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紫金山深部铜矿创新采矿技术研究与实践

2020-11-07 636 上传者：管理员

摘要：紫金山深部铜矿自建成投产以来，在井巷支护、矿房凿岩硐室布置、矿房底部结构布置及采空区充填等方面存在安全隐患大、采掘作业效率低、成本偏高等一系列问题，矿山也长时间无法实现达产。对此，矿山通过采取巷道分级支护研究、双排巷凿岩硐室设计、矿房底部结构优化、新型充填胶凝材料试验等采矿技术创新，现场工业试验表明具备较好的技术经济指标和经济效益，井巷工程支护成本节省350～500万元/年，大孔凿岩硐室施工成本减少约19%，充填成本下降约8元/立方米，整体采掘施工进度加快并实现达产，提高了企业的经济效益和社会效益。

关键词：
双排巷
底部结构
支护
采矿技术
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紫金山金铜矿是我国20世纪80年代发现并探明的特大型有色金属矿山之一，是一个典型的上金下铜、金矿床和铜矿床均达到特大型规模的斑岩型矿床。紫金山深部铜矿采用地下开采方式，开采范围在+100～-100m标高，矿床工程地质条件属坚硬半坚硬块状岩类为主、局部夹薄层软弱岩石的简单类型。+100～-100m间铜矿床主要埋藏于潜水面以下的原生带中，裂隙发育程度较弱。

1、现状

地下铜矿设计采矿规模5000t/d，服务年限约11年，于2007年7月开始建设，2015年6月建成投产，2016年12月完成充填系统建设工程，2017年4月完成通风系统改造工程。开采顺序由下往上，首采区为-100m～0m中段，再开采0m～+100m中段，每中段分为两个分段，分段高度50m。矿房综合生产能力700t/d，中段生产能力5000t/d。

开拓运输系统采用“胶带斜坡道+盲副井”联合开拓方式。-100m以上各中段矿岩采用汽车运输，矿石经溜井下放到-150m水平，经粗碎后由胶带斜坡道运出地表选矿厂。胶带斜坡道主要担负矿石的提升任务，同时兼作无轨设备出入地表和进新风之用。盲副井主要承担提升人员、废石、设备、材料，也是主要进风通道。

采用大直径深孔嗣后充填的采矿方法，矿房回采用侧向崩矿。爆破是以切割天井或VCR法拉槽形成自由面，逐渐形成切割槽。矿块垂直走向布置，长为矿体厚，宽15m、高100m，分段凿岩高度50m，出矿高度100m。为确保安全生产，目前阶段出矿高度调整为50m。采用隔三采一方式回采，确保空区稳定性，较长矿块分两次回采，将矿块一次回采长度控制在75m以内。矿房出矿完后，采用分级尾砂胶结料浆按不同灰砂比进行充填。

2、存在问题

目前深部铜矿0至-100m中段一步骤矿房已基本回采完毕，正进入二步骤矿柱回采阶段，100m至0m中段正在开拓施工。自矿山深部铜矿建设投产以来，受到多方面的影响，导致井巷掘进工程严重滞后，矿房接替困难，无法达到5000t/d设计产能，而且采矿成本也长期居高不下。主要存在以下几个技术方面的原因：

(1）支护方面

由于深部围岩较破碎，多次出现冒顶、片帮现象，为了加强井下安全管理，矿山制定了《紫金山金铜矿深部巷道支护标准化管理制度》。按照制定的支护标准及要求，必须做到井下掘进一排支护一排，人员不得在裸体巷道内作业。此外，二步骤矿房装矿进路基本都在充填体内施工，为防止矿房爆破后造成进路的垮塌，均需进行砼支护。导致采准工程严重滞后，掘进能力较以往下降30%，而且采取短掘短支方式掘进，部分服务年限较短、岩性较好的巷道存在过度支护的情况，造成成本上升。

(2）大孔凿岩硐室布置方面

凿岩硐室采用大断面硐室形式布置，该硐室是由3.8m×3.8m的巷道扩刷形成的硐室，硐室断面规格为16m×3.8m，每隔约7m布置一组2m厚间柱，如下图所示。该形式的凿岩硐室暴露面积过大，无法实现机械化作业，只能用手工钻进行扩刷，因此造成施工安全性低、效率低、成本高，局部地段极易造成垮塌，影响凿岩作业；另外，硐室顶眼、周边眼较难控制，易造成硐室成型较差，影响施工质量。

(3）底部结构布置方面

矿房底部结构采用“V”形集矿堑沟形式布置，先在矿房底部中央施工一条拉底巷道，在拉底巷道内施工上向扇形中深孔，底部集矿堑沟由中深孔爆破形成。集矿堑沟双侧双向均以45°角掘矿房装矿进路，交错布置，进路间距为10～11m。

由于阶段高度调整为50m段高，中段高度调整为50m后，和原100m段高回采相比，堑沟方案-50m中段凿岩硐室需充填后，再施工出矿巷道、装矿进路等采准工程，整体采准工程量增加。

(4）充填方面

紫金山深部铜矿开采采用胶结充填，水泥消耗量大，充填成本高，占整个采矿成本约30%。后期二步骤矿柱回采时，必须在充填体内开挖巷道，巷道开挖后充填体散发热量，造成工作面温度过高，严重影响施工。

