階段回采與頂板支護中深孔一孔兩用試驗研究

覃 凱 張鵬飛 肖柏林

(1.中色非洲礦業有限公司,基特韋 贊比亞22592;2.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083)

緩傾斜中厚礦體開采一直是采礦界難題,難以實現礦體的安全、高效、經濟開采[1]。根據礦巖賦存條件、鑿巖設備、出礦設備、支護設備等的差異,緩傾斜中厚礦體的常見采礦方法有全面法、分段空場法、分段嗣后充填法等[2-4]。為了提高采礦效率,降低生產成本,許多礦山引進先進大型無軌設備,采用大采場結構參數,獲得良好開采效益。例如,塔吉克斯坦某金礦增大分段高度至21 m、調整底部結構高度為13 m、優化采用高分段中深孔爆破技術,實現采場千噸采切比降至4.48 m/kt,炸藥綜合單耗降至0.42 kg/t,損失貧化率均控制在8%以下[5];內蒙古某鋅鉛銀礦傾斜中厚礦體采用盤區機械化房柱嗣后充填開采,鑿巖出礦均采用無軌設備作業,提高了生產能力,采礦損失率8%,貧化率12%,經濟和安全效益良好[6];某緩傾斜中厚破碎磷礦床采用分段高16 m、礦房寬度6 m、上部切頂高度4 m、下部回采段高12 m的開采結構,可保證采場圍巖的穩定性,采場生產能力約3 000 t/d,貧化率約5%,回收率約86%,采切比約61 m3/kt,具有較好的應用效果[7]。大盤區機械化的分段嗣后充填是開采緩傾斜中厚礦體的主要趨勢。

大型無軌設備、大采場參數雖然大幅提高了采礦效率,但同時也增加了采場跨度與暴露面積,特別是對于沉積巖性質礦床,礦巖節理裂隙較為發育,穩定性差,因此采用多種方式的“預控頂”支護技術來保證采場頂板的穩定性是決定大盤區機械化開采成敗的關鍵。例如,內蒙古某多金屬地下礦針對采場頂板穩固性差、節理裂隙發育、部分采場頂板發生冒落等問題,采用噴錨網+長錨索預加固的聯合支護預控頂方式,有效控制了頂板垮落[8]。大尹格莊金礦針對破碎圍巖穩定性差、深部礦壓顯現劇烈等難題,采用理論分析和數值模擬相結合,利用噴錨網+錨索進行預控礦柱上方頂板,優化了分段嗣后充填法回采遺留礦柱[9]。阿舍勒銅礦針對650 m中段破碎圍巖及分段采場發生垮塌的狀況,提出了錨索加固作為組合梁和懸吊共同作用等預控頂技術,控制了采場穩定性,作業安全,貧化損失率低[10]。湖北宜昌某磷礦針對復雜的工程地質條件,提出預控頂條帶式充填采礦法,并采用錨桿、錨索聯合支護采場頂板,有效提高頂板穩定性,避免因頂板圍巖垮落而造成大量的出礦貧化,礦石回采率提高了9.3%,礦塊生產能力提高了48%[11]。二里河鉛鋅礦急傾斜頂板易冒落、垮塌,采用2～3排預應力錨桿加條網構成的錨桿條網帶沿傾斜間隔一定距離全長支護采場頂板,錨桿條網帶控頂具有減跨效應,可有效控制頂板、減少冒落、降低貧化[12]。不難發現,錨索與錨桿是預控頂的主要支護方式,由礦山工程地質條件、機械設備等因素確定[13]。

預控頂支護技術是保障采場頂板的有效手段,但同時也增加了工藝的復雜性與時間周期,支護成本也是選擇支護方案的一個重要因素[14]。為了豐富預控頂階段嗣后充填采礦技術的控頂支護措施,本文以謙比西銅礦為例,介紹了一種錨索孔“一孔兩用”的創新錨索支護技術,無需額外開挖支護巷道工程,可直接在鑿巖巷道向頂板末端支護,礦體內錨索孔后續可兼作回采炮孔使用,提高了采礦效率,節約了成本。該技術可在類似礦山進行推廣應用。

