑流區部位，地下水埋藏較深，主要充水含水層地下水位低于開采標高。設計開采的礦體位于地下水位之上。但礦體圍巖為白云巖及白云巖強風化后形成的巖石風化殼，透水性強～中等，由于該地層裸露地表，部分礦層緊鄰斷裂(F2、F3)，因此，大氣降雨易滲入地下，可能對礦山地下開采造成不利影響。礦區水文地質條件屬簡單類型。

礦區地表廣泛分布的巖石風化殼厚度較大、強度低，礦山采礦主要在巖石風化殼中進行，通過現場觀測，巷道圍巖穩定性差、屬破碎巖體，易出現冒頂現象，需采用混凝土支護進行處理。地下采礦巷道等遭受片幫、垮塌可能性大。采場頂板的允許暴露面積小。嚴重威脅礦業活動的正常進行，對當地林地資源破壞較大，礦區工程地質條件復雜。

2 原采礦方案及主要問題

礦體圍巖主要為白云巖及白云巖強風化后形成的巖石風化殼，穩定性極差。礦山采用沿礦體傾斜下向推進的短壁式崩落法回采已有5 a多，見圖1所示。礦塊沿礦體走向布置，長24 m，頂底柱高均為5 m，開采工作線沿礦體傾斜下向推進，先沿礦房兩側分別掘2 m寬通風上山，自礦房中部掘電耙上山及電耙硐室，礦房頂部掘超前切割橫巷，再以電耙上山為作業空間，分別向兩側礦體鑿平行淺孔進行爆破，每次崩礦長度以3～4 m為宜，炮孔與上山中心線呈60°夾角，利用爆力將大量礦石拋向上山內，再利用電耙將礦石順上山耙至采場底部運輸巷道。左右遠端礦體回采時，由于距離電耙上山較遠，采下礦石需進行人工運搬或電耙轉運至上山內再進行接力耙運。

多年開采證明該方法存在的主要問題有：未拋入上山的殘留礦石量較多，約占60%，人工清理難度大，工人勞動強度大，需進行接力耙運，出礦效率極低，采場生產能力低；礦體傾角超過29°，電耙順礦體傾角耙礦，礦石滾動會對下方人員及設施構成威脅，安全性極差；需布置的上山多，采切工程量較大，采礦成本高，且工效低；由于采場左側上山被崩落頂板圍巖填堵，其回采時通風效果較差；崩落的頂板圍巖順礦體傾角向下因其自重及爆破震動等原因易形成滑動體，故為了確保安全，用于臨時支撐的木支柱需更加密集，木材消耗量有所增加。

圖1 原采礦方案Fig.1 Original mining scheme

3 采礦方案改進

3.1 改進要點

近年來，由于礦業經濟持續走低，銅金屬價格一直在低位徘徊，企業經濟效益較差[3]。為了避免原采礦方案存在的問題，更加經濟合理地利用銅礦資源，本次研究改進方案設計采用了沿偽傾斜面布置采場的長壁式崩落采礦方案，如圖2所示。

與原沿礦體傾斜下向推進的短壁式崩落法對比，具體做了以下3方面改進：

(1)采用偽傾斜面布置采場，避免崩落的圍巖形成易滑動體，減少了部分坑木耗材用量，將電耙耙礦傾角降低至25°左右，確保安全出礦。偽傾斜面與礦體走向夾角γ的確定方法如下：本次設計沿用原運輸巷道脈內靠下盤的布置形式，中段高度25 m。在AutoCAD軟件中以耙礦傾角β=25°，中段高H=25 m繪制直角三角形BED，采場立體示意圖見圖3。通過計算或量測得到采場有效長度L=59.2 m。當礦體傾角α為30°時，由于

