喀拉通克銅鎳礦采礦方法優化研究

周光信,王亞軍,李曉輝

(1.新疆喀拉通克礦業有限責任公司,新疆 阿勒泰地區 836100;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012;3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室,湖南 長沙 410012)

0 引言

喀拉通克銅鎳礦于20世紀80年代末建成投產,現在主要開采1號、2號和3號礦體,1號和2號礦體為主要供礦礦體,3號礦體正處于開拓階段,產出部分副產礦量。礦山現階段年生產能力為104萬t,井下采用下向進路膠結充填采礦法開采,單條進路生產能力為80 t/d,采礦成本為267元/t左右,存在點多面廣、采切工程量大、生產能力低、采礦成本高以及安全管理難度大等問題。

1號礦體整體礦巖條件較差,2號礦體隨著開采區域向深部延伸,礦巖條件有變好的趨勢。根據礦山生產整體規劃,綜合考慮2號礦體礦巖條件、產狀變化、礦山設備投資和礦山生產實際情況,提出了可采用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法和分段充填采礦法開采2號礦體?？算~鎳礦采礦方法優化后,采場實際生產能力大于300 t/d,改善了采切比、采礦充填直接成本等技術經濟指標,減少了井下施工作業人員,降低了勞動強度,為礦山安全、高效、可持續發展提供了技術支撐。

1 現有采礦方法介紹

根據喀拉通克銅鎳礦礦石資源品位及礦巖條件情況,礦山采用下向進路膠結充填采礦法[1],該采礦方法在全礦推廣并一直沿用至今,下向進路膠結充填采礦法方案如圖1所示。

圖1 下向進路膠結充填采礦法方案

(1)采場布置?？算~鎳礦主采礦體屬中厚以上礦體,井下盤區沿礦體走向布置,盤區長度為80 m 左右,回采進路沿礦體走向或垂直礦體走向布置均可,上下兩層進路呈交錯布置。盤區高度即中段高度,回采進路斷面尺寸為4 m×4 m,后期考慮加大進路斷面到(5～6)m×4 m。

(2)采準工程。盤區采準工程主要有分段脈外巷道、分層聯道、溜礦井、穿脈巷道等,由斜坡道連通各分段脈外巷道。

(3)回采與出礦。進路回采采用隔一采一的方式,在滿足開采安全的條件下可同時開采多條進路。一步驟采場進路開采完后及時充填,待充填體凝固后開始二步驟采場進路開采。待盤區分層所有采場進路全部回采并充填完后,轉入下一分層繼續生產。進路回采采用YT-28鑿巖機施工淺炮孔,炮孔直徑為38 mm,炮孔向上傾斜約45°,每次爆破有效進尺為2.5 m 左右。炮孔采取排面布置,排距為0.8～1.0 m,孔底距為1.2 m 左右,炮孔之間結合礦巖條件補充幾個裝藥炮孔。炮孔施工完成后裝藥一次爆破,采用數碼雷管引爆,一般不分段。爆破后通風、降塵、支護等工序全部完成后,使用2 m3鏟運機出礦。

(4)采場通風。風流路徑為:斜坡道→中段主運輸巷道→分層聯絡道→回采工作面→順路充填回風井→上中段回風平巷→回風井→地表。

(5)采場充填。進路回采完后,在底板鋪設鋼筋網,均勻布置吊筋,底部1～1.5 m 的區間內采用高強度充填體充填,充填體強度大于4 MPa,上部區域采用較低強度充填體即可,充填體強度大于1.5 MPa。

(6)技術經濟指標。單條回采進路生產能力為80 t/d,綜合損失率為10%,綜合貧化率為8%,采切比為7.13 m/kt,采礦車間成本為267元/t。

2 采礦方法優化選擇

2.1 2號礦床開采技術條件

2號礦床位于一號礦床東部、三號礦床西部的12～51勘探線之間,又可分為西礦段和東礦段,礦體主要賦存在巖體中下部,個別分布在巖體與圍巖接觸帶中。

2號礦床西礦段整體品位較高,為了充分回采該區域高價值礦石資源,在該區域內采用下向進路膠結充填采礦法。2號礦床東礦段主要位于19～51勘探線之間,傾角為30°～60°,平均傾角為50°。該區域礦體上部較薄,隨著埋深增加,礦體逐漸變厚,深部區域礦體平均厚度為30～40 m。礦體賦存標高為260～450 m,大部分礦量賦存在260～350 m標高。下向進路膠結充填采礦法在2號礦床東部礦體現場應用過程中,礦體穩固性條件轉好,整體趨于中等穩固,節理裂隙相對比較發育。