1 工程概況

1.1 謙比西銅礦東南礦體開采情況

謙比希銅礦位于世界著名的非洲中部贊比亞—剛果(金)銅鈷成礦帶的中部偏南,處于非洲中部巨型盧費里安褶皺帶內的加丹加沉積盆地內。謙比西銅礦東南礦體屬微傾斜—緩傾斜礦體,走向北東,產狀呈波浪形,傾角為0～28°。泥質板巖礦體為工業礦體的主要賦存層位,巖性為黑色、灰黑色至淺灰色泥質板巖、砂質板巖,薄層狀、條帶狀構造,最大厚度23.73 m,平均厚度9.23 m;而上盤礦化泥質板巖則為礦化層,品位低,目前暫無經濟價值,其厚度一般均大于10 m。依據礦體產狀情況,針對厚度大于12 m且走向上傾角較大的礦體,主要采用預控頂上向中深孔空場嗣后充填法,如圖1所示。

圖1 預控頂上向中深孔回采與支護工程布置示意Fig.1 Schematic diagram of up-deep hole mining and pre-controlled roof support

該采礦方法的工藝參數如下:

(1)盤區劃分。分段高度20 m,盤區長度100 m,沿礦體走向劃分采場,采場長度80 m,寬度12.5 m,間柱20 m,不同分段間不留礦柱。

(2)采準切割。各分段下盤沿走向方向布置分段巷;各盤區間由分段巷道布置穿脈至礦體上盤;每2條穿脈布置1個礦石溜井到達1 080 m運輸中段;采場底部于本分段標高布置鑿巖巷聯通盤區兩側穿脈,采場頂部于上一分段標高布置鑿巖支護巷聯通盤區上分段兩側穿脈;采場端部布置切割天井、切割槽聯通鑿巖巷。

(3)采場支護。由于采場寬度較大,為保證采場頂板穩定性,回采前需用錨索對頂板進行支護,支護方式有2種;① 在接近頂板位置施工鑿巖支護巷,在支護巷內使用錨索臺車向頂板上盤圍巖內施工6.5 m錨索,錨索支護網度3.0 m×3.0 m;鑿巖支護巷自身使用錨網支護,錨桿長2.4 m,間排距1.0～1.6 m;金屬網尺寸3.2 m×2.4 m,搭接長20 cm;② 有些不適合打支護巷的采場,則在下盤鑿巖巷使用錨索臺車向上打錨索支護,錨索穿過礦體深入頂板圍巖6.5 m,全長錨固;2種支護與鑿巖情況如圖1所示。

(4)回采出礦。預護頂完成后,以切割槽為自由面由鑿巖出礦巷施工上向扇形中深孔進行崩礦作業,采用自動化鏟運機出礦。

(5)充填。由上一分段或上兩分段標高施工充填巷及充填鉆孔到達采場頂部進行充填作業,一步驟采場膏體灰砂比1∶9,28 d強度為1.0 MPa;二步驟采場膏體灰砂比1∶24,28 d強度為0.5 MPa。

(6)采場生產能力,875 t/d。

1.2 預控頂支護中存在的問題

在生產過程中,現有的預控頂支護方案存在一些問題:

(1)有些采場受周邊工程和地質條件影響,無法施工支護巷,預控頂效果差。

(2)可以施工支護巷的采場,采切工程量較大,降低了采礦效率,且支護巷位于泥質板巖內,穩定性差,需增加錨網臨時支護,增加了成本和作業時間。

(3)在鑿巖出礦巷施工全孔錨索時,若采用全長錨固,則回采爆破后有部分礦石黏掛在錨索上,形成“掛簾子”的現象,存在較大安全隱患;若全長錨索只孔底7 m注漿錨固,則錨索因自重下滑嚴重,爆破也可能將整根錨索帶出;此外,全長錨索長度超過20 m,造成水泥和錨索的浪費。因此,需要對現有錨索支護方式進行優化,尋找一種更經濟合理的措施。

