金礦采礦工藝與采場穩定性分析研究

曲永貴

某金礦位于湖南省岳陽市平江縣萬古礦區西北部，礦區面積0.2083 平方公里，礦區為千古金礦21 號礦床東段，開采深度為220m ～+50m 標高。該金礦設計生產能力在每年生產礦石8.5萬t/a 礦石量。按照生產要求，采礦設計標高至+65m。由于無法系統地開展地質調查工作，礦山資源儲量未明確。采礦采用淺孔留法，貧化率高，安全工作不到位，重大生產安全事故發生率高。為了更好地利用礦山資源，提高效率，在保證礦山生產安全的同時，最大限度地提高產能，必須探索和自主創新適合金礦的安全有效的開采方式。

1 金礦開采技術及采場可靠性分析

削壁充填采礦法已應用于金屬礦山的開采，取得了良好的工程和經濟實用效果；明確提出采用機械自動化水平和分級削壁充填開采方法的實驗和研究，在極薄急傾斜的金礦床開采工作中，取得了良好效果，產量得到進一步提高；目前，采用削壁充填法開采桂花樹錫礦緩斜極薄礦體已取得成功；研究者對挖掘機加長臂切割充填法、斜分層切割充填法、向上切割充填法、扇形向上切割充填法、機械自動切割和填充方法等進行分析，進一步明確了削壁充填采礦法的應用效果。開采急傾斜、極薄礦體的實際效果顯著，提高了安全性能，大大降低了開采的損失率和貧化率。

基于上述削壁充填開采法在礦山生產過程中的成功開采經驗，建議選擇該法作為金礦極薄礦體的開采方式，并確定開采標高在+65m 以上，通過分析論證確定采礦技術參數，確保采礦工藝的優越性，為今后安全生產帶來保障。削壁充填法是一種用于開采極薄礦脈的干式充填法。先開采巖石還是先開采圍巖，應根據礦石巖石的物理性質和物理性質對開采方式加以明確。該采礦方法適用于賦存穩定、與圍巖接觸明顯、易分離的礦脈，圍巖無礦石或呈緩傾斜、急傾斜的極薄礦體。

2 巖石力學主要參數測試

為更加有效地評價金礦頂底板巖石水文地質標準，在李屋毛坡房村和海工灣瓦子房村的采場和巷道中選取了2 種不規則巖層標本，對148 組使用DH-1 點載荷儀進行點載荷試驗。根據對試驗過程數據的統計分析，對不規則巖樣點荷載、巖層抗拉強度σc、巖層抗壓強度指標值Is（50）、抗壓強度σt 進行了測量計算。由于巖樣規格受到抗壓強度指標值的影響比較大，為驗證得到的不規則巖樣I 值的準確性，選用數學回歸分析方法，分析樣品的總載荷（P）與芯徑（De）之間的相關性。并在回歸曲線上找到與De2=2500mm2配對的P50 值。根據計算公式I（50）=P/2500，得到點荷載抗拉強度I（50），進一步測得多元回歸分析結果σc 和σt。經比較，抗壓強度試驗分析的依據與多元回歸分析的結論一致。

測量金礦石軟巖的抗壓強度，單軸抗壓強度的測定是將采集的巖石試樣置于壓力試驗機上，以規定的加載速率（0.1mm/min）加載，直至試樣破壞，根據試件斷裂時增加的承載力P，可以用試件的橫截面A 來測量巖層的單軸抗壓強度S0。通常，表面單軸拉伸強度的測量值有很大的偏差。因此，為了獲得可靠的平均單軸抗拉強度抗壓強度值，每組試件數量不少于3 個。在測定巖石的抗拉、抗壓強度時，在進行巖石拉伸試驗時，將試件制成圓盤狀，放在壓機上進行壓裂試驗，實驗試件受集中承載力的影響。

3 巖石水文地質標準及質量評議研究

該礦的巖石水文地質標準、含量結構角礫巖和含量石英脈帶聚集在一起，常常位于淺層石英砂巖和冷家溪組平原組構造裂隙粉碎帶中，方向為西北偏西，趨勢為北東向，它的發生沿方向和趨勢發生了很大的變化，礦床長100m ～150m，厚0.3m ～1.2m。礦床內容物為構造角礫巖，除部分密實的硅質細粉砂外，一般為斷塊泥粉砂細砂，巖層太軟，結構松散，力學性能差。結構抗壓強度低。在頂部和底部，破碎石英砂巖多由構造振蕩產生，薄至0.6 ～6.95m，有的為斷塊糜棱巖，巖層軟，構造松散，水文地質不穩定。

