极软薄破矿脉下向机械化安全并采技术研究

　　摘要：为了解决极软薄破矿脉普遍采用下向进路胶结充填开采过程中，存在劳动强度大、机械化程度低、生产成本高等问题。基于前河金矿甚沟矿区南矿带实际情况，对极薄破矿脉下向进路胶结充填开采的特点进行了研究，以提高机械化程度、降低回采成本为目标，结合类似相关矿山工程实践，通过优化采矿结构参数、凿岩与爆破方法、支护工艺及出矿形式，优选适用的机械装备，探索出极软薄破矿脉下向机械化安全并采技术，即通过合并相邻采场，共用采准工程，研究微扰无掏槽爆破与锚网支护工艺，采用高效出矿设备，实现极软薄破矿脉的机械化安全开采。现场工业试验表明，该技术可实现极软薄破矿脉的机械化高效开采，技术经济指标良好。

　　关键词：极软薄破矿脉;下向进路开采;机械化;安全并采

　　0引言

　　极软破碎矿脉在贵金属特别是黄金矿山中占比较大，通常采用上向或下向进路胶结充填采矿法进行回采，而这其中又以下向进路胶结充填采矿法居多[-5]。为了提高下向进路开采时的机械化程度和效率，许多学者做了大量的研究与实践工作。当前在矿体方面的研究主要集中于厚大矿体，如金川二矿区、焦家金矿、阿舍勒铜矿、谷家台铁矿、锦丰金矿、范家堡子滑石矿以及毛坪铅锌矿等，通过施工脉外斜坡道，采用凿岩台车、铲运机等装备，实现机械化下向进路胶结充填开采。设备方面，近年为了提高极软破碎矿体整体开采的机械化程度，范纯超、李俊平等[1-1]提出以悬臂式掘进机为主体的无爆机械化采矿方式，并在某些矿山进行了应用。对于极软薄破矿脉，受限于矿体宽度、岩体性质及回采方法，采场空间较窄，大型机械设备无法施展，整个回采过程中劳动强度大、效率低、回采成本高，隐患多、安全风险大，影响矿山企业的经济效益。

　　随着国家对绿色开采的需求以及开采新思维的转变，必须降低下向回采过程中的木材消耗及人力消耗，实现极软薄破矿脉的高效机械化开采。

　　嵩县前河矿业有限责任公司(简称"前河金矿")甚沟矿区南矿脉属于典型极软薄破矿脉，矿岩松软破碎、遇水泥化、自稳性差。经过多年的探索与技术攻关，逐步形成了较为成熟的下向进路胶结充填回采工艺[-8]，但在实际开采的过程中，存在着支护成本高、劳动强度大、效率低、通风困难、回采成本高等问题。

　　基于前河金矿甚沟矿区南矿脉实际情况，结合类似相关矿山工程实践，以提高机械化程度、降低回采成本为目标，对其采矿方法进行全面优化，探索出极软薄破矿脉下向机械化安全并采技术，其在现场工业试验中取得了良好的技术经济指标。

　　1现有采矿工艺及存在的问题

　　1.1矿区开采技术条件

　　矿体厚度最大为6.39m，最小为0.74m，平均厚度为3.08m，厚度变化系数为78%，平均倾角为68"，矿石类型主要为碎裂岩和糜棱岩，上盘为碳酸盐化碎裂岩，工程揭露后极易塌方。下盘为碎裂安岩一蚀变安山岩，相对稳固。

　　矿区内主要矿岩的稳定性较差，RMR评级均在l1级以上，大部分区域稳定性差-较差，整体工程地质属于中等复杂型，水文地质相对简单，属裂隙充水的中等矿床。

　　1.2下向进路胶结充填开来工艺

　　沿走向布置采场，采场长度为40m，宽为矿体厚度，当厚度大于2.0m时，采用多进路回采，高为40m。采用脉外天井采准，天井上段作为人行通风，下段作为溜矿。随开采下行，在两端布置顺路通风井，如图1所示。

　　预留1.5~2.0m顶柱，由采准天井垂直矿体施工分层平巷，至矿体后，向矿体两端进行回采。凿岩采用7655气腿式凿岩机进行凿岩，卷状乳化炸药进行爆破。出矿采用全人力出矿。

　　采场支护采用直径不小于15cm坑木进行支护，根据矿岩的稳固程度，调节坑木排间距。待分层矿体回采结束后，进行平场、铺碎石、彩条塑料布后，采用坑木、铁丝、木板及土工布等在天井联络巷口构筑充填挡墙，后对空区进行胶结充填，充填高度为1.5m

　　1.3现有工艺存在的问题

　　(1)单个采场回采断面为2.2m×2.0m，支护采用坑木支护，断面小、回采量小，采掘巷道内矿石难以进行机械运输，因此只能采用人工出矿，造成采场长度受限，整体回采效率不高。

