銅山口銅礦空場嗣后充填采礦法采場采切方案優化

朱先艷

(大冶有色金屬有限責任公司銅山口銅礦， 湖北 黃石市 435122)

銅山口銅礦露天開采于 1984年上半年正式投產[1]，至今已連續開采了近36 a，現為過渡期露天地下聯合開采。選礦車間經 2018年更新改造球磨及浮選設備后，選礦回收率由原來的 79%提高到85%，實際采選礦處理能力由原來 1200 kt/a達到1300 kt/a，主產品為礦山銅[2]，年生產礦山銅 6500 t。

銅山口銅礦床是高—中溫熱液接觸交代矽卡巖型、以銅金屬為主的大型礦床。礦石結構主要有自形-半自形與他形粒狀結構、交代與交代殘余結構、壓碎結構，其次還有網狀交代結構、脈狀充填結構及邊緣交代結構等。具有星點浸染與細脈浸染狀、致密塊狀、網格及交錯狀構造。礦石、圍巖平均體重分別為2.96 t/m3、2.80 t/m3。主要礦物有黃銅礦、黃鐵礦、輝鉬礦；次要礦物有黝黃鐵、斑銅礦、磁黃鐵礦、白鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦；稀少礦物有藍銅、輝銅礦。成礦嚴格受接觸帶、層間構造控制，礦體間互聯，形態比較復雜，分支復合、尖滅再現多。銅山口銅礦床水文地質條件屬復雜類型，地表有一條流經礦區的銅山口河，河水通過裂隙、斷層、溶洞直接通至地下，河水與地下水為互補關系，地表水能補給地下水。銅山口銅礦床工程地質條件屬中等類型，圍巖巖性較復雜，礦體頂底板大理巖、巖漿巖、矽卡巖兼有，地質構造發育，巖溶作用程度由中到強，蝕變強烈，礦體及圍巖巖石力學強度變化大，矽卡巖單軸抗壓強度范圍為1.3 MPa～201.9 MPa，巖漿巖為39.5 MPa～236 MPa，白云巖和大理巖為56.8 MPa～114.5 MPa。在礦區附近有2條縣級公路和316國道，交通十分方便，還有大量的良田需要保護。目前地表充填站有2套充填系統，分膠結、非膠結。每套有1個1000 m3立式砂倉，膠結充填系統有2個200 m3立式固結料倉，日最大充填量為1700 m3/d，最大充填倍線6.8。露天地下聯合開采時在-58 m至-100 m標高之間的礦石被留作隔離保安礦柱；深部工程開采主要對象有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ號礦體[3]，采用主副井+輔助斜坡道聯合開拓方式[4]，采礦方法有沿走向、垂直走向的分段空場嗣后充填采礦法[5]、上向式水平分層充填采礦法。現在生產中段有-100 m中段、-160 m中段、-220 m中段、-280 m中段。其中-100 m中段、-220 m中段為無軌副中段[6]，其余兩中段為有軌生產運輸中段，-340 m中段、-400 m中段準備地質詳查。

-160 m中段N529采場位于北緣西邊，開采對象是Ⅰ礦體，礦房長度41.8 m，礦體在-142 m分段、-127 m分段、-112 m分段、-100 m中段水平厚度分別為28.7 m，12.55 m，8.3 m，9.2 m，在-142 m分段、-127 m分段夾石厚度分別為2 m，4.8 m，礦塊內-112 m分段以上無夾石；礦體傾向SW28°，傾角55°～65°。上盤是花崗閃長斑巖f=6～8，下盤是大理巖f=10～12。矽卡巖含礦f=8～10，Cu地質品位1.28%。銅山口銅礦始于2010年9月建設深部工程，2015年初投產。N529采場因在一、二分段礦體厚大，當時地表充填系統還未建成，新建采場少，為早日完成投產任務，在-160 m中段N529采場生產探礦結束后，分上下盤2個礦塊進行回采。先用上向式水平分層充填采礦法回采下盤斜三角形礦體，后用分段空場嗣后充填采礦法回采上盤礦體。用淺采回采靠下盤礦體，一分層用淺采方法從下盤掘拉底巷道，到頂后擴幫拉底至設計位置，再挑頂高到3.5 m。拉底分層回采礦石8.16 kt，采空區暴露面積過大，約為700 m2，時間長頂板安全性會變差，所以必須盡早充填采空區。根據采場實際情況，分段空場嗣后充填采礦法生產能力大，能連續充填，決定用此采礦法先回采上盤礦體；待回采完上盤礦體后回采下盤礦體，下盤礦體作為殘采回收，其采礦方法為上向水平分層充填法。

1 第一分段采切方案初步預選

方案Ⅰ：下盤掘進少量采切工程，充填前在采空區兩端立木模板，靠上盤留寬3.2 m的空間也立木模板，在模板釘上過濾的麻袋，尾砂膠結充填后余下的空間作為出礦巷，方案見圖1。

方案Ⅱ：上盤掘進采切工程，充填前在采空區一端立木模板封閉，尾砂膠結充填接頂，方案見圖2。

圖1 方案I采切示意

圖2 方案II采切示意

2 采切方案比較

通過2個方案在掘進采準工程量、運礦距離、礦石損失貧化、采場建設時間、相鄰采場回采影響、安全性、充填準備時間進行的比較，最后選擇采切工程少、采場建設快、臺班效率高、作業安全、相鄰采場能同時進行采切工程施工的方案。