礦體出露標高為200m ～230m。開采設計最低標高為-30m。礦體傾斜深度約200m，礦體走向長度約350m。礦體呈片狀、硅化，由構造角礫巖、含石英脈、含硅化碎砂石英砂巖組成。單個礦體最大金品位為6.28×10-6，礦體平均品位為3.66×10-6。設計海拔160m 以下，金礦品位相對穩定。礦體厚度0.35m ～10m，平均壁厚0.63m，礦體平均傾角63°，屬急傾斜極薄礦體。

新巖層密度高、硬度大，抗彎抗拉強度高，可靠性好。部分礦層頂部和底部裂縫的生長和發育導致巖層的堅固性降低。礦體軟巖為冷家溪群坪組二段第四巖段，多為淺灰色、淺灰綠色至灰綠色粉質砂質板巖和砂質石英砂巖。礦石巖石硬度好、密度高、透水性差。

根據金礦區地形地貌、礦巖分布及軟巖特征，結合巖層物理力學指標值，將金礦附近的軟巖（包括斜面和球面）根據其結構特點和組成規則進行劃分。在巖組中，斷裂調查的地點在礦體中心區-140m 沿脈的金礦上，砂巖群正斷層裂隙相對密度等值線及立體投影現場勘察如圖1 所示：

圖1 砂巖群正斷層裂縫相對密度等值線及立體投影現場勘察

該巖層為冷家溪群坪源組二段第四巖段（PT、P2-4），它是淺灰色和淺灰綠色變體，位于礦體的上部，該巖組的巖體結構具有粒狀結構、強度低的特點。重點生長發育9°∠83°、323°∠44°、56°∠55°3 組剪切節理，節理表面有石英脈、砂質填充物，平均體積接頭相對密度為16.28bars/m3，計算出的RQD 值為45.16%，整體硬度不高，可靠性一般。Ⅲ、Ⅳ級構造嚴重影響巖體的變形和破壞。如果金礦工程布置在此處的巖組中，應改進錨桿支護，避免巖體坍塌，礦石巖石群的關鍵物理力學性能為：RC=39.77-64.46MPa，Rt=1.54-2.49MPa。

4 采場安全開采技術標準分析

采場可靠性分析采用Mathews 法，基于穩定性指標N 和外觀要素（水力坡度）HR，可采用Mathews 法采場可靠性進行分析。

在分析過程中，已知參數Q′為調整后的Q 值；A 為巖層應力指數，細部巖體的雙軸抗拉強度與平行平面基坑開挖面較大誘導應力的比值；B 為節理方向指標，根據分區規劃，節理與采場面的相對方向明確；C 為重力調整指標，考慮到重力對采場裸露面的可靠性危害，如坍塌、滑移等，重力調整指標C 與采場面傾角有關，計算方法為C=8-6COS（采場工作面傾角的警示度數）。

調整后的Q 值如表1 所示。

表1 Q′值計算結果

此階段的坍塌不僅威脅采場工作的安全，而且增加了礦石的破壞和貧化率。因此，為保證金礦采場作業安全，必須改變目前的地下開采方式，采用安全程度高的削壁充填開采方式。

5 采場下盤錨桿支護設計

近年來，由露天開采轉為地下開采的礦山數量逐漸增多。例如，中國首鋼集團通州鐵礦、城鋼梅河口鐵礦、銅山銅礦、鳳凰山銅礦和廣西大新錳礦等：海外主要有巴西的科菲方丹鉆石礦、澳大利亞的蒙特雷爾銅礦和基德-澳大利亞的克里克銅礦。露天轉地下開采的突出問題之一是如何保證采場的穩定性，這也是影響地下礦山安全高效開采的關鍵因素。地下采場穩定性的關鍵在于采場軟巖體、開采內應力、采場外觀的工程特征，采場穩定性分析的關鍵是開采作業經驗法、基礎理論分析法和有限元分析法及其現場檢測方法。