　　(2)单次充填量小，充填连续性差，造成充填管道使用频率高、冲洗维护工作量大、寿命降低等。(3)由于充填不接顶，下部回采分层必须采用坑木支护，支护成本高达943元/m，且在井下遇水腐化放热，加剧井下通风难度，井下职工职业健康卫生无法保证，消耗大量坑木，也不利于矿山的绿色发展。

　　(4)单个采场的作业量小，限制了整体回采的机械化程度;预留顶柱回收困难，首采层回采过程中安全性差，配套充填回风井维持困难，采场安全作业条件差。

　　1.4制约采场效率提高的关键因素根据对现有采矿工艺的阐述及其存在的问题，制约前河金矿甚沟矿区南矿脉采场效率的关键因素有：

　　(1)采场空间窄，结构参数偏小，单个采场矿量较少;

　　(2)充填不接顶，大量采用坑木支护，进一步减少采场作业空间;

　　(3)矿岩整体稳定性较差，局部梁场地下水发育;1

　　(4)矿区主要并巷断面小，常规高效出矿装备无法快速进出采场。

　　2下向机械化安全并采技术针对制约前河金矿甚沟矿区南矿脉采场效率的关键因素，结合矿区的实际情况及相关类似工程案例，提高采场机械化程度及效率的思路如下：

　　(1)优化采场结构参数，增加单个采场的作业空间及矿量;

　　(2)优化爆破与支护工艺，降低爆破振动对围岩的影响，减少坑木支护，增加进路采场断面面积;

　　(3)合理布置采准工程，在不增加多余工程的前提下，提高采场风路的稳定性及可用性，降低采场工作面的温度;

　　(4)研制或选择合理的采矿装备，提高采场整体的机械化程度。

　　基于以上思路，从结构参数、爆破及支护工艺、采准工程和采矿装备，对现有的采矿方法及工艺进行优化[15]。

　　(1)结构参数。将2个相邻采场合并开采，采场长度为80m，宽度与高度不变，将2个采场的采准工程合并使用，在回采过程中，首先在两相邻采场回采出1条进路，作为设备行走、通风、出矿等的通道，以最大限度的提升采场的矿量及通风条件，如图2所示。

　　(2)爆破工艺。由于矿岩本身稳定性差且结构面多，受爆破振动影响较大，必须对爆破工艺进行优化，降低爆破振动对矿岩的影响，降低后续支护及出矿的难度，如图3所示。

　　结合矿岩本身的地质构造，通过合理的布置炮孔，在凿岩爆破时，利用进路两侧预留10～15cm的护臂矿及顶部利用上分层的铺底碎石作为减震层。两侧的护臂矿依靠矿岩自身垮落或风镐进行回收[20]。

　　(3)支护工艺。坑木支护是较为简单易行的支护方式，但对于断面本身较窄的回采进路，是限制阻碍机械化程度提升、通风等的关键因素，如图4所示。

　　通过现场调查与分析，确定采用锚网支护替代坑木支护，锚杆选用管缝式锚杆，长度为1.2~1.4m，网片采用5mm，30mmX30mm网度的钢网。

　　同时，为了避免因充填体未结顶导致的充填体与两帮的摩擦力不足的问题，在进行铺底筋时，采用10mm的螺纹钢将底筋与底部锚杆进行连接固定，并将相邻进路的底筋连接，进而提高充填体与两侧围岩或矿体的摩擦力及充填的整体性。

　　(4)出矿工艺。因采用人工出矿，出矿时间在整个作业流程的时间最长，且劳动强度极大，导致整个作业面回采效率低，进而造成井下需要同时回采的作业面数量高达40多个，安全风险较大。综合国内外小型机械化出矿装备的发展情况及其适用范围，选择ZWY-40型扒渣机配套电动三轮车作为出矿设备，并根据井下的实际情况，对ZwY40型扒渣机进行定制，可实现四轮转向，车身长3480mm、宽1106mm、高1306mm(工作)，转弯半径为1740mm，每小时可耙运40m3的物料，并配置有破碎装备，个别需要破碎的大块可利用破碎装备进行破岩。

　　3现场应用

　　根据上述技术方案，选取甚沟矿区南矿脉的-80-81-80-79采场作为试验采场，即将2个采场统一采准。采场所采矿体为NS矿体，矿体岩石为黄铁矿化碎裂安山岩，矿体上、下盘围岩为蚀变安山岩，岩石不稳固，片理、节理特别发育。矿体品位变化大，受构造影响，矿体赋存状态复杂，平均品位为2.47g/t，矿体平均厚度为4.17m，地质矿量为2.45万t，金属量为61.18kg，具体工程布置如图5所示。