2.1 掘進采準工程量

方案Ⅰ工程量：有5條裝礦進路、溜井聯絡道，共計73.2 m，不包括共有的鑿巖巷道長度，在礦體內掘進時全部是副產礦。

方案Ⅱ工程量：有5條裝礦進路、1條出礦巷道及溜井聯絡道，共計 151.6 m，只有鑿巖巷道有副產礦，其余是廢石。

方案Ⅱ掘進工程量比方案Ⅰ長78.4 m。

2.2 運礦廢距離

方案Ⅰ利用 529溜井放礦，運礦平均距離為59.149 m；方案Ⅱ利用535溜井放礦，運礦廢平均距離為103.932 m。

方案Ⅱ運礦廢平均距離比方案Ⅰ多44.783 m。故方案Ⅱ柴油鏟運機運行時間長，油耗量多，現場污染大，臺班效率低。

2.3 礦石損失貧化

535 溜井負責N535、N537兩個采場放礦，若方案Ⅱ采切廢石倒入該溜井，礦石與廢石混合，在裝載過程中礦石與廢石隨之下放，相互混雜，分不清礦石與廢石，勢必會引起礦石損失貧化；若兩者不混合，溜井放空，易砸壞振動臺板，采場出礦和采切工程掘進相互干擾；若運到529溜井，運距變大，柴油鏟運機臺班效率低；而方案Ⅰ利用529溜井較為合理，運距小，采切工程均設計在礦體內，副產礦均是礦石，不存在混雜問題，不可能造成礦石損失貧化。因此，方案Ⅰ的礦石損失貧化較小。

2.4 充填準備時間

方案Ⅰ充填準備工作多，充填準備時間比方案Ⅱ多4 d左右。方案Ⅱ的充填準備時間較短。

2.5 相鄰采場回采影響

方案Ⅱ在535采場內運輸礦廢石，535采場第一分段中深孔爆破只能在 529采場回采結束后進行，影響相鄰535采場建設；方案Ⅰ正常進行527采場采切、回采，掘進廢石運到527溜井，礦石運到529溜井，礦石廢石分運到不同的溜井，沒有混雜，不存在引起副產礦損失貧化問題，不影響 527采場建設。

2.6 掘進作業安全性

方案Ⅱ采切巷道布置在上盤斑巖內，頂板不安全，極有可能發生頂板片幫冒落現象，巷道需全部噴射強度C15以上、厚度至少達100 mm的混凝土，甚至局部需錨網噴聯合支護。方案Ⅰ采切巷道布置在下盤礦體內，掘進時周邊眼采用光面爆破[7]，頂板穩固，不需采用任何支護方式，只要先用天井鉆機從-160 m～-100 m掘通529溜井，靠分段巷道將529穿磚墻密封，新鮮風流經掘進作業面后，爆破產生炮煙、柴油鏟運機產生有毒有害氣體、爆破后的粉塵等，快速排到-100 m無軌副中段，這樣能有效解決一分段掘進時通風問題，創造舒適的勞動條件，保證井下工作人員的健康與安全[8]。方案Ⅱ先施工鑿巖巷道，再施工切割井，工期大約3.5 m。在此期間，始終是獨頭巷道掘進，在巷道內長時間用局扇通風，作業環境不大好，作業時產生的有毒有害氣體稀釋擴散速度慢、粉塵排出慢，直到打通切割井才能解決通風問題。在間柱磚墻密封，新鮮風流經掘進作業面后，污風經切割井上行回到-100 m無軌副中段。采切工程完工后拆除磚墻，鏟運機在此鑿巖巷道能出礦。經以上分析，方案Ⅱ的安全性比方案Ⅰ差。

2.7 采場建設時間

采場建設時間包括采切、中深孔鑿巖作業時間。方案Ⅱ掘進工程量比方案Ⅰ長78.4 m。掘進所需時間多1.44個月，巷道布置在斑巖內，工程量為75.8 m3/151.6 m，加上養護時間，至少需11 d。方案Ⅱ采切時間比方案Ⅰ至少長55 d。方案Ⅰ充填準備時間比方案Ⅱ多4 d左右。兩方案中深孔鑿巖作業時間相差無幾。方案Ⅰ比方案Ⅱ的采場建設速度快51 d左右。

2.8 切割工程

切割工程形成切割槽，為采場正常排中深孔，創造爆破自由面和補償空間。方案Ⅰ一分段切割井在上盤是垂直的，中深孔先垂直后傾斜；方案Ⅱ一分段切割井在下盤是傾斜的，中深孔先傾斜后垂直。兩方案切割工程的優劣沒有多大區別。

經以上幾方面的比較，除方案Ⅰ充填準備時間比方案Ⅱ多4 d左右、切割工程沒有多大區別外，在其他方面方案Ⅰ均優于方案Ⅱ。故選方案Ⅰ—下盤采切方案。

3 結論

銅山口銅礦N529采場有上盤、下盤2個采切方案，通過在掘進采準工程量、運礦距離、礦石損失貧化、采場建設時間、相鄰采場回采影響、安全性、充填準備時間等方面比較，最后選擇下盤采切方案，利用尾砂膠結充填后余下的空間作為出礦巷道，再設計并施工出礦進路，具有采切工程少，成本低，采場建設快，鏟運機臺班效率高，掘進作業安全條件好等優勢，該采切方案可為其他類似礦山提供參考。