嵩縣山金急傾斜中厚礦體開采方法研究與應用

邱洋洋，王元民，由松江，劉吉興，趙紫康，彭 康

(1.嵩縣山金礦業有限公司; 2.中南大學資源與安全工程學院)

引 言

嵩縣山金礦業有限公司(下稱“嵩縣山金”)位于河南省嵩縣南部大章鄉，隸屬于山東黃金集團有限公司。礦區內金礦體賦存于M1構造蝕變帶中，礦石類型主要為蝕變巖類和蝕變構造角礫巖類。由于構造蝕變帶內構造滑動面極為發育，礦體和圍巖破碎，穩定性較差。根據嵩縣山金資源核查地質報告，M1-Ⅰ金礦體和M1-Ⅱ金礦體為礦區內主要開采礦體，其中，M1-Ⅰ金礦體長度可達800 m，斜深可達880 m，礦體形態呈大脈狀，無明顯的分支復合現象，形態比較規則。

現階段嵩縣山金主要開采礦段為九仗溝礦區，其礦體傾向西北，傾角70°左右，礦體厚度變化較穩定，水平厚度約8 m，屬于典型的急傾斜中厚礦體。目前，礦區針對此類礦體的開采方法仍然以淺孔留礦采礦法為主，但在實際生產過程中，淺孔留礦采礦法逐漸暴露出生產效率低，采礦損失貧化嚴重，作業安全性較差等嚴峻問題[1-3]。充填采礦法作為一種現代化采礦方案，不僅可以大幅提升作業面安全性，還具有靈活性大、采礦損失貧化小、能有效維護圍巖、防止地表塌陷等諸多優點[4-7]。隨著充填采礦法工藝及設備日益成熟，在黃金等貴金屬礦石開采中應用越來越廣泛[8-13]。基于此，嵩縣山金針對目前淺孔留礦采礦法所面臨的采礦難題，亟需開展更加適用于礦區內急傾斜中厚礦體的采礦方案，以達到提升礦山整體經濟效益的目的。

1 采礦方法選擇

1.1 選擇原則

1)生產安全。必須保證工人在開采各環節的作業安全，并且在安全生產的基礎上，創造良好的工作環境，確保良好的通風質量和足夠的作業空間。

2)采礦強度和生產效率高。在保證生產安全的前提下，盡可能選擇單中段生產能力滿足礦區要求的采礦方法，避免多中段生產造成的管理復雜、中段之間風流難以控制等問題。

3)采礦損失率和礦石貧化率低。采準工程布置盡可能靈活性大，要求對礦體適應性強，盡可能提高采礦回采率和入選礦石質量，延長礦山服務年限。

4)經濟效益好。綜合考慮采礦回采率與成本之間的關系，不拘泥于單位礦石開采成本，力求總效益最大化；要積極采用新工藝、新設備，但主要經濟指標要留有靈活應變的余地；要充分利用礦石中有用成分，盡可能提高伴生元素的回收率。

5)遵守相關法律、法規要求。采礦方法選擇必須遵守有關礦山安全、環境保護、礦產資源保護等方面的有關規定。

1.2 采礦方法比較

根據嵩縣山金九仗溝礦區內急傾斜中厚礦體的開采技術特點，以及采礦方法的選擇原則，結合國內外針對此類礦體的開采經驗，預選出4種可行性高，適用于嵩縣山金開采技術特點的采礦方案，并且針對各類采礦方法的優缺點進行了詳細評述。

1)方案1：分段鑿巖階段出礦嗣后充填采礦法。該方案采礦方法見圖1，其采場布置簡單，僅需沿走向交替布置一步礦房和二步礦房，回采作業容易，管理難度小，工序簡單，工藝成熟，方便實現大型機械化作業，施工效率高，生產能力大，采礦直接成本低，經濟效益好，但是充填時需高強度充填體，尤其是回采一步礦房時，一定程度上增大了采礦綜合成本。但是減少了脈外采準工程量，能更好地使采準與回采工作的接續，可進一步提高采礦效率。

