山東金青頂礦區深部高應力急傾斜礦體開采方法研究*

李秋濤，趙興東，張洪山，于 虎，張姝婧

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山東金青頂礦區深部高應力急傾斜礦體開采方法研究*

李秋濤1，趙興東2，張洪山1，于 虎1，張姝婧2

(1.山東金洲礦業集團有限公司，山東 乳山市 264501；2.東北大學 采礦地壓與控制研究中心，遼寧 沈陽1 10819)

通過對金青頂礦區工程地質條件的分析表明：隨著礦山開采深度的增加，礦體內外環境發生一系列變化，礦山壓力逐漸增加，礦體賦存條件變得更加復雜，嚴重影響了采場的穩定性。為有效解決金青頂礦區深部礦體的開采問題，針對目前礦山采用的淺孔留礦嗣后充填采礦法、副中段淺孔留礦嗣后充填采礦法和上向水平分層充填采礦法分別進行比較，優選出適合金青頂礦區深部礦體開采的采礦方法。

金青頂礦區；深部采礦；高應力條件；急傾斜礦體；采礦方法

0 引 言

山東黃金股份下屬的金洲公司金青頂生產礦區于1971年投產，建礦初期生產規模為50 t/d，目前實際生產能力達到310 t/d。隨著礦山開采深度的不斷增加，礦體內外環境發生一系列變化，礦山壓力逐漸增加，礦體賦存條件變得更加復雜，嚴重影響了采場的穩定性[1?5]，礦巖接觸節理內部充填絹云母及石膏等充填物質，在水的作用下弱化、泥化，在采場爆破及采場活動作用下誘發冒落；同時，存在較大的1~5組節理，同樣在其成巖過程中，在節理內充填著絹云母及石膏等蝕變物質，在水的弱化作用下、泥化，在爆破、采礦活動以及地壓的作用下產生二次貧化。礦山現主要采用淺孔留礦嗣后充填采礦法進行開采，礦石損失和貧化較大，難以滿足安全、高效開采的要求。目前迫切需要對現有的工藝進行適當的優化調整，使之能適用開采條件的變化。

1 礦山開采現狀及存在問題

金青頂礦區位于膠東隆起東部的牟平~文登隆起南緣，牟平~乳山金礦成礦帶中部。金青頂金礦是目前該成礦帶上最大的金礦床。區內出露主要地層為太古界~下元古界膠東群魯東組底部和馬格村組中部地層，主要分布于礦區西部玉林店~午極一帶，呈北北東向的帶狀分布。主要巖性為斜長角閃巖、黑云斜長片麻巖、黑云變粒巖及大理巖等。區內斷裂發育，以北北東向為主。

經勘探和生產證實，礦區有十個礦體，II號為目前開采的主要礦體[6](見圖1)。II號礦體呈脈狀產出，以含金黃鐵礦石英脈為主，它賦存于4~19線間F3斷裂的轉彎處，賦存標高120~?807 m；長140~470 m，厚度1.5~2.5 m，最大厚度6.7 m；產狀為N20°E/SE∠85°~90°。礦體沿走向和傾向均呈反“S”型，上、下兩端比中部舒緩，剖面上比平面上開闊，深部礦體反“S”型形態更舒緩，趨于平直。礦體賦存于斷裂產狀由緩變陡處和走向拐彎處。礦體的直接賦礦圍巖為花崗巖和煌斑巖[7?8]。

圖1 金青頂礦II號礦體垂直縱投影圖

金青頂礦區原采礦方法為淺孔留礦嗣后充填采礦法，采場結構參數為：段高50 m，礦房沿走向布置，礦房長度為35 m，礦房寬度為礦體寬度，先回采間柱，后回采礦房，對采空區進行嗣后充填。通過對?585 m水平、?635 m水平、?685 m水平、?735 m以及?785 m水平的采場、底部結構、穿脈和充填工作的現場宏觀調查發現目前采礦存在諸多問題。

(1)從地質角度來看，與礦體平行的南北向垂直節理為控礦穩定性節理；節理內充填的蝕變礦物是造成圍巖破壞的直接影響因素。

(2) 在采礦過程中，由于平行礦體南北向節理組比較發育，而且節理內充填蝕變礦物，采場爆破施工對圍巖的擾動較大，因此，應盡量采取控制爆破，降低爆破震動對圍巖的擾動作用。

(3) 采場與圍巖之間的石英巖脈比較發育，并且存在很多節理裂隙以及小的溶洞，這些溶洞為導水通道；在調查的采場有淋水現象，基本上為上部充填采場內的充填水或者是附近采場充填水通過上述導水通道導水而形成的淋水，因而要進一步控制充填水的下泄問題。

