長壁式連續采礦法在早子溝金礦緩傾斜薄礦體的應用

郭俊利,郝宗林,張鵬國,賴 偉

(1.甘肅省合作早子溝金礦有限責任公司; 2.長沙礦山研究院有限責任公司)

引 言

近年來,隨著采礦設備、采礦方法的日趨成熟及易采礦體的日漸枯竭,國內外各礦山企業均將自己的發展方向由回采厚大礦體轉移至回采難度較大的緩傾斜薄及中厚礦體[1-3]。然而,目前針對緩傾斜薄礦體的回采方法仍以房柱采礦法為主,但該方法存在采準工期較長,圍巖破碎條件下礦柱回收率較低等缺陷[4-5]。因此,為有效提高礦產資源的回收率,國內外眾多學者均將“如何低成本高效回采緩傾斜薄礦體”這一課題視為未來的研究方向。徐永文等[6]以山東某金礦緩傾斜極薄礦體為例,采用Flac3D軟件研究充填采場結構參數;結果表明,采場寬度1.5 m可保證礦山的生產安全。郝學冉等[7]基于貴州省某緩傾斜極薄礦體的開采現狀,根據礦體賦存特征、開采技術條件,研究不同采礦方法的適用性;結果表明,削壁充填采礦法的使用效果較好,可保證該礦山的安全高效回采。黃永祥[8]以南非某鉑金礦為例,根據礦體賦存條件及資源特征,對現有采礦方法進行改進,將普通空場采礦法優化為半機械化空場采礦法,以此降低采礦損失貧化。吳禮軍等[9]為準確選取適用于某急傾斜薄礦體的最佳采礦方法,采用層次分析法綜合對比各影響因素的權重;結果表明,適用于該礦山的最佳采礦方法為淺孔留礦采礦法。謝火明[10]針對水銀洞金礦開采成本高、開采效率低、安全性能差等問題,提出采用長壁式嗣后充填采礦法進行回采;現場工業試驗結果表明,該方法可有效提高回采效率、降低回采成本,經濟效益顯著。

本文以甘肅省合作早子溝金礦有限責任公司(下稱“早子溝金礦”)為例,根據礦山實際開采技術條件及現有采礦方法存在的一些問題,提出一種長壁式連續采礦法,并對該方法進行現場工業試驗,根據試驗結果確定該方法在早子溝金礦的適用性。

1 工程背景

1.1 地質概況

早子溝金礦為中性巖漿巖脈密集發育區,地層受巖漿侵入和斷裂影響,層間小褶皺發育。礦區內斷裂十分發育,大致由北東向、北西向、近南北向、近東西向和北北東向5組斷裂組成,前4組斷裂分別控制并構成4組金礦帶,多為Au1主礦體淺成侵入體,受主構造影響,其支脈多數為緩傾斜薄礦體,礦體厚度0.8～2.0 m。

早子溝金礦緩傾斜薄礦體傾角25°～40°,呈現中間至兩翼傾角變緩的現象。其中,礦體真厚度約1.5 m,走向長度約100 m,傾向長度140 m左右,礦體在走向及傾向較連續且變化不大。礦體上、下盤面明顯,且上盤面普氏硬度系數為4～8,局部頂板破碎。根據上、下中段沿脈工程對本礦段的揭露和控制情況,結合整體水文地質情況分析,該礦段水文地質條件屬于中等,礦段內礦脈受上盤和下盤2條構造控制且脈內次級構造較發育。所有構造均為導水構造,涌水量為15.0～30.0 m3/h。

1.2 存在問題

1)采礦成本高。雖然地質鉆孔或個別中段已揭露緩傾斜薄礦體,但大多數中段穿脈運輸巷道因開采成本影響未施工,已施工穿脈運輸巷及探礦巷多數出現不同程度的坍塌,少數緩傾斜薄礦體探礦巷已作為永久性通風巷道。因此,緩傾斜薄礦體回采需施工或恢復穿脈巷道作為運輸通道,而后施工沿脈拉底巷確定其可采性后方可施工采準工程。緩傾斜礦體上、下中段礦體延伸平距相差較大,上、下中段的穿脈巷道工程量相差達到60 m以上;此外,現有房柱采礦法的采礦工藝需投入大量的采準工程,且后期礦柱回收的安措費用大大增加了采礦成本。

2)采礦方法單一。緩傾斜薄礦體通常采用房柱采礦法進行回采作業,只有在頂板穩固條件下才考慮空場采礦法進行回采。雖然房柱采礦法安全系數較高,但其采準工期較長,圍巖破碎條件下礦柱回收率較低,部分采場頂底板破碎程度只能通過以掘代采進行回采作業。

2 長壁式連續采礦法

根據早子溝金礦礦體傾斜方向布置回采工作面,并沿走向開采。隨著礦石的高效產出及工作面的不斷推進,采區內形成的采空區逐漸增大,為保證采場內作業空間的安全,需不斷增設人工假柱。而該工程主要采用密集型混凝土假柱維護頂底板的穩固性,具體開采方案如圖1所示。

3 工程應用

3.1 采場結構參數

為加速采場的采準進度及提高采礦回采率,直接利用穿脈運輸巷道刷大為卷揚機硐室,并于礦體中心下盤8 m垂高高差位置施工下山斜井,并每隔40～50 m垂高施工中段臨時車場貫通礦體,而后施工兩翼沿脈拉底工程直至礦體尖滅,然后于左右兩翼礦體可采區域施工切割上山,切割上山長度50～80 m,貫通至上中段沿脈巷,作為回風巷道及人行出口。