圖1 分段鑿巖階段出礦嗣后充填采礦法標準方案示意圖

2)方案2：脈外斜坡道上向進路充填采礦法。該方案采礦方法見圖2，其適用于礦巖中等穩固至不穩固、礦石品位高、經濟價值大的礦體。礦體厚度從薄到極厚、傾角從緩傾斜到急傾斜均可采用。進路法開采的頂板跨度小，回采作業安全性高。進路充填和分層充填的工藝基本相同，實際上就是將分層劃分為多條進路進行回采。回采時，采礦回采率高、礦石貧化率低，但回采充填作業強度大，生產效率低，并且要求進路充填接頂。采用高效的鑿巖臺車和鏟運機出礦可一定程度上提高采場綜合生產能力。使用脈外無軌采準系統后，對于薄及中厚以下礦體，由于每分層都需要掘進聯絡巷道和分層巷道，采準工程量較大。此外，進路法的一個顯著缺點是：由于進路法類似于獨頭巷道掘進，通風效果較差。

圖2 脈外斜坡道上向進路充填采礦法標準方案示意圖

3)方案3：分區開采上向水平分層充填采礦法。該方案采礦方法見圖3，其適用于圍巖中等穩固或不穩固、礦石品位高、經濟價值大的礦體。礦體厚度從薄到極厚、傾角從緩傾斜到急傾斜均可采用。該方法突出優點是采礦損失貧化低，而且應用大功率無軌自行設備后，已屬于一種高效率的采礦方法，適用范圍廣，適應能力強。該方法的顯著缺點為通風效果差，原因是每層掘進的采場聯絡巷需從脈外人行設備天井獨頭掘進至礦體，從而在巷道施工時通風效果較差。

圖3 分區開采上向水平分層充填采礦法標準方案示意圖

4)方案4：脈外天井雙采聯上向水平分層充填采礦法。該方案采礦方法見圖4，其適用于礦巖中等穩固至不穩固、礦石品位高、經濟價值大的礦體。礦體厚度從中厚到極厚、傾角從緩傾斜到急傾斜均可采用。該方法突出優點是采礦損失貧化低，適用范圍廣，采場服務范圍大，適應能力強，采用鏟運機出礦增加了采場生產能力，提高了采場的機械化水平，但也具有通風效果差的缺點。

圖4 脈外天井雙采聯上向水平分層充填采礦法標準方案示意圖

綜上所述，4種采礦方法各有優缺點，其優缺點對比見表1。

表1 各采礦方案優缺點對比

1.3 采礦方法確定

應用模糊數學法和未確知測度理論對嵩縣山金九仗溝礦區急傾斜中厚礦體的初選方案進行了優選，根據未確知測度模型評價結果的優越性，方案4為最佳開采方案。脈外天井雙采聯上向水平分層充填采礦法生產效率高，采礦損失貧化低，施工效率高，生產能力大，采礦直接成本低，經濟效果好，作業安全，能夠滿足急傾斜中厚礦體開采強度和安全要求，即選定脈外天井雙采聯上向水平分層充填采礦法作為嵩縣山金九仗溝礦區急傾斜中厚礦體的最優采礦方案。

2 脈外天井雙采聯上向水平分層充填采礦法

2.1 采場結構參數

沿走向布置礦房，礦房長為100 m，寬為礦體厚度，階段高度為40 m，頂柱3～5 m，不設間柱連續回采，待礦房開采充填后再采用進路法回采頂柱。

2.2 采準切割工程布置

采場采用下盤脈外分段平巷分段出礦和溜井集中出礦的脈外無軌采準方式。平行礦體下盤邊界布置分段運輸平巷，各分段運輸平巷通過聯絡道與主斜坡道相通。采場分層聯絡道將分段運輸平巷與采場相連，溜井聯絡巷與中段集中出礦溜井相連，從而構成采場下盤脈外無軌采準系統。

從圖4可以看出，采場下部不留礦石底柱，直接從中段底板開始回采，回采后在底板上構筑鋼筋混凝土假底，上部留3～5 m的頂柱，待中段回采結束后統一回采。采準工程主要包括溜井聯絡道、溜井及采場聯巷等。采準切割工程量見表2。