(4) 充填體的自身強度不夠以及充填高度沒有完全接頂，易造成采場地壓的下傳，致使下部回采過程中采場地壓顯現明顯，應提高充填體的接頂高度以及充填體自身的強度。

(5) 隨著開采深度增加，地壓增大，目前在深部部分區段已出現塑性或者粘性變形，具有輕微~中等巖爆的傾向。采場進路圍巖破壞的主要形式為兩幫片落和劈裂(見圖2)，造成巷道此種破壞形式的主要因素是其構造應力與節理裂隙共同作用的結果。此作用結果造成采場地壓顯現明顯，采場上下盤圍巖片落，造成礦體的二次貧化，在采礦過程中，應盡量控制爆破對圍巖的擾動作用。

因此，應改變目前的采礦方案，根據礦體的產狀、賦存條件、頂底板的穩固性及采礦技術水平，結合礦山生產實際，參考國內外同類礦山生產經驗及發展趨勢，初步選擇適合金青頂生產礦區的采礦方法有：淺孔留礦嗣后充填采礦法、副中段淺孔留礦嗣后充填采礦法和上向水平分層充填采礦法，分別以?535~?585 m中段、?585~?635 m中段和?635~?685 m中段對3種采礦方法進行設計和分析。

2 采礦方法選擇

2.1 淺孔留礦嗣后充填采礦法

?585 m中段Ⅱ號礦體4#礦塊位于?585 m中段15線南16.2 m至15線54 m之間，長70.2 m，?535 m中段Ⅱ號礦體4#礦塊位于15線南21.8 m至15線北53.8 m之間，長75.6 m，礦塊平均長72.9 m。

礦體在?535 m中段廢石井北-3#出礦穿處向南出現兩條分支礦體(Ⅱ’號礦體)，二者間距為1.8~2.5 m，距Ⅱ號礦體最大間距4.5 m，長22.2 m。平均厚度2.96 m，平均品位11.28 g/t，礦石量2786 t，黃金含量 31.24 kg。

圖2 幫部片落和劈裂

Ⅱ號礦體上部接近直立，中下部反傾，傾向北西，傾角80°~85°；F1斷層貫穿整個礦塊，傾向北東，傾角45°，結構松散，易塌落。在?585 m中段對礦體錯動較大，斷距達8~10 m。并且Ⅱ號礦體被煌斑巖穿插嚴重，較破碎，影響開采；礦塊中裂隙較發育，淋水較大；礦巖系數：礦石8~16.7，巖石8~12。

采場沿走向布置，長72.9 m，寬2.68 m，高50.02 m，暫定留1 m頂柱(見圖3)，采準工程量見表1。具體施工時由采礦技術人員根據現場實際情況確定。

圖3 淺孔留礦嗣后充填采礦方法

回采期間，對局部破碎或節理發育的圍巖，采用管縫式錨桿或金屬網+錨桿聯合支護(錨桿網度1.0×1.0 m，長度1.6~2.0 m)，維護好兩幫圍巖。降低兩率的措施：回采期間須嚴格控制采幅，按設計的爆破參數施工，控制住炮孔方向，要求與礦體走向一致，打入圍巖深度不得超過100 mm；現場管理人員必須依據當月二次圈定的礦體指導采礦作業，以防止丟礦或混入廢石；盡量減少對上下圍巖的破壞，以免加大貧化；強采強出，減少廢石混入；對于采場中部的斷層在回采期間應根據現場情況選擇合理的支護方式，保證施工人員的安全。生產技術指標見表2。

表1 采準工程量

2.2 副中段淺孔留礦嗣后充填采礦法

?635 m中段Ⅱ號礦體06#礦塊位于?585 m中段17線北12.6~39.4 m之間，長26.8 m。?635 m中段17線北11~41.2 m，長30.2 m。礦塊平均長28.5 m。本礦塊由?585 m探礦沿脈平巷、?635 m中段探礦沿脈平巷及探礦穿脈、?635 m中段T1、T2天井、?635 m中段03#間柱和?604 m標高探礦沿脈平巷控制。

表2 生產技術指標

礦體為黃鐵礦石英脈、致密塊狀構造、礦體直立。在?635 m中段發育一條F1斷層、在T2天井3#~5#穿脈揭露將Ⅱ號礦體錯斷，水平錯距3 m左右，采礦時需注意。礦體比較連貫，在天井中揭露礦體上盤圍巖較破碎，采礦時需注意。礦巖系數：礦石8~16.7，巖石8~12。