　　3.1试验采场布置

　　采场沿走向布置，长度为80m，高度为40m.宽度为4.17m。由中段主巷在79线、81线垂直矿体施工采准联巷，在联巷一侧施工天井硐室，采用反井钻机雨1.4m施工采准天井，连接上下中段，预留1.5~2.0m厚的顶柱。

　　3.2回采I艺

　　根据矿岩的稳固条件，将采场划分为双进路采场，首先回采下盘进路，将2个采准天井联通，后将扒渣机和电动三轮车放入采场，当分层回采结束后，利用电动葫芦将设备悬吊于采准天井中，后对采场进行充填。

　　(1)凿岩爆破。采用7655气腿式凿岩机及ZWY-40型扒渣机配套破碎装置联合破岩。对于较为稳固的区域，采用7655凿岩机进行凿岩，并采用乳化炸药爆破，炮孔布置方式如图6所示。对于较为破碎及两侧护臂矿区域，采用ZWY-40型扒渣机机械破岩。

　　(2)通风。新鲜风流由79线采准天井进入采场，洗刷采场后，由81线天井回至中段巷道，并布置15kw局扇1台，用于局部通风不佳时使用。

　　(3)出矿。采用ZWY-40型扒渣机配套电动三轮车进行出矿。在回采过程中，爆破通风后，进行出矿作业，根据作业地点的不同，倒入距离最近的天井中。

　　(4)支护。支护采用锚网支护，锚杆采用1.2m、045mm管缝式锚杆，间排距为0.5m×0.5m，钢网采用3mm、30mm×30mm网度的钢网，底筋主筋采用币10mm的螺纹钢、辅筋采用Ф6mm的圆钢，主筋沿采场走向布置，主辅筋网度为1.0mx0.5m，采用8"铁丝对其进行捆扎。

　　3.3采场充填

　　待分层回采结束后进行平场，铺碎石，铺彩条布及底筋，后采用10mm的螺纹钢将底筋与底部锚杆连接，并用8"铁丝捆扎。

　　3.4技术经济指标

　　经过半年的现场试验，取得的现场技术经济指标如下：梁场生产能力为26.4t/d，贫化率为5.6%，损失率为4.8%，采矿充填成本为262.94元/t，支护成本为675.73元/m

　　4讨论

　　在极软薄破矿脉的开采中，下向进路胶结充填采矿法是较为常用的方法，但受限于作业空间等因素，通常存在机械化程度低、劳动强度高、支护难度大、生产效率低等问题。本文研究出一种适用于极软薄破矿脉高效机械化开采的方法，其在一定程度上提高了采场的机械化程度，降低了劳动强度，但仍有进一步提升优化的空间。

　　(1)软破岩石对支护时限较为严格，需在采场回采结束后，及时进行锚网支护。

　　(2)合理组织作业流程，有效利用每天的作业时间，可大幅提升作业效率。前河金矿甚沟矿区采场2d方能完成一个作业流程，是造成作业效率无法提升的主要原因。

　　(3)采用扒渣机机械破岩效率较高，可进一步探索机械破岩方式以提高机械化，降低劳动强度。

　　5结论

　　通过现场试验及以上论述，得出以下结论。

　　(1)合理的优化采场结构参数、爆破与支护工艺可有效的增加采场作业空间，提高机械设备的利用率。

　　(2)验证对于极软破碎岩石管缝式锚杆的适用性，经现场试验，最大拉拔力超过100kN.

　　(3)采用下向机械化安全并采后，前河金矿甚沟矿区采场生产能力由11.88t/d提升至26.40t/d，采矿充填成本由280.45元/t降低至262.94元/t，支护成本由943元/m降至675.73元/m.

　　(4)验证了下向机械化安全并采技术在极软薄破矿脉中的可用性，可在相同开采技术条件的矿山企业中推广应用。

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　　Abstract: In order to solve the problems of high labour intensity, low degree of mechanization and high production cost in the process of adopting downward approach cemented filling method for extremely-soft and thin broken veins, based on the actuasituation in the southern ore belt of the Sengou mining area of Qianhe Gold Mine, the characteristics of downward approach cemented filling method were studied so as to improve the degree of mechanization and reduce the cost of mining. Combined with engineering practices in similar related mine, by optimizing the mining structure parameters, rock drilling and blasting methods, supporting technology and mining forms, and optimizing the applicable mechanical equipment, downward mechanization and safe simultaneous mining technology for extremely-soft and thin broken veins was explored. By merging adjacent stopes and sharing mining preparation engineering, the micro-disturbance non-cutting blasting and bolt mesh support technology were studied, and the highrefficiency ore drawing equipment was adopted to realize the mechanized safe mining of extremely-soft and thin broken veins. Field industrial tests show that this technology can realize mechanized and efficient mining of extremely-soft and thin veins, with good technical and economic indicators.

　　Key words: Extremely-soft and thin broken veins, Downward approach mining, Mechanization, Safe simultaneous mining

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