故

同理可計算，當礦體傾角分別為33°和29°時，γ分別為51°和61°，即在生產中應視礦體傾角來控制偽傾斜面與礦體走向夾角的范圍在51°～61°內。

圖2 改進采礦方案Fig.2 Improved mining scheme

圖3 采場立體示意Fig.3 Stereoscopic drawing of stope α—礦體傾角；β—耙礦傾角；γ—偽傾斜面與礦體走向夾角

(2)采場長度增大，采準工作量減小，回采工作面采取階梯式布置，使鑿巖、支護、運搬3個工序同時作業，互不干擾，故采場生產能力大幅提高。

(3)回采礦石絕大部分可拋擲到作業面附近形成集中爆堆，便于出礦，可直接采用電耙進行運搬，人工清理工作量減少，勞動強度降低，工效提高，進而使采礦成本降低[3]；同時，將上中段電耙硐室與礦房于頂柱內掘通后作為回風聯絡道，兼作采場第2個安全出口，上下中段的電耙硐室偽傾斜交錯布置，這樣便于形成采場貫穿風流通風[4]。

3.2 礦塊布置及構成要素

設計沿用原運輸巷道脈內靠下盤的布置形式，礦塊沿礦體走向偽傾斜面布置，偽傾斜面與礦體走向夾角控制在51°～61°范圍內，采場沿走向長48 m，工作面斜長46～52 m，頂底柱斜長均為5 m，采場高度為礦體垂直厚度。取懸頂距6.0 m、放頂距4 m、控頂距2.0 m，以確保長壁工作面安全推進。采用偽傾斜上向階梯式回采，這樣可多工序同時作業，提高采礦工效和出礦能力；每次崩礦時應在立柱一側架設木板以防止礦石與采空區崩塌的廢石相混，以降低礦石貧化率。

3.3 采準切割

沿中段運輸平巷一側間隔6 m掘電耙硐室至采場拉底層，上下中段的電耙硐室偽傾斜交錯布置，上中段電耙硐室與礦房于頂柱內掘通。在采場內沿礦體偽傾斜面向上掘切割上山并與上中段運輸平巷貫通，在礦房底部沿礦體走向掘切割平巷，回采時從切割平巷開始沿切割上山由下往上分梯段進行。

3.4 礦塊回采

(1)鑿巖爆破。采用YT-28型鑿巖機打眼，孔深3.0～3.2 m，在布置炮眼時，應注意不要破壞頂板和崩倒支柱，同時需有利于安全生產、爆堆集中、減少礦石貧化及損失和便于電耙出礦。

(2)采場通風。新鮮風流從中段運輸平巷經上山、切割平巷到達回采工作面，清洗工作面后的污風經采場上部電耙硐室回風聯絡道進入回風平巷后排出地表。采場通風主要利用礦井的主風壓進行機械通風，在爆破后或需要加強通風時采用JK55-2NO4局扇通風[2]。

(3)出礦。每循環崩落的礦石采用2DPJ-15型耙礦絞車沿偽傾斜面耙運至中段運輸巷道內0.7 m3的礦車中[2]，用人力推運至坑外。礦體爆破前應在立柱旁安設木板與采空區崩落圍巖隔開，以降低礦石損失和貧化。

3.5 地壓管理

由于采場頂板圍巖穩固性較差，回采后需用木支柱進行支護，隨著長壁工作面的推進，采場頂板跨距增大，地壓也會逐漸增大。當推進到一定距離時要進行放頂，以釋放采場應力減輕地壓。撤柱放頂按照懸頂距6.0 m、放頂距4.0 m、控頂距2.0 m(即“采三放二留一”)的原則進行，以確保工作面的安全。放頂時應加密切頂支柱。采場內的木支柱可以用回柱絞車進行回收，回收時采用由下往上的順序進行，個別地方因地壓太大和安全情況差時也可以不回收，用爆破的方法炸斷立柱進行放頂。撤柱后如因頂板不能冒落時可以在控頂空間支鑿巖機，向切頂立柱外側打少量的炮孔裝藥用爆破進行強制崩落放頂。當礦山條件較好時也可以用桿柱配合立柱進行護頂，以減少木材的消耗[5]。采場回采完畢后，應封閉通向采場的各種通道，在地表設置采空區移動范圍警戒線標志。