3、创新采矿技术应用

3.1巷道分级支护研究

为解决深部开采存在的支护问题，确保生产安全，兼顾施工效率和支护成本等因素，矿山对深部支护标准和要求作了进一步的规范，矿山与设计院合作，共同开展“紫金山金铜矿深部巷道分级支护标准及设计”项目。

3.1.1分级支护标准

根据巷道功能、所处岩性和断面等，推荐的分级支护类型如下：

(1）永久类巷道。主运输巷、回风巷、探矿巷道支护类型在Ⅲ类岩体为锚网，Ⅳ类岩体为锚网喷；充填进风巷、通风措施巷等在Ⅲ类岩体支护类型锚网（拱部挂网），Ⅳ类岩体为锚网喷。

(2）采准类巷道。大孔凿岩巷及其联络巷、出矿巷道在Ⅲ类支护岩体类型锚网，Ⅳ类岩体为锚网喷；装矿进路支护类型为锚网喷，眉线口4m范围为钢筋混凝土支护。

(3）特殊类巷道。岔口巷道区域支护类型为锚网喷，巷道在花岗斑岩区域长度大于6m，采用锚网喷支护，锚索加固。

3.1.2分级支护成本

据统计，紫金山金铜矿深部巷道每年的掘进米数在5000m左右。中细粒花岗岩为主要围岩，风化花岗岩和花岗斑岩为局部岩体；锚网喷支护改为锚网支护的巷道比例预估为50～70%，以巷道降本1400元/米计算，采用分级支护标准预计可节省350～500万元/年的成本。

3.2双排巷大孔凿岩硐室设计

通过对大孔凿岩硐室结构进行优化，由硐室形式改为双排巷形式。矿房两端交错布置硐室开口，平行施工两条巷道，巷道断面呈1/4三心拱型，规格5.5m×4.1m，巷道之间预留3m宽安全间柱，安全间柱沿硐室长轴方向以长条形布置在矿房正中央，间柱在回采过程中一并回采。双排巷形成后在条形安全间柱两端形成贯通口作为人行通道，贯通口规格3m×3m，在矿房中间布置切割天井硐室，硐室规格7m×4.2m，如图2所示。

图2双排巷形式大孔凿岩硐室平面布置图

采用双排巷形式布置凿岩硐室在安全、成本、进度及施工质量方面均取得较好的效果。首先硐室结构优化后，提高机械化程度，可实现大型机械化设备作业，而且硐室暴露面积更小，顶板更不容易出现冒落，整体安全系数增加；其次经优化成双巷巷后，凿岩硐室断面由原来的断面面积45.25m2减小到每巷断面面积20.98m2。在同等条件下，优化后经济成本较优化前下降约19%；最后在施工进度和质量方面有较大提高，使用台车掘进，掘进效率增加约一倍，而且巷道成型比较好控制，安全间柱不容易破坏。

3.3矿房底部结构优化

矿山为尽量减少采切工程，加快整体矿房采准工程施工进度，对二步骤矿柱回采的底部结构布置形式进行优化，由“V”型堑沟调整为平底形式，单侧布置装矿进路。经现场试验，底部结构优化后取得如下成效：

(1）采准工程大量减少了大孔硐室高强度充填体充填量和二次掘进与支护工程量，减少了充填、掘进及支护成本；

(2）避免了原凿岩硐室回采后顶部会冒落，充填接顶无法密实，堑沟结构中孔凿岩装药难度较大，施工和爆破难度风险很大，且硐室冒顶部位充填体会混入矿石，造成贫化的现象；

(3）相对于堑沟结构，降低了矿石的损失率和贫化率。

3.4新型充填胶凝材料应用

紫金山深部铜矿开采采用大直径深孔嗣后充填采矿方法，充填成本占比大，以致采矿持续成本偏高。矿山为降低采矿成本，与厦门紫金矿冶技术公司、中国建科院、厦门大学等多家机构及高校就充填新型胶结材料开展技术攻关研究，进行了多种充填材料固化试验，而且试验结果表明新型胶结材料达到了预期工业试验要求，具备工业运用条件。目前已开始使用新型充填胶凝材料进行充填，降低充填成本。

根据实验室同步试验及井下取样结果数据分析，新型胶结材料1∶8最终强度与普硅水泥1∶5.5最终强度相当，根据试验检测的充填料浆沉缩率（4%）计算，充填1m3空区达到相同充填体强度需要充填专用水泥158kg，需要普硅水泥222kg。通过计算，在达到同等强度情况下充填1m3空区可减少胶结料使用量64kg，充填成本可降低约8元/立方米。

4、结论

(1）采用巷道分级支护，避免了矿山“过支、漏支”现象，既提高了作业效率，也节省了支护成本。

(2）对矿房大孔凿岩硐室优化，采用双排巷布置后，在安全、成本、进度及施工质量方面均取得较好的效果。

(3）针对目前矿山二步骤矿柱回采采用平底结构布置，很大程度上减少了采准工程量，而且节省了中深孔凿岩成本、充填成本，降低了采矿贫化损失指标。

(4）新型胶结材料试验研究在矿山得到很好的应用，对类似矿山具有一定的借鉴意义。

参考文献：

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