2 中深孔“一孔兩用”的思路與設計

2.1 “一孔兩用”的改進思路

針對上述問題,東南礦體技術人員充分利用現場的錨索臺車和中深孔臺車設備的特性與能力,提出一種錨索中深孔“一孔兩用”的高效預護頂支護技術。其主要思路是,采用長錨索的方案,避免支護巷帶來的額外工程量,利用錨索連接裝置實現錨索孔孔底錨固,礦體內錨索回收后錨索孔作為爆破炮孔。實現該目標具有2個關鍵問題:

(1)錨索孔完成錨索支護后,要繼續作為回采炮孔使用,則錨索孔內錨索只能錨固頂板的6.5 m,礦體段內的錨索必須剪斷回收;因此需要某種特殊裝置實現錨固段6.5 m鋼絞線與回收段鋼絞線的孔內分離;為此,自制了一種帶有倒刺的塑料管錨索連接裝置;

(2)錨索孔孔底支護后,剩余段將作為回采中深孔使用,錨索孔孔徑更小,則相當于每排扇形中深孔中有2種孔徑,因此扇形中深孔的孔網結構與爆破參數需要進行優化調整。

2.2 中深孔爆破參數設計

“一孔兩用”技術的中深孔有常規中深孔和錨索孔2種類型,交替布置且均需要裝藥,根據采礦設計手冊[15]對孔網參數進行優化計算。

(1)基礎參數。鑿巖設備的中深孔臺車為Sandvik DL431,孔徑76 mm;錨索臺車為Sandvik DS421,孔徑51 mm;上向扇形孔采用下盤一角式。礦巖的基本物理力學性質如表1所示。

表1 礦體板巖的主要物理力學性質Table 1 Main physical and mechanical properties of the ore rock

(2)最小抵抗線?？砂磁诳字睆絛和巖體堅硬系數取經驗值,堅硬巖中最小抵抗線W=(20～30)d,取20d,則直徑51 mm和76 mm 2種炮孔的最小抵抗線分別為1.0 m和1.5 m。最小抵抗線還可以按下式進行校驗。

式中,d為炮孔直徑,單位dm;Δ為裝藥密度,kg/dm3;τ是裝藥系數,是裝藥長度與孔長之比,查閱手冊取0.75;m為密集系數,孔越深m越大,這里校驗時取1.2;q為炸藥單耗,kg/m3。

中深孔爆破使用炸藥的裝藥密度為1.058 g/cm3,炸藥單耗0.45 kg/m3,礦石體重2.732 t/m3,代入式(1)對2種孔徑的最小抵抗線進行校驗結果為1.06 m和1.58 m;與上述經驗公式的計算結果相吻合。

(3)孔間距。扇形孔分為孔底距a1和孔口距a2,按照下式進行計算:

式中,m為炮孔密集系數,對于孔口m值可取1.0～1.2;孔底m值可取1.5～2.0。因此對于錨索孔,孔口距為1.0～1.2 m,孔底距為1.5～2.0 m;對于正常扇形孔,孔口距為1.5～1.8 m,孔底距為2.2～3.0 m。由于錨索孔孔徑較小,其孔底距取1.6 m,與錨索孔交替布置的中深孔孔底距3.2 m,其余中深孔的孔底距為2.2 m。

(4)堵塞長度。各孔的堵塞長度l不一致,合理長度應避免孔口部位裝藥過多;通常按以下方法:① 以一側作為基準,使其l=0.7W,再按順序排下去,使各孔裝藥截止面的距離均為W;② 邊孔和中心孔l=0.7W,其余按孔口距等于1/2孔底距的原則設計堵塞長度。