2.2 采礦方法選擇

為了切實解決礦山所面臨的難題和滿足實際生產需求,在喀拉通克銅鎳礦2號礦床東段礦體開采現狀、地質情況與開采技術條件的現實基礎上,同時考慮技術經濟方面的因素,喀拉通克銅鎳礦2號礦床中等及以上穩固區域總體上采用空場嗣后充填采礦法,但仍需要對礦塊布置形式、結構參數[2-3]等進行深入研究,經多方案綜合比選后,確定了分段充填采礦法和大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法兩種采礦方案可在2號礦床合適區域進行推廣應用。

2.2.1 分段充填采礦法

(1)采準工程布置。在2號礦床東礦段上部采用下向進路膠結充填采礦法回采幾分層后,可采用分段充填采礦法回采下部礦體。由于受礦體本身節理裂隙影響,采場結構參數不能太大,結合類似開采技術條件礦山情況,初步將采場寬度設計為8 m。由于礦體較厚,采場垂直礦體走向布置,分兩步驟開采,采場長度為礦體厚度,分段采場高度在10 m 以內。采場內布置鑿巖巷道,端部布置切割橫巷與切割天井,采用平底底部結構出礦,崩下礦石用2 m3遙控鏟運機通過分段溜井下放至中段運輸巷道。分段充填采礦法方案如圖2所示。

圖2 分段充填采礦法方案

(2)鑿巖爆破。選用國產CKY50型鑿巖臺車在鑿巖巷道中施工上向扇形中深孔炮孔[4-7],炮孔直徑為65 mm,排距為1.2～1.5 m,孔底距為1.6～1.8 m。先采一步驟采場,一步驟采場回采后用灰砂比為1∶4尾砂膠結充填,一步驟采場充填體養護好后回采二步驟采場,二步驟采場可適當降低充填體強度。切割天井可嘗試一次爆破成井方式[8-9],切割天井施工完成后在切割橫巷內施工中深孔爆破形成切割槽。切割槽形成之后,正采炮孔排面以此為爆破補償空間,后退式分次側向崩礦。采用BQF100裝藥器進行人工耦合連續裝藥。為較好地控制爆堆集中度和爆破塊度,采用同排及排間分段微差爆破,排內順序為中間向兩側。每次爆破約2～3排,推距約2.4～3.6 m。上向扇形深孔裝藥時藥面距孔口距離呈鋸齒狀布置,藥裝好后用炮泥堵塞炮孔,堵塞長度不小于50 cm。

(3)出礦。中深孔正常排爆破時,采用2 m3普通柴油鏟運機出礦,裝載殘礦時,考慮到鏟運機部分機身可能需要進入空區內鏟裝礦石,需采用2 m3遙控鏟運機進行出礦。出礦時密切關注頂板充填體掉落情況,有狀況及時退出。鏟運機將崩下礦石運至分段運輸巷道,經溜井聯絡道進入溜井,下放至中段運輸巷道。

(4)充填。采場生產完畢后需及時對空區進行充填處理。出礦進路及鑿巖巷道位置均需要布置充填擋墻,在擋墻上留設好泄水孔,便于充填體泌水排放。一步驟采場采用尾砂膠結充填,灰砂比為1∶4至1∶8,底部采用高強度充填體,充填高度高出充填擋墻頂部1～2 m,上部可分次采用不同強度充填體。二步驟采場采用尾砂膠結充填,灰砂比為1∶4至1∶10,充填結構與一步驟采場類似,底部需要采用高強度充填體,上部可適當降低充填體強度。充填前應盡可能將采場內殘礦清理干凈,然后借助遙控鏟運機將鋼筋網拖入采場,保證假底內有少量鋼筋支撐。

(5)通風。新鮮風流路徑:斜坡道→中段主運輸巷道→盤區斜坡道→分段脈外巷道→鑿巖巷道→上盤回風巷→回風井→地表。

(6)技術經濟指標。采場生產能力為300 t/d,綜合損失率為15%,綜合貧化率為10%,采切比為8.32 m/kt,采礦車間成本為240元/t。

2.2.2 大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法

(1)采準工程布置。2號礦床東礦段平均厚度大于30 m,在礦巖較為穩固區域采用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法[10-12]。采場垂直礦體走向方向布置,沿礦體走向劃分兩步驟采場,一步驟采場寬為10 m,二步驟采場寬為12～14 m,礦體厚度即采場長度。該采礦方法方案如圖3所示。在上中段布置深孔鑿巖硐室,下部采用塹溝底部結構出礦(中深孔炮孔施工成型)。