4 綜合指標對比

針對觀天廠銅礦傾斜薄礦體開采時存在的問題，設計采用了偽傾斜面布置采場的優化開采方案，并在該礦進行了改進方案實踐后，證明此工藝在技術上可行，經濟效益有所改善。改進的采礦方案與原采礦方案綜合技術經濟指標對比如表1所示。

表1 綜合技術經濟指標對比Table 1 Comparison of comprehensive technical and economic indexes

通過與原方案比較，設計方案具有以下優點：

(1)千噸采切比有所降低，新設計的采準布置方案采場走向長度增大，礦量大大增加，且較原方案減少了1條采準上山，故采切比降低了5.4 m/kt。

(2)采礦效率有了明顯的提高，采礦直接成本亦明顯降低。新設計方案與原方案對比，鑿巖、支護、運搬3個工序可同時進行，其工時利用效率更高，有效作業時間得到提升，且減少了電耙接力耙運及大量的人工拋礦工作，每個采場只需8個工人生產，出礦能力可達108 t/d以上。采礦成本由原來的62.3 元/t降低至48.2 元/t，在礦山推廣運用后，經濟效益明顯有所好轉。

(3)爆破后通風時間明顯縮短，新的采準布置方案形成貫穿風流通風，其通風線路更為流暢，通風時間由原來的27 min減至13 min，同時還避免了原方案采場左側礦體回采時風流紊亂的問題。

(4)確保了采場出礦的安全[2]。通過偽傾斜面布置采場上山，根據礦體傾角計算，其與礦體走向夾角應控制在51°～61°范圍內，以確保偽傾斜耙礦傾角小于25°，避免耙礦時礦石滾動對下方人員及設施構成威脅，采場出礦、作業人員及設施的安全性得到了保障。

5 結 語

采用了沿偽傾斜面布置采場的長壁式崩落采礦方案開采觀天廠銅礦的傾斜薄礦體，較好地解決了礦山原采礦方案回采時出現的通風效果差、采切比較大、出礦安全性差、木材消耗大、采礦工效低及成本高等問題，使企業經濟效益有所好轉。此外，還介紹了該方案采場偽傾斜面與礦體走向夾角的確定方法以供參考。該方案在觀天廠銅礦的成功應用，表明其對傾斜薄礦體的高效安全回采具有較好的推廣價值及應用前景。

[1] 采礦手冊編輯委員會．采礦手冊[M]．4卷.北京：冶金工業出版社，2005．

Editorial Committee of Mining Manual．Mining Manual[M].Vol 4.Beijing：Metallurgical Industry Press，2005．

[2] 林 友，王連森，況世華，等．螞蟻鋅礦偽傾斜削壁充填法優化[J]．礦業研究與開發，2013，33(2)：1-4．

Lin You,Wang Liansen,Kuang Shihua,et al.Optimization of pseudo inclined waste-lifting stoping Mayi Zinc Mine[J]．Mining Research and Development,2013，33(2)：1-4．

[3] 夏建波，葉加冕，林 友．王家寨銅礦緩傾斜極薄礦體開采研究[J]．礦業研究與開發，2016，36(1)：15-18．

Xia Jianbo,Ye Jiamian,Lin You.Research on mining gently-inclined and extremely-thin orebody in Wangjiazhai Copper Mine[J]．Mining Research and Development,2016，36(1)：15-18．

[4] 林 友，葉加冕，王育軍，等.某鐵礦留礦與階段空場聯合采礦法應用[J]．昆明冶金高等專科學校學報，2013，29(3)：6-10．

Lin You，Ye Jiamian，Wang Yujun，et al.Application of shrinkage & block stoping method in a iron mine[J]．Journal of Kunming Metallurgy College，2013，29(3)：6-10．

[5] 采礦設計手冊編輯部.采礦設計手冊：礦床開采卷[M].北京：中國建筑工業出版社，1987.

Editorial Office of Mining Design Manual.Handbook of Mining Design ：Mining Part[M].Beijing：China Building Industry Press，1987.