(5)單位耗藥量。炸藥單耗q取決于礦巖的可爆性、孔徑和炸藥性能,冶金礦山的q=0.25～0.6 kg/t,根據工程爆破手冊[16],東南礦體的礦石堅硬系數為6～8,可取q=0.35～0.5 kg/m3;對于扇形孔,每排孔的總裝藥量Qp為

式中,S為一排扇形孔可負擔的面積,m2;這里采場寬12.5 m,高約16 m,因此S=202 m2。炸藥單耗按0.45 kg/m3計,則每排中深孔的總裝藥量為200 kg;對于76 mm的正常中深孔,每米裝藥量4.8 kg;對于51 mm的錨索孔,每米裝藥量2.1 kg。

根據上述計算,“一孔兩用”的中深孔爆破設計如圖2所示。

圖2 一孔兩用中深孔爆破參數設計Fig.2 Dual-purpose deep hole blasting parameters design

3 現場施工與效益計算

3.1 扇形回采中深孔的施工

(1)錨索臺車。鑿巖設備主要有2種臺車,分別為Sandvik DL431中深孔臺車和Sandvik DS421錨索臺車,孔徑分別為76 mm和51 mm。其中DS421錨索臺車電機功率55 kW,液壓油箱容量為270 L,供水水壓最小為2 bar,水泵用水100 L/min。臺車上的儲桿器可以存放最多19根鉆桿,因此理論上最大的施工深度為30.5 m、最多可以安裝25 m的錨索;臺車使用的錨索直徑為15.6 mm,卷盤內徑為840 mm,卷盤外徑為1 220 mm,厚度為300 mm;注漿管長度35 m,直徑40 mm,理論每米注漿為4～5 kg;干水泥倉最大容量為400 kg,料漿的水灰比為0.3左右,水泥攪拌罐的最大水泥攪拌量為280 kg。錨索臺車及鑿巖情況如圖3所示。

圖3 錨索臺車的卷盤及現場鑿巖情況Fig.3 The reel of the cable bolter and its drilling situation on site

(2)錨索孔的施工。首先使用DS421臺車施工3個上向錨索孔(圖2中的2、4、6孔號),孔深17～23 m,鉆孔直徑51 mm。鑿巖過程中,操作人員將相關參數設定好后,只需進行人工定位,設備在鑿巖過程中自動鉆進和接桿,施工到設定值后,自動進入退桿程序,并完成桿作業。通過現場統計分析,純鉆進時,鑿巖速度約1.8 m/min,接桿與退桿時間相同,為30 s左右1根,錨索孔綜合施工速度為0.6 m/min。

(3)錨索孔注漿。錨索孔完成后開始注漿,設備根據設定的0.3水灰比自動往攪拌桶內添加水及水泥并攪拌,制備100 kg水泥的水泥漿時間約為20 min。制漿完成后將注漿管插入孔底,然后邊注漿邊退注漿管,當注漿管后退6.5 m時,停止注漿,拔出注漿管,此時臺車顯示屏上可實時顯示注漿管位置。

(4)套管制作與錨索安裝。自制了一種錨索連接套管,用其連接錨固段的6.5 m鋼絞線和回收段的鋼絞線。錨索直徑為15.6 mm,因而選擇內徑為16～20 mm,壁厚2～4 mm塑料管制作連接套管;套管長度30～40 cm,中部穿3～5個小孔,將10 cm長細鋼絲從孔中穿過形成倒刺,其作用是提供一定摩擦力,防止錨固段錨索因自重而脫落。

安裝時,將鋼絞線在1 m位置折彎,使錨索進入鉆孔后與孔壁有摩擦力,剪斷后錨索不下滑;鋼絞線插入孔內6.5 m時,通過臺車液壓剪進行剪斷;然后將加工好的連接套管上半段插入已剪斷鋼絞線末端,下半段插入轉盤鋼絞線起始端,該過程由人工在鑿巖臂上操作;隨后,借助下部鋼絞線力量將6.5 m鋼絞線及連接管將錨索往上送,根據臺車顯示屏上實時顯示的鋼絞線位置,到達既定位置后即可緩慢回收下部鋼絞線至轉盤,完成錨索安裝。自制塑料套管、其作用原理及現場錨索安裝示意如圖4所示。

