南非某金礦深井開采技術探討

寧彥紅(鵬欣環球資源股份有限公司,上海200336)

1 前言

1.1 工程概況

南非某金礦位于南非西北省Klerksdorp 地區,是一個年采選100 萬t 的大型礦山,自1931年建成投產至今已有90年歷史,2000年最高生產能力149.66 萬t,產金15.448 t,采礦方法主要為全面法,7 個礦井最深已經開拓至2 325.9 m,一期工程1 000 m高度以上的30 個中段已經回采結束,目前進入二、三期工程。設計高度為1 000～2 200 m 的32～70中段,礦山開拓方式為礦體兩翼及中間布置1-7#豎井。

1.2 礦床開采技術條件

礦區氣候為典型的南非高原草原氣候,夏季氣溫22 ℃～34 ℃,冬季(5月～7月)平均氣溫為15.5℃,該地區氣候不會對該礦生產作業造成任何影響;礦區地形平坦,伴隨著一些起伏的丘陵,海拔在1 300～1 350 m。西北省是林波波河源頭(包括東流至印度洋的格羅特馬里科河)及奧蘭治-瓦爾河水系多條支流(如西流至大西洋的莫洛波河)的分水嶺,擁有大量的地下水儲備,該金礦開采深度在地下800～2 300 m[1]。

1.3 水文地質

礦區主要含水層火山熔巖風化裂隙弱含水層,發育于似硬結隔水層的下部,下伏為隔水性能強的火山熔巖隔水層。該含水層具有補給條件差,富水性弱,地下水為潛水,局部承壓。雖為礦床主要充水水源,但由于有礦床上覆火山熔巖相隔,且隔水層構造裂隙和斷層破碎帶既不含水也不導水,不會直接充水礦床;隔水層巖體穩定性強,也不會產生陷落柱,更不會有孔隙和巖溶通道。充水含水層地下水與礦床地下水水力聯系弱,間接充水礦床的水量小。礦區所有礦體雖然埋深于當地侵蝕基準面以下的深部,礦坑涌水無法自然排泄,但礦坑涌水量小,長期穩定在1 000 m3/d,因此礦區水文地質條件簡單。

1.4 環境地質

礦區位于卡普瓦爾(Kaapvaal)克拉通西北部,也是蘭德凹陷盆地西北部邊緣。自然(構造)地震頻度低、震級小,礦區附近2014年8月5日發生的5.5 級地震為誘發淺源地震,屬內力地質作用相對較弱的穩定區塊。礦區鉆孔巖心沒有餅化跡象,河流切割較淺,沒有陡崖和深谷地貌,井下開拓也沒有巖爆反應,說明沒有大的殘余應力聚集,屬非高原應力區。殘余應力低的穩定區塊有利礦山安全生產和建設。

礦區地形平坦開闊,沒有產生山巖開裂、崩塌、滑坡的地貌條件;礦床埋深大,上部巖體穩定性強,也沒有產生地面塌陷和開裂的工程地質條件;礦坑涌水量小,隔水層隔水性能好,礦坑排水和生產用水不會大幅度改變水循環條件和水化學環境。深部開采也不會引發水土流失、土地肥力減弱及土壤侵蝕等損壞土地問題。礦區環境地質條件良好[2]。

2 目前采礦方法弊端及采礦方法選擇

2.1 采礦方法弊端

隨著開采深度的增加,該金礦多年來形成的全面法回采已經很成熟,但是出現貧化率損失率偏高、回采礦量不足、采場出礦困難、工人勞動強度大、生產效率低下、機械化程度低、生產成本上升、原提升系統自動化程度低,不能夠滿足大規模采出礦生產等問題。

2.2 采礦方法選擇

礦山二期工程設計服務年限30年,二期工程控制的礦體主要是地下1 000～2 200 m,仍然是緩傾斜、薄礦體、礦巖穩固類型,生產能力120 萬t/年,經2020年補充深部勘探至地下3 000 m,深部仍然具有較大資源量。

針對本礦生產現狀,除了提升運輸工藝系統需要改造以外,采礦方法優化改進仍然是重中之重。根據現場調查,中深孔全面法開采,可以實現規模化生產,但是采切比增大、貧化率升高,不便于出礦和地壓管理,所以暫不考慮,全面法開采工藝如圖1所示。原有使用的長臂式全面法繼續保留,條件是在礦體厚度≥0.9 m 以上時,實行混采混出,貧化率符合設計要求;當礦體厚度＜0.9 m 時,改為削壁充填全面法,礦脈出現急傾斜時(極少數)選擇淺孔留礦法回采,根據礦脈厚度、工程進度、經濟合理性及充填空間大小進行調整施工,類比國內外同類礦山,經過充分論證,其他采礦方法尚不適宜本礦山。本文以削壁充填全面法為例進行試驗和論述。削壁充填全面法開采技術條件見表1。削壁充填全面法開采工藝如圖2所示。

圖1 全面法

圖2 削壁充填全面法

表1 削壁充填全面法開采技術條件

3 削壁充填全面法

3.1 削壁充填全面法回采順序

根據開拓工程布置、礦脈及礦塊的分布情況,因VCR 及EB 礦脈間距較近(2～15 m),開采順序為:首先開采上層VCR 號礦脈,然后開采下層EB號礦脈,Vaal 號礦脈距VCR 間距500 m 垂高,同時布置開拓工程。同一礦脈開采時要由上向下逐階段進行,每個階段沿礦脈走向前進式開采,礦房內也可以由下向上開采,同一礦脈的上階段開采結束后,其上中段作為下階段開采時的回風巷道,要求對回風巷道加強維護,確保通風暢通安全;當礦體厚度＞0.9 m 時,不需要削壁,直接選擇全面法回采(圖1),地下開采工藝流程如圖3所示。