表2 采準切割工程量統計結果

2.3 回采工藝

1)回采順序。回采時自下而上分層回采，沿走向從一側向另一側回采。每分層回采結束后進行充填，并為下一分層預留1.5～2.0 m的控頂距。待整個中段回采結束后視情況通過上向進路法回收頂柱。

2)采場鑿巖爆破。采場鑿巖時選擇氣腿式鑿巖機進行鑿巖。采場爆破時要嚴格控制采場形狀，盡量使用光面爆破控制采場邊界，提高頂板及兩幫的穩定性。采用乳化炸藥，人工裝藥。藥卷直徑一般采用32 mm，周邊孔設計采用小直徑藥卷，長度均為200 mm。起爆采用非電微差導爆管起爆，各段雷管的起爆時間間隔50 ms。

3)采場通風。通風方式與獨頭掘進巷道相近，通風時需使用局扇加強通風。新鮮風流由斜坡道進入中段或分段平巷，再從中段或分段平巷通過分層聯絡道進入采場，采用局扇通風，清洗工作面的污風通過風機抽排到中段運輸巷道，進入回風井，排出地表。

4)采場支護。爆破通風后需要進行浮石檢查和撬毛作業。檢撬作業從采場口開始，由外向里，最后進行工作面的檢撬、撬毛，撬毛工作結束后才可進入采場檢查頂底板安全情況及落礦情況，并進行采場支護。采場支護以管縫式錨桿為主。支護網度視采場穩定性而定，采場穩定時可適當增加錨桿網度。

5)采場出礦。礦房內的礦石由采場內的鏟運機經各分層內的采場聯巷運搬至脈外溜井中，由振動放礦機轉運至礦車上，再經過礦車運輸至各中段溜井口，將其倒入主溜井，統一提升至地表。

6)采場充填。充填工作主要是采場充填擋墻的搭建及濾水，充填擋墻的強度要滿足采場充填的要求，確保充填質量，充填結束后至少養護3 d后方可回收板墻，安排下一分層進行回采。

充填作業中充填管路經各分層采場聯巷進入采場進行充填，充填時為降低充填成本可先將一部分廢石回填至采場，然后再進行膠結充填(各分層充填體的頂層0.5 m均采用C30混凝土進行充填)。

3 工業試驗及經濟效益

經礦山討論決定，并結合現場實際情況，最終選定嵩縣山金九仗溝礦區15中段4150529采場作為急傾斜中厚破碎礦體的試驗采場，工業試驗共采出礦石量23 750 t，取得了顯著的經濟效益，達到了預期的目標。試驗采場不同采礦方法主要技術經濟指標見表3。

表3 試驗采場不同采礦方法主要技術經濟指標

經分析統計，試驗采場產生的直接經濟效益主要來自3方面：一是采場生產能力提高帶來的經濟效益；二是開采成本降低帶來的經濟效益；三是采礦貧化損失降低帶來的經濟效益。其中，因采場生產能力提高帶來的經濟效益為44.27萬元，因降低礦石貧化率創造的經濟效益為61.05萬元，因降低采礦損失率創造的經濟效益為56.30萬元，對比早期的淺孔留礦采礦法，采用脈外天井雙采聯上向水平分層充填采礦法經濟效益能增加68.05元/t。

4 結 語

嵩縣山金九仗溝礦區礦體和圍巖條件較差，經過詳細分析該區地質和開采技術條件，結合類似礦山開采經驗，通過多種采礦方案優缺點的對比分析，確定了脈外天井雙采聯上向水平分層充填采礦法作為該礦山急傾斜中厚礦體的最佳開采方案。該方案在嵩縣山金九仗溝礦區15中段4150529試驗采場1年內共采出礦石量23 750 t，相較于礦山早期淺孔留礦采礦法，經濟效益增加了68.05元/t，效果十分顯著。該采礦方案可對類似急傾斜中厚礦體安全、高效、低貧損開采提供一定的參考。