圖4 自制套管、作用原理及錨索現場安裝Fig.4 Self-made casing,its working principle and the practical installation scenario

3.2 現場使用效果及問題

在謙比西銅礦東南礦體北采區進行了多次“一孔兩用”現場試驗,完成安裝后未發現連接套管和6.5 m鋼絞線滑出,并通過長塑料管測孔深進行驗證,確定切斷的6.5 m鋼絞線及連接管已留在孔內設計位置,實現了僅支護末端6.5 m的預期目的?？偨Y現場使用經驗,有以下問題仍需改進:

(1)中深孔爆破參數需要根據實際礦巖情況不斷優化。常規中深孔和錨索孔不僅直徑不一致,同時有0.5 m距離,最初設計時將兩者當作同一排炮孔進行設計,應對孔底距、炸藥單耗、崩礦步距等不斷優化,獲得更好爆破效果,降低大塊率。

(2)注漿錨固的水泥漿在2號垂直孔偶有滑落,影響錨固及后續爆破裝藥;后續可對水泥漿進行性能優化,在滿足錨桿臺車水泥漿泵可泵送的前提下提高漿體黏度。

(3)自制套管目前比較簡單,廢舊鋼絲繩強度剛度較差,可以對倒刺的材料結構進一步優化,提高倒刺強度,同時使套管具有一定的止漿作用。

(4)鑿巖巷內扇形孔使用2種臺車施工,增加了設備銜接、現場管理的難度,一般先施工完錨索支護,再鑿常規中深孔;技術人員需要加強炮孔定位及現場指導工作。

3.3 “一孔兩用”的效益分析

實施錨索中深孔“一孔兩用”技術,對提高預控頂階段嗣后充填采礦的效率、降低成本具有顯著作用。其不僅節約了支護鑿巖巷的采切工程量、錨網支護量,而且節約了錨索使用量。以盤區的一個采場長度80 m、寬度12.5 m、高16 m為例(扣除切割槽,共需34排中深孔),估算“一孔兩用”方案可獲得的效益情況,如表2所示。

表2 采用“一孔兩用”方案每個采場節約的工程量估算Table 2 Estimated table of engineering quantities saved in each stope by adopting the dual-purpose deep hole

4 結 論

針對謙比西銅礦預控頂上向中深孔空場嗣后充填法的采礦工藝,利用Sandvik DS421錨索臺車,提出了一種“一孔兩用”的預護頂技術方案,可不實施鑿巖支護巷,直接在底部鑿巖巷施工護頂錨索,安裝好錨索后錨索孔作為回采中深孔使用,詳細介紹了技術方案的設計與施工,得到以下結論:

(1)通過自制錨索套管裝置,可以連接錨固錨索和自由錨索,實現錨固后礦體內自由端錨索的回收利用,工業試驗中通過長塑料管測孔深進行驗證,未發現連接套管和6.5 m錨固錨索滑出,切斷的6.5 m鋼絞線及連接管已留在孔內設計位置,實現了僅支護末端6.5 m的預期目的。

(2)將錨索孔并入扇形中深孔統一設計,其中3個直徑51 mm的錨索孔排面與常規中深孔排距0.5 m,孔底距取1.6 m;有間隔錨索孔的中深孔孔底距3.2 m,其余直徑76 mm的正常中深孔的孔底距為2.2 m,炸藥單耗0.45 kg/m3。

(3)以謙比西銅礦一個采場長度80 m、寬度12.5 m、高16 m為例,“一孔兩用”支護方案可節約采切工程量1 672 m3、管縫錨桿330根、金屬錨網496 m2、中深孔850 m、錨索221～1 360 m、工期45 d,具有良好推廣價值;后續需根據大塊率對爆破孔網參數繼續優化,開展錨固力效果分析。