芻議下行式小分段高效采礦工藝

張帆

（湖北三鑫金銅股份有限公司，湖北黃石 435000）

0 引言

根據(jù)中國(guó)礦產(chǎn)資源局公布的相關(guān)數(shù)據(jù)：截至2022年，我國(guó)已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)173 種礦產(chǎn)，且稀土礦資源占據(jù)全球70%以上。為進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)采礦能力，應(yīng)善于運(yùn)用先進(jìn)工藝，完善采礦計(jì)劃，滿足礦產(chǎn)資源需求之上提高采礦效益。同時(shí)，還需立足現(xiàn)有采礦特征，加強(qiáng)新工藝應(yīng)用推廣，借此增加資源儲(chǔ)量。

1 下行式小分段高效采礦工藝的可行性

下行式小分段高效采礦工藝的可行性，主要體現(xiàn)在縮減采礦成本和提高采礦效率兩個(gè)方面。為進(jìn)一步闡述應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，此次研究專(zhuān)門(mén)采用對(duì)比分析法歸納該項(xiàng)技術(shù)可行性價(jià)值，與上行式小分段高效采礦技術(shù)、下向分層進(jìn)路充填采礦技術(shù)比較。假設(shè)在相同地質(zhì)條件下，上盤(pán)巖土天然密度2.88g/cm3，含水率0.093%，抗壓強(qiáng)度11.41MPa，彈性模量59.43GPa。而礦體及下盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為2.99g/cm3（2.89g/cm3）、0.083%（0.094%）、13.21MPa（13.03MPa）、64.59GPa（57.71GPa）。同時(shí)呈現(xiàn)上薄下厚特征，其厚度為30～40m，具有100～400m 走向長(zhǎng)度，此次研究中分布的巖石以銅礦和鎳礦資源為主，且摻雜著沉凝灰?guī)r及碎屑濁流沉積物。

為進(jìn)一步闡述此項(xiàng)工藝的可行性，結(jié)合學(xué)者周光信等[1]相關(guān)研究結(jié)果，確定上述3 種采礦工藝在相同采礦量條件下，顯然此項(xiàng)工藝采礦生產(chǎn)能力更大。另外，成本對(duì)比上采礦直接成本較小。炸藥使用過(guò)程中消耗量與上行式小分段高效采礦工藝持平。由此證實(shí)本文推薦的下行式小分段高效采礦工藝在采礦成本上相對(duì)第三種工藝可節(jié)約50%的投入成本，采礦效率上最多可增加250%，表示此項(xiàng)技術(shù)確有顯著可行性，若地質(zhì)條件符合穩(wěn)固礦體條件，應(yīng)善于依靠此技術(shù)助力采礦企業(yè)謀求高收益、低成本目標(biāo)，盡量擴(kuò)大此技術(shù)的適用范圍，建立標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)規(guī)范。3 種采礦工藝下采礦方案對(duì)比如表1 所示。

表1 3 種采礦工藝下采礦方案對(duì)比

2 下行式小分段高效采礦工藝關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 回采工藝

采礦項(xiàng)目中在爆破以及回采等工藝操作下，可能隨著時(shí)間延長(zhǎng)引發(fā)震動(dòng)能量波動(dòng)情況，如圖1 所示，要想進(jìn)一步維護(hù)采礦安全，務(wù)必利用回采工藝發(fā)揮技術(shù)特性。一般情況下，回采工藝水準(zhǔn)多關(guān)乎采礦經(jīng)濟(jì)指標(biāo)水平，這也是此項(xiàng)技術(shù)是否彰顯省本價(jià)值的重要保障。在上述地質(zhì)條件下，于回采作業(yè)中應(yīng)先行搭建采礦巷道，隨即配備切割天井，用于助力后續(xù)采礦人員高效完成鑿巖、爆破等諸多任務(wù)。而后以隔三采一方法有序回采，并將回采工序調(diào)整為由上到下，先組織采礦人員進(jìn)行上分段回采，后開(kāi)展下分段回采工作，始終以膠結(jié)充填法搭配非膠結(jié)充填法夯實(shí)回采基礎(chǔ)。