圖3 大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法方案

(2)回采工藝。采用國產CKQ150潛孔鑿巖臺車施工下向炮孔,炮孔直徑為150 mm,孔深約為35 m。炮孔排距為3.0～3.3 m,孔底距為3.0～3.3 m,邊孔距為0.5～1.0 m。在采場中部位置施工切割橫巷和切割天井,切割天井可采用VCR 法分4～5次爆破成型,之后以切割天井為自由面和補償空間形成切割槽。在切割槽兩側施工炮孔側向崩礦。為了降低爆破擾動,可采取一個正采排面分兩次爆破崩下礦石的形式來降低一次爆破藥量,降低安全風險。采用重銨油炸藥分段進行微差爆破。在采場底部鑿巖巷道內用CKY50型鑿巖臺車鉆鑿上向扇形中深孔,孔徑為65 mm,排距為1.2～1.5 m,孔底距為2.0～2.2 m,逐排爆破形成底部受礦塹溝,根據爆破效果優化爆破參數。

(3)采場出礦。采用2 m3鏟運機鏟出崩下的礦石,鏟運機通過脈外運輸平巷、出礦穿脈、進入出礦進路鏟礦后,將礦石倒入出礦溜井[13-16]。

(4)采場充填。采場回采完畢后,對采空區進行膠結充填。充填料漿進入空區前,需要對所有與采空區相連的通道進行封閉處理,構筑充填擋墻,在擋墻位置留設濾水口,濾水管需要在采場頂部的適當位置進行固定,貫穿充填區域并與擋墻相連,從而達到較好的濾水效果。從采場頂部的充填通道(充填井或充填聯道)向采空區布置充填管道進行充填,采場需分多次進行充填。充填擋墻高度范圍內分2～3次進行充填,盡可能地減小充填料漿對擋墻的壓力,待底部高強度料漿液面超過擋墻頂部2～3 m 時可適當降低充填強度。充填灰砂比根據所要求的充填體強度和自立高度,并考慮所采用的尾砂特性、水泥類型等因素,通過實驗室試驗和現場實際情況來綜合確定。一步驟采場充填所要求的灰砂比一般為1∶4 至1∶8。二步驟采場下部10 m 的充填灰砂比為1∶4至1∶8,10 m 高度以上灰砂比為1∶8至1∶20。

(5)采場通風。新鮮風流路徑:斜坡道→中段主運輸巷道→采場斜坡道→下盤沿脈巷道→鑿巖巷道→上盤沿脈巷道→通風井→上中段沿脈巷道→地表。

(6)主要技術經濟指標。采場生產能力為400 t/d,采場開采綜合損失率為15%,綜合貧化率為15%,采場采切比為3.53 m/kt,采礦車間成本為218元/t。

2.2.3 采礦方案優缺點對比

總的來說,下向進路膠結充填采礦法與兩種空場嗣后充填采礦法在開采安全性、適應性和效率等方面各有優缺點,技術經濟指標存在一定差異,需要根據開采技術條件、技術經濟指標要求及產能需求情況進行選擇,各方案優缺點對比見表1。

表1 各采礦方案優缺點對比分析

3 主要技術經濟指標及生產能力論證

3.1 主要技術經濟指標

根據2號礦床東礦段深部礦體開采技術條件,選用分段充填采礦法和大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法,這兩種采礦方法的主要技術經濟指標見表2。

表2 主要技術經濟指標匯總

3.2 可采礦段生產能力論證

根據喀拉通克銅鎳礦2號礦床東礦段深部礦體賦存情況,對該區域260～350 m 礦段采場進行規劃,由于不同勘探線位置的礦體厚度存在差異,對43～47 線礦體324 m 至339 m 分段和309 m 至294 m 分段礦體采用分段充填采礦法回采,對47～49線礦體279 m 至324 m 分段礦體采用大直徑深孔階段空場嗣后充填法回采,對49～53 線礦體在294 m 分段以下尖滅,294 m 至339 m 分段礦體初步考慮用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法回采。

43～47線279 m 分段中深孔采場隔一采一,可同時回采3個采場,預備2個采場。礦段最大生產能力約為900 t/d。47～49線大直徑深孔采場隔一采一,可布置1個采場,預備1個采場,因此,整個礦段生產能力可達1300 t/d。

4 結論

(1)下向進路膠結充填采礦法采切工程量大、采礦效率低、綜合成本高,根據喀拉通克銅鎳礦2號礦床東段礦體開采技術條件及開采現狀,確定在該區域采用分段充填采礦法和大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法聯合開采,可有效降低開采成本,提高采場生產能力,為礦山持續高效發展提供技術支撐。

(2)根據喀拉通克銅鎳礦2號礦床東礦段深部礦體的賦存情況,對該區域260～350 m 礦段采場進行規劃,在當前條件下可同時布置3個中深孔采場和1個大直徑深孔采場,礦段產能可達1300 t/d。