采場利用輔助中段分段開采，先采?604 m水平以上分段，出礦完畢充填之后再采礦體下分段。上分段通過電耙出礦，下分段通過人工扒渣出礦。采場沿走向布置，上分段平均長24.5 m，寬1.4 m，高18.3 m；下分段平均長25.5 m，寬1.2 m，高27.2 m。是否留頂柱，根據開采情況臨時確定。工程量見表3。

表3 采準工程量

回采期間，對局部破碎或節理發育的圍巖，采用管縫式錨桿或金屬網錨桿聯合支護(1.0 m×1.0 m，長度1.6~2.0 m)，維護好兩幫圍巖。出礦結束后，空區全部進行尾砂膠結充填。生產技術指標見表4。采礦方法見圖4。

2.3 上向水平分層充填采礦法

?685 m中段Ⅱ號礦體02-03號礦塊位于F1斷層北，?685 m中段15線南32.5 m至北37 m，長69.5 m。?635 m中段15線北37.5 m至15線南32.6 m，礦體長70.1 m。礦塊平均長69.8 m。本礦塊由?685 m中段探礦沿脈、?635 m中段探礦沿脈及探礦穿脈、?685 m中段T6天井、?685 m中段Tf天井及天井穿脈控制。

圖4 副中段淺孔留礦嗣后充填采礦法

礦體為含金黃鐵礦石英脈，致密塊狀構造，礦體近乎直立；礦體比較連貫，圍巖中伴生有煌斑巖、圍巖比較破碎且開采深度較深，故開采期間應加強地壓管理；礦巖系數：礦石8~16.7，巖石8~12。

采場沿走向布置，平均長69.8 m，寬1.6 m，高48.10 m，采場頂部暫定留1 m頂柱(見圖5)，采準工程量見表5。生產技術指標見表6。采礦方法見圖5。

2.4 采礦方法選擇

通過上述分析比較可以看出，目前金青頂礦區急需解決的是礦石開采帶來的地壓問題，有效解決地壓問題，同時降低礦石的損失和貧化是當前開采的關鍵，在解決上述2個問題之后，研究如何保證礦石的穩產，確保礦量平衡。

表4 生產技術指標

表5 采準工程量

表6 生產技術指標

圖5 上向水平分層充填采礦法

從3種采礦方法的技術經濟指標統計(表2、表4、表6和表7)來看，上向水平分層充填采礦法礦石的損失率和貧化率低，但礦塊的生產能力和勞動生產能力低，尤其是在礦石運搬方面需要借助機械進行運搬，借以提高回采效率；采用副中段淺孔留礦嗣后充填采礦，工藝復雜，開拓采準工程量大，礦石的損失率和貧化率較大，故不推薦采用此采礦方法；淺孔留礦嗣后充填采礦在開采過程中，工效高，但礦體的上下盤圍巖不穩固，在大量放礦過程中，會造成礦石的損失率和貧化率大量增加。為有效回采礦產資源，且能夠確保礦體上下盤圍巖穩固，及有效控制深部礦石開采地壓釋放，推薦采用上向水平分層充填采礦法。為此，在?685 m水平至?785 m水平大部分礦體的開采，特別是在嗣后充填體形成的空區下方礦體的開采采用上向水平分層充填采礦法。

表7 試驗采場與其它采礦方法技術經濟指標對比

3 結 論

依據金青頂礦區深部的工程地質條件，分析了原采礦方法存在的問題，主要為深部地壓較大、巖體裂隙較發育以及采動對圍巖體的擾動，致使采場及巷道圍巖經常發生破壞。為有效降低礦石貧化和損失率，提出了3種采礦方法，并分別進行介紹和評價，最終確定上向水平分層充填采礦法，生產實踐證明其能夠有效降低采場的貧化率和損失率。

[1] 陳 勃.樺樹溝銅礦分段空場嗣后充填法采場穩定性研究[D].綿陽:西南科技大學,2018.

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[3] 張開新,王 平,裴明松,等.程潮鐵礦聯合開采采場的地壓分布與控制[J].金屬礦山,2016(5):11?14.

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[5] 趙之寶.淺談緩傾斜極薄礦體的采礦方法優化[J].世界有色金屬,2018(6):90+92.

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(2018?09?04)

李秋濤(1982—)，男，山東萊蕪人，工程師，主要從事采礦工程設計和研究工作。

國家重點研發計劃項目(2016YF0600803，2018YFC0604401，2018YFC0604604)；國家自然科學基金資助項目(51474052)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(N150102001).