圖1 采礦作業(yè)中擾動(dòng)條件下震動(dòng)能量變化情況

為優(yōu)化回采工藝效果，還可以借鑒黑龍江省老柞山金礦回采經(jīng)驗(yàn)，此金礦多有52MPa 以上抗壓強(qiáng)度的礦石，且?guī)r石密度為3.12t/m3，其中設(shè)置的采礦區(qū)具有3～5m 寬和80m 高的地理?xiàng)l件。因早期隨著爆破作業(yè)已然形成松動(dòng)帶（2m 寬），故而采礦人員專(zhuān)門(mén)運(yùn)用電機(jī)車(chē)（ZK3-5/250 型）有序?qū)⒌V石運(yùn)輸至天井內(nèi)，而且選擇301.733m 高度位置上搭設(shè)巷道，并以2m 長(zhǎng)、2m 寬設(shè)計(jì)分段巷道，經(jīng)過(guò)對(duì)回采作業(yè)邊界范圍的有效控制，達(dá)成了高效回采目的，整體回采效果良好。

2.2 采場(chǎng)布置技術(shù)

在采礦區(qū)域內(nèi)應(yīng)用下行式小分段高效采礦工藝時(shí)，可以應(yīng)用采場(chǎng)布置關(guān)鍵技術(shù)改善采礦條件。由于采場(chǎng)不同位置巖石成分及穩(wěn)定性多有不同，所以需優(yōu)選回采區(qū)、爆破區(qū)，以便在合理布置下提高采礦效率。為驗(yàn)證采場(chǎng)布置匹配度，應(yīng)依據(jù)采場(chǎng)強(qiáng)度差異進(jìn)行模擬分析，建立采礦仿真結(jié)構(gòu)模型后，可根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件出具采礦方案。經(jīng)過(guò)研究應(yīng)當(dāng)以8m 跨度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交叉布置，此時(shí)可促使在12m 高度以下的采場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全采礦。事實(shí)上，采礦企業(yè)在采礦作業(yè)中除了關(guān)注礦產(chǎn)資源帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益外，還應(yīng)注重現(xiàn)場(chǎng)采礦安全水平，否則可能誘發(fā)中斷采礦后果[2]。

按照原有8m 分段高度和23m/kt，75%回采率和8%貧化率指標(biāo)進(jìn)行采礦作業(yè)，能夠發(fā)現(xiàn)未改進(jìn)前采場(chǎng)布置方案中設(shè)有斜長(zhǎng)水平礦柱（2m），并設(shè)置了兩個(gè)采場(chǎng)（50m 長(zhǎng)，70m 高），之后安排采礦人員按照既定采場(chǎng)布置方案。以2m 分段回采高度進(jìn)行循環(huán)開(kāi)采，運(yùn)用雷管爆破工藝建立2.2m 深度且角度為60°的炮孔。此時(shí)雖然按照原有方案也能順利采礦，但顯然以此分段高度布置采場(chǎng)缺少適應(yīng)性。因此有關(guān)人員需在8m 分段高度之上適當(dāng)延伸至12m，此時(shí)采切比和貧化率將分別降至20.6m/kt、7.8%，且回采率增加3.2%，表示提高分段高度實(shí)施采場(chǎng)交叉布置，有望優(yōu)化采礦效果。

2.3 鑿巖爆破技術(shù)

鑿巖爆破是采礦工藝中較為重要的技術(shù)，往往決定采礦安全性和采礦效益，因此有關(guān)人員需兼顧地質(zhì)條件采用鑿巖爆破技術(shù)有效控制爆破材料用量。通常以鑿石劈巖機(jī)進(jìn)行開(kāi)礦作業(yè)以及以炸藥進(jìn)行爆破式鑿巖。在獲得上級(jí)部門(mén)批復(fù)后方可采用炸藥爆破方式，但需注意的是炸藥用量應(yīng)在0.3kg/t 左右，并同時(shí)使用鑿巖設(shè)備作為輔助爆破，促進(jìn)巖石快速開(kāi)裂[3]。

另外，還可采用一次鑿巖分段爆破高效成井方式，同樣能夠達(dá)到省本增效目的，可將其視為鑿巖爆破輔助工藝。首先，安排有關(guān)人員設(shè)置掏槽，多以三孔桶形掏槽為主，并且科學(xué)設(shè)計(jì)掏槽孔與空孔間距（L）和鉆孔孔徑參數(shù)。具體可以參照式（1）予以分析。