Hutchinson 和Diederichs 根據楔形形塊拱（梁）的基本理論計算了錨索的間距，錨索將巖石變成具有自承工作能力的拱或梁，以抵抗巖石的彎曲變形。他們明確提出了可靠性指標值縱軸和水力半徑R 為錨索設計方案區間數據圖相同總面積的橫軸；根據現澆板結構加筋拱梁可靠度分析及上覆巖層重量計算，當錨索鋼筋的錨固長度超過破壞面積時，可以保證被破壞區域的地區穩定。如果進一步增加錨索的長度，則不能提高交叉索的實際支撐效果。現澆板長度和無支護采場左右板長度分別為52.5m、35.84m 和12.11m。其中，穩定長度在沒有球體支撐的情況下較短，不能滿足礦山生產要求。因此，采場球必須由錨索支撐，其中水力半徑取穩定區的最小值；當采場被球支撐時，允許采場球向37.4m 的長度移動。

金礦采場不支護時，下盤水平位移最大為19.3mm，變形小，采場下盤塑性區較大，說明采場存在可靠性問題。數值計算方法和工作經驗方法預測分析的結論是一致的，采場下盤支護采用長預應力錨索后，下盤的大水平位移和塑性區范圍明顯減小。采礦區最大水平位移由19.3mm 減小到11.6mm，塑性區由3.5m減小到1.5m。有限元分析結果表明，預應力錨索支護能夠保證采場的巖石穩定性。結合巖石力學試驗、巖石質量分級、巖石結構力學主要參數測量與計算，選用可靠度圖方法和標準值分析方法，實現金礦采場北段采場結構主要參數分析，應用Mathews可靠度圖，經計算，在無支護情況下，采場所采用的現澆板、掛墻和底墻的最大長度分別為52.5m、35.84m 和12.11m，反而有可能不能滿足礦山開采生產的要求。充分考慮現場的地質環境和施工條件，顯然較大的采場很可能出露長度為34m。研究者的分析結果表明，采場發生了較大范圍的塑性破壞。采場下盤的數據分析結果一致。采用預應力錨索支護圖法可知，采場下盤支護的主要參數為：網孔尺寸為2.0m×2.0m，交錯索長度為8m。根據數值計算方法驗證，下墻選用預應力錨索后，水平位移和延性面積顯著減小。

6 削壁充填開采法的應用

削壁充填開采法廣泛應用于極薄貴金屬礦體，在金礦的開采應用中成效顯著。

6.1 礦塊布局及組成因素

充分考慮到該金礦床地質條件變化較大，開采技術條件復雜。因此，礦塊沿走向布置，礦塊長度為30m ～40m，中段高度不宜過大，一般為30m ～40m，一般不留間柱，頂柱、底柱的高度為2m ～4m，當礦石品位很高時，用剛性鋼筋混凝土假底，厚度0.5m，開采寬度一般超過1.2m。

6.2 工作面出礦

（1）開采順序。礦塊的開采順序是按照，中段之間從上到下，礦塊是從中間向兩邊，逆傾向開采方式。礦塊長約40m，當礦體長度小于40m 時，礦塊長度以礦體長度為準。

（2）鉆孔和爆破。使用YSP-45 鑿巖機鉆孔，炮孔深度和裝藥量應考慮不損害頂部現澆板坯，采用控制爆破技術。為防止礦石或高品位粉礦崩落到充填材料上而造成損失，將橡膠板鋪在地板上作為基礎墊層，可多次回收利用。

（3）礦石運輸。根據礦山開采情況，礦石崩落后，人工篩選礦石，選出廢石充填到采空區。將礦石運送到溜槽卸料，然后將礦石從料斗提升到地表。

（4）采場支護。可選擇單柱支撐點，單柱可以是立柱或金屬材料支撐。

（5）采場通風。工程爆破后，首先采用機械通風，排除炮煙。新鮮風流經通風人行天井進入采場，沖刷工作面后，進入上中段回風巷道，排出地表。

7 結語

綜上所述，削壁充填采礦法結合礦體和圍巖的穩固程度展開工作，可進一步降低采礦損失率和貧化率，有效提升采場出礦效率。礦石采出后，將廢石充入采空區，同時完成了采空區治理，確保了礦山安全生產。