3.2 采場回采工藝

以切割上山作為自由面,采場回采按照兩翼向中間、由上中段沿脈向本分層拉底巷逐步推進的切采順序。每次切采寬度為1.5～2.0 m,單班切采長度為10 m左右,單班落礦能力為40～50 t。為防止上山切割礦石崩落至采空區,由上中段沿脈巷安裝40 kW卷揚機牽引鋼結構擋板的防炮擊運搬裝置,鋼結構擋板的規格需確保切采礦塊大部分回彈至作業面附近,以便于電耙耙裝,防止礦塊崩入采空區造成損失。后續以切割上山為自由面進行切割作業,作業前控制40 kW卷揚機牽引鋼結構擋板裝置于作業面移動,并利用三角支架等管構固定。一方面,作為作業面提供臨時支護,確保頂板安全;另一方面,切采鉆孔施工方位與鋼結構擋板相互配合,確保爆破礦堆全部在鋼結構擋板攔擋區域內。

根據頂板揭露情況施工人工假柱確保頂板安全性,人工假柱利用直角邊1.5 m、厚度0.5 m的直角三角形混凝土預制塊拼接而成。下放時必須挑選養護7 d以上、預留孔完整且表面光滑平整的預制塊,利用電耙自上而下將預制塊運送至作業區域。根據頂板穩固情況,采場內底板掘底0.3～0.5 m形成人工假柱的基礎坑,人工假柱規格根據頂板破碎情況而定,控制在3.0 m×3.0 m～4.0 m×4.0 m,人工假柱按照間距6～10 m以三角形布置于采場內,混凝土強度不低于C20;而后利用圓鋼或廢舊鋼管等將混凝土預制塊的預留孔穿拉固定于掘底區域,并采用快硬水泥封堵預制孔。混凝土澆筑前需支模板確保密封性,混凝土澆筑過程中及時注意人工假柱澆筑體外露情況。人工假柱施工點與回采作業的安全距離需大于10 m,確保灰砂比等技術參數按照C20混凝土施工,及時利用振動棒等確保混凝土的充填結頂率。下中段礦體延伸情況下,還需施工加密人工假柱,確保下中段人行通道及回風順路暢通。所有礦石通過該中段沿脈運輸巷經中段運輸上山提升至運輸大巷,然后提升至井口。

3.3 應用及效果

通過人工假柱的施工確保頂板的穩固性,防止頂板出現大面積塌方。與此同時,通過人工假柱施工,無需施工橫縱向轉柱切割工程,無論在回采周期及采礦成本的控制上都有巨大的優勢。而且,40 kW卷揚機牽引鋼結構擋板的應用避免炮擊礦石至采空區,提高了礦石的回收率。采場左右兩翼交替回采,對向沿脈通道可作為臨時車場,節省穿脈車場工程量。

采礦方法優化前后取得的主要技術經濟指標如表1所示。由表1可知,緩傾斜薄礦體長壁式連續采礦法較房柱采礦法在回采周期、采準工程量、萬噸采掘比及采場綜合效益等方面都有較大的提升,可作為一種行之有效的采礦工藝進行試驗并推廣。

表1 主要技術經濟指標對比

隨著早子溝金礦采礦工藝的逐步成熟,在生產過程中各種生產細節需逐步完善:①人工假柱的快速施工及各種混凝土添加劑的應用試驗,并逐步獲得最佳混凝土施工工藝參數,后期可通過試驗高分子材料(如高分子氣囊)等確保頂板面完全結頂,達到快速、安全、高效的目的;②40 kW卷揚機牽引鋼結構擋板的結構及材料優化,在穩定支撐、采場內轉移等操作工藝繼續改良,后期可通過改良擋板材料性質及穩固結構降低牽引裝置質量,從而降低卷揚機功率、型號等參數,實現卷揚機快速轉移的目的,提高作業效率。③隨著尾砂充填技術的推廣及應用,采空區及時充填,達到礦區地壓控制的目的[4];隨著尾砂充填技術的成熟,可以考慮上向尾砂充填傾斜長壁采礦法取代傾斜長壁采礦工藝,取消人工假柱的施工,大幅度降低采礦成本。

4 結 論

本次研究以早子溝金礦緩傾斜薄礦體為例,根據礦山現有采礦法存在的一些技術問題,提出一種長壁式連續采礦法并進行現場工業試驗,所得結論如下:

1)根據現場調研結果,早子溝金礦現有采礦工藝仍以房柱采礦法為主。雖然房柱采礦法安全系數較高,但其采準工期較長,圍巖破碎條件下礦柱回收率較低且回收成本較高。

2)根據早子溝金礦礦體傾斜方向布置回采工作面,并沿走向開采。隨著礦石的高效產出及工作面的不斷推進,采區內形成的采空區逐漸增大,為保證采場內作業空間的安全,需不斷增設人工混凝土假柱。

3)長壁式連續采礦法較房柱采礦法在回采周期、采準工程量、萬噸采掘比及采場綜合效益等方面都有較大的提升,可作為一種行之有效的采礦工藝進行試驗并推廣。