式中：D——采場(chǎng)內(nèi)空孔直徑，mm。

其次，計(jì)算后可以確定輔助孔數(shù)量以及相關(guān)夾角，以便在傾斜鉆孔中保障采礦質(zhì)量。相關(guān)人員需根據(jù)鉆孔孔徑大小確定裝藥量。例如，針對(duì)140mm 鉆孔宜使用15kg/m 炸藥量，且裝載高度應(yīng)為1.6m。若開(kāi)設(shè)120mm 鉆孔，裝藥量應(yīng)保持在11kg/t 左右，高度應(yīng)為2.2m，這樣才能保證炸藥均勻分布；最后，在鑿巖爆破作業(yè)中應(yīng)當(dāng)確定最佳分段爆破高度。在小分段高效采礦工藝導(dǎo)向下，可以將分段高度控制在5～7m，并進(jìn)行多次爆破，從起初多次4m 爆破高度增加到9m 爆破高度，最后一次大高度爆破作業(yè)時(shí)，還可結(jié)合巖石分布特征進(jìn)行分層爆破，以便增加爆破成功可能性。需注意的是：應(yīng)用鑿巖爆破技術(shù)時(shí)，需要在炸藥放置前鋪設(shè)一層細(xì)沙，隨即有序爆破，而且應(yīng)在多層分次爆響觀察爆破效果，以便提升采礦有效性。

2.4 采場(chǎng)充填技術(shù)

下行式小分段高效采礦工藝的應(yīng)用，從上述研究中確定有可行性。而以爆破鉆孔作業(yè)后，還需運(yùn)用采礦充填技術(shù)充分增強(qiáng)強(qiáng)度，一般需滿足3.1MPa 以上的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。此處指的是充填物強(qiáng)度。為進(jìn)一步預(yù)防采礦積水等不良風(fēng)險(xiǎn)，有關(guān)人員可以對(duì)鉆孔實(shí)施分層充填，而且可以按照1∶4 灰砂比配制充填材料，并為不同層級(jí)采礦配制差異化充填材料，其灰砂比從采礦底端到上端分別為1∶4、1∶10、1∶4，以便達(dá)到強(qiáng)度強(qiáng)化作用[4]。另外，負(fù)責(zé)采場(chǎng)充填工作的人員，還要將初期充填高度保持在1m 以下，且最高不可超過(guò)6m，否則容易在過(guò)高充填下引起充填材料變形隱患。充填后記錄材料表面積水狀態(tài)，未見(jiàn)積水表現(xiàn)后即可認(rèn)定充填質(zhì)量達(dá)標(biāo)。采場(chǎng)充填技術(shù)作為采礦項(xiàng)目收尾保障技術(shù)，在充填作業(yè)前期，也可以運(yùn)用充填擋墻劃分安全充填區(qū)域。經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度充填材料的有力支撐，能夠促使礦石損失貧化率得以下降，值得以小分段充填工藝達(dá)到提效效果。

3 下行式小分段高效采礦工藝優(yōu)化路徑

3.1 優(yōu)化工藝流程

下行式小分段高效采礦工藝的實(shí)踐應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)從工藝流程層面提出優(yōu)化建議。通常在該項(xiàng)技術(shù)指引下需要有序完成回采、布置、爆破及充填任務(wù)，且每一項(xiàng)流程都應(yīng)當(dāng)進(jìn)行模擬分析，以便出具完善方案。

此處以重慶接龍鐵礦為例，在優(yōu)化前回采過(guò)程中以下分段50%步距（5～8m），上下分段同步回采方式，保持6m 左右回采高度，并利用人工裝藥方式進(jìn)行循環(huán)式回采作業(yè)。而經(jīng)過(guò)分析后確定朝著步距回采順序以及進(jìn)風(fēng)井分布形態(tài)等方向予以優(yōu)化，優(yōu)化后既能簡(jiǎn)化流程，又能提高采礦效率。即在原有6m 回采高度之上控制在3m 左右，并且保有一定寬度的護(hù)頂空間（300mm），有利于增強(qiáng)頂板支撐穩(wěn)定性。而且對(duì)進(jìn)風(fēng)井性質(zhì)予以優(yōu)化，未優(yōu)化前常以中央盲天井充當(dāng)進(jìn)風(fēng)井，此時(shí)容易削弱采場(chǎng)進(jìn)風(fēng)效果，然而優(yōu)化后僅設(shè)置單獨(dú)的進(jìn)風(fēng)井，并借助滑輪結(jié)構(gòu)運(yùn)輸廢礦渣，加快出礦速度的同時(shí)也能凈化采場(chǎng)環(huán)境。由此證實(shí)：針對(duì)采礦流程進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化改進(jìn)，是提升采礦質(zhì)量的保障措施，值得引起有關(guān)人員的重視。