圖3 地下開采工藝流程

削壁充填全面法回采作業順序:削下盤圍巖充填采空區—平場—鋪墊層—落礦—出礦,因為礦巖屬于穩固型,削壁圍巖可以靈活調整為上盤或下盤均可,根據礦脈厚度變化情況,也可以選擇第一次剝礦,第二次削壁圍巖,控制總采副不超過1.2 m(局部礦脈厚度＞1.2 m 例外);當礦脈厚度＜0.5 m,削壁圍巖厚度在＞0.7 m,采空區充填系數控制在80%以內,以保證充分的回采和出礦空間,圍巖需要排出一部分,充填圍巖過程選用ST600LP 低矮式鏟運機協助。

3.2 礦塊結構參數

礦塊沿走向布置,因礦脈緩傾斜(15°左右),中段高度不宜過高,選擇中段垂高30 m,礦塊長度80～200 m,礦塊寬度為礦體厚度,局部礦塊沿脈巷兼作出礦電耙道,巷道斷面為2.5 m×2.5 m,礦塊間留設2 m 間柱或點柱,采切比48.0 m3/kt。削壁充填全面法結構參數見表2。

表2 削壁充填全面法結構參數

3.3 鑿巖爆破

礦巖屬于穩固型,使用低矮式 Rocket BommerS1L 雙臂鑿巖臺車(或定制CMJ2-18)鑿巖,南非本地水壓鉆機HPS 協助施工,孔徑40 mm,排距與孔距均為0.7 m。為減少大塊,排間交叉布孔,眼深1.5～2.4 m,改變原來鑿巖深度1 m 及作業面布孔長度12 m 的參數,裝藥(條狀)0.4～0.6 kg/m,堵塞0.2 m 炮泥,用毫秒導爆管(1、3、5、7、9 段或2、4、6、8、10 段)起爆乳化炸藥,實行微差爆破,削壁圍巖用拋擲爆破技術,采礦過程用松動爆破落礦,圍巖充填采空區支撐頂板,礦石耙出,回采步距2 m 左右,大塊率控制在5%以內。礦巖也可同時鑿巖,但必須分層爆破,具體參數在生產過程以硬度系數變化進行調整。主要采礦設備見表3。

表3 主要采礦設備

3.4 出礦

采場內出礦,選擇5.5～55 kW 型電耙,根據運距選型電耙和調整位置,富礦段采場底板需要扒渣機協助清理(或水洗)粉礦;漏斗放礦,漏斗間距15～20 m,采場內耙礦距離逐步加長,局部需要增加第二臺電耙輔助耙礦(安裝于切割上山相應高度)。隨著回采高度上升,根據運輸巷位置,采場中間增加溜礦井放礦,漏斗或溜礦井放礦至礦車,牽引車將裝好的礦車運至井底車場(主運平巷3.5 m×3.5 m 雙軌道),礦石放入中段溜礦井,進入一期1300#礦倉,最后由箕斗提升出井,正在改造的6-7#礦井提升能力將達到6 000 t/d,采場回采、放礦結束,封閉該采場。

3.5 地壓管理

南非礦山地壓管理,要求具有專業資質的巖石工程師進行監管,每日監測地震、地壓及圍巖應力變化數據,研究地壓變化規律,超前預報及采取整改措施。該礦區有史以來有多次微震記錄,但不影響生產;井巷工程在開拓及回采期間極少發生巖爆現象,礦山建設初期有巖爆規律記錄,以調整施工時間段來躲避災害;在采區內首先施工切割巷、電耙硐室、上山通風天井,實現應力探測、釋放、轉移及采取管理措施;礦房內沿礦脈走向推進回采,即一側向另一側推進,有效控制了地壓管理。

3.6 采場通風

1-7#礦井已經開拓90年歷史,井底互相貫通,新鮮風流由7#礦井側面的服務井,進入千米以下的井底中段石門,通過運輸平巷進入出礦漏斗,再進入采場,通過人行通風天井,將污風排至上中段通風井,最后由6#礦井主風機抽出地表,各采場無粉塵和炮煙現象,通風效果良好。目前正常通風條件下觀測到的井溫正常(20～25 ℃),說明除一定強度的地溫梯度熱能外,礦坑其他熱能(礦體硫化物含量2%～5%,氧化反應熱和貫通性傳導熱)增溫很小,屬常溫礦床,沒有熱污染,也不會對井下生產工人的身心健康造成太大影響,2 300 m 以下新開拓工程,出現高溫＞29°現象,采用大功率風機傳遞通風,實現正常作業,目前沒有增加井下制冷系統。

3.7 井下排水

礦區各條豎井井底涌水量在1 000～2 000 m3/d,選用730 m-56 L/s 水泵(揚程730 m,電機575 kW)實行三級接替型排水,本地有停電現象,大型應急發電機組隨時待命,排水設備設施、水倉及排水能力符合礦井排水規范,每日排水量直接進入地表選礦廠,作為工業水源之一。

4 結論

(1)增加削壁充填全面法生產,克服單一采礦方法之弊端,調整機械鑿巖方式、鑿巖參數、礦塊結構參數,減少了廢石外出,不留礦柱,達到減少貧化率,提高回采率,延長了礦山服務年限之目的。

(2)削壁充填過程增加了采礦、出礦作業時間和成本,但是品位提高、減少了提升廢石成本和支護成本,供礦品位符合選礦回收要求,利大于弊。

(3)該采礦方法的改進,千噸采切比并沒有增加,實現了連續性回采,強化了頂板管理及地壓管理,在同類深井礦山具有參考價值。