3.2 配備智能設(shè)備

下行式小分段高效采礦工藝，之所以在采礦項(xiàng)目中擁有優(yōu)良前景，是因?yàn)榇隧?xiàng)技術(shù)確實(shí)能夠提高采礦效率，致使采礦企業(yè)擁有可觀收益。為進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)效果，還可結(jié)合采場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境，積極配備智能設(shè)備，既可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)采礦設(shè)備，又可以為現(xiàn)有爆破等設(shè)備提供便捷化服務(wù)。具體可以使用采礦機(jī)器人，妥善應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采礦風(fēng)險(xiǎn)，而且在機(jī)械化采礦場(chǎng)景內(nèi)，亦能達(dá)到增效目的。

此處列舉兩種適用范圍廣泛的智能設(shè)備：①自動(dòng)采礦設(shè)備，此設(shè)備實(shí)則是依靠無(wú)人駕駛系統(tǒng)對(duì)礦石實(shí)施智能化轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)搭配鏟運(yùn)機(jī)，即可加快出礦速度，并且因其無(wú)須人力駕駛，無(wú)形中可舒緩人力負(fù)擔(dān)。一般情況下運(yùn)用此設(shè)備支撐下行式小分段高效采礦工藝，可達(dá)到5000t/d 左右的礦石運(yùn)輸量，無(wú)論是初期采礦還是后續(xù)出礦，均可在智能設(shè)備助力下改善開(kāi)采條件。②高效充填設(shè)備，以往常需要人工充填方式，若能使用自動(dòng)輸送設(shè)備聯(lián)合深錐濃密機(jī)（徑長(zhǎng)18m），每小時(shí)可達(dá)到140m3以上的充填能力，每日每小時(shí)最多能夠?qū)崿F(xiàn)4397m3充填目標(biāo)，配備自動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)設(shè)備后每班組每日能夠獲得8000t 出礦量。同時(shí)，在小分段分層回采下，對(duì)于上文提到的不同灰砂比材料的充填作業(yè)事項(xiàng)，在智能設(shè)備支持下也能提前規(guī)劃充填順序，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)采礦安全效果之上，逐步提高生態(tài)效益，削弱礦產(chǎn)生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境污染危害[5]。

此外，除上述智能設(shè)備外，在鑿巖爆破中也可運(yùn)用“炸藥垂直自動(dòng)下放設(shè)備”，即按照特定炸藥輸送順序，對(duì)爆破位置進(jìn)行定位分析，且裝藥環(huán)節(jié)也能促使敏化劑及乳化炸藥成分得以充分混合，隨即發(fā)揮最大爆破效果。在下行式小分段高效采礦工藝實(shí)踐應(yīng)用階段，加強(qiáng)智能設(shè)備推廣，應(yīng)成為技術(shù)突破關(guān)鍵依托。

3.3 加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)

采礦效益和生產(chǎn)安全都占據(jù)重要地位，因而在采礦項(xiàng)目中應(yīng)當(dāng)充分加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)，包括依靠自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)、GPS 軟件實(shí)時(shí)獲取采場(chǎng)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。GPS 軟件的運(yùn)行可通過(guò)GPS 接收器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破點(diǎn)位、采礦點(diǎn)位以及回填狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，也可兼顧天氣因素判斷現(xiàn)場(chǎng)安全程度，若存在采礦危險(xiǎn)源，則立即響應(yīng)自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人發(fā)放預(yù)警信息，隨即下達(dá)暫緩采礦或提高維護(hù)等級(jí)等指令。而且還可利用定位器、傳感器對(duì)采場(chǎng)人員地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若存在生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，則及時(shí)撤離，就此提高安全水平。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，下行式小分段高效采礦工藝在現(xiàn)實(shí)采礦項(xiàng)目中，具備提高采礦效率和節(jié)省采礦成本優(yōu)勢(shì)，理應(yīng)立足回采工藝、采場(chǎng)布置技術(shù)、鑿巖爆破技術(shù)、采場(chǎng)充填技術(shù)要點(diǎn)，確保在該項(xiàng)技術(shù)支撐下逐步提高采礦效益。隨即從工藝流程、智能設(shè)備、安全監(jiān)測(cè)等方面著手，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后取得理想化采礦成效，助力采礦事業(yè)壯大發(fā)展，滿足新時(shí)代礦產(chǎn)資源實(shí)際需求。