缓倾斜中厚破碎矿体采矿方法优化实践*

李占炎，王贻明，陈顺满

(1.中色非洲矿业有限公司谦比希铜矿， 赞比亚 基特韦 22592；2.北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 100083；3.石家庄铁道大学土木工程学院， 河北 石家庄 050043)

0 引言

随着矿产资源的大量开发，越来越多的矿山开始转向地下开采，使得矿山地下开采的比例越来越大[1-2]。在地下开采中，井下采空区容易失稳，且地表堆存的尾砂也会带来一定的安全和环境风险，因此，充填法在矿山的应用越来越广，但充填采矿方法的成本相对较高[3-4]。

针对充填采矿方法成本相对较高的现状，国内外学者对其进行了大量的研究工作，胡国斌等[5]对谦比希铜矿东南矿体开采技术条件进行了分析，将Mathew理论计算方法应用到采场稳定性的分析中，可为矿山选择合理的采场结构参数提供指导。黄小忠[6]和查道欢[7]采用有限差分软件FLAC-3D建立了某铁矿三维数值计算模型，对采场合理进路尺寸进行了优化，确定了合理的采矿工艺。贾彦州[8]将“大孔距、小抵抗线”的控制爆破技术应用于某土堆矿区，并对其采场结构参数进行了优化，提高了矿山生产能力，大大降低采矿成本。苏先锋[9]提出了整体钢筋混凝土假顶分层崩落法及下向分层膏体充填采矿法两种方案，并对采场结构参数和开采工艺进行了对比分析，优化出了最优的采场结构参数和工艺。张利平等[10-11]在对矿山开采技术条件和地质条件分析的基础上，对采矿工艺进行了优化，并将其应用于现场工程实践。综上所述，上述研究从理论公式、数值模拟和工程实践等方面对采场结构参数和采矿工艺进行了优化，提高了矿山的生产效率，降低了生产成本，但不同矿山开采技术条件和工程地质条件存在差异，需对不同矿山进行针对性的研究。

为了安全、高效和经济地开采谦比希铜矿西矿体，本文对谦比希铜矿西矿体破碎矿岩地质条件进行了分析，对缓倾斜中厚破碎矿体在实践中存在的问题进行了探讨，结合矿区开采技术条件，提出了“采准斜坡道+采联布置的上向分层充填采矿法”，对采场结构参数进行了优化，并将其应用于现场工程实践。

1 矿山概况

1.1 矿体地质概况

谦比希铜矿西矿体走向近东西，倾向南，矿体倾角 18°～40°，平均倾角为 30°，平均铜地质品位为2.1%。矿体走向长1400～2100 m，平均真厚度为7.36 m。矿体东部和中下部厚度较大，西部厚度相对较小，仅3～4 m。矿体属中厚缓倾斜矿体，-300 m中段以上风化严重，矿体底板以下的基底岩石和长石石英岩地层稳固性良好，矿体本身稳固性中等。矿体顶板岩石稳固性差，部分地段很差。

西矿体属大水矿山，含水层主要分为矿体含水层及燧石白云岩含水层，矿体含水层和燧石白云岩含水层之间的“上部石英岩”为相对隔水层。在构造裂隙发育的地段，两含水层之间有弱-中等的水力联系。矿体含水层正常涌水量15 000 m3/d；最大涌水量28 000 m3/d。如果对上盘白云岩含水层全面疏干，或者大面积采用崩落法开采，塌陷导致和主含水层沟通，则矿坑涌水量预计为正常（雨季）30 000 m3/d，最大40 000 m3/d。

1.2 矿体采矿现状

影响采矿方法选择的主要因素是含水层和矿岩稳固性差，考虑到排水系统压力大、排水成本高及疏水周期长等因素，并且矿石含铜品位较高，因此初步设计通过多方案比较，选择采用常规的进路充填法开采，设计采掘比为140 m3/kt，年生产能力为100万t矿石量。

西矿体-300 m中段以上已开采多年，所采用的采矿方法为常规水平分层上向充填采矿法，采场沿走向布置，且采场沿走向长度为60 m，进路尺寸为4.0 m×4.0 m（宽×高），目前采场生产能力相对较低，主要问题是采场数量多，生产作业面多，运输距离长，管理分散，由于矿体平缓导致泄水系统无法形成，作业环境差，设备利用率和人员效率较低，直接人均采矿效率只有2.6 t/d。

2 采矿方法优化设计

采矿方法优化的方向为大盘区集中管理、大型无轨设备应用、精准高效凿岩爆破、有效的支护方法及充填方式，确保整个采矿循环高效顺畅。因此将原来的传统分段巷+采联布置的上向分层充填采矿法调整为采准斜坡道+采联布置的上向分层充填采矿法，采用高分段、大断面、大盘区大采场进行回采，以解决原采矿方法存在的问题。

选用深部-300～-500 m 的矿体作为采矿方法优化后的设计范围。该区域矿体走向长约 1100～1200 m，划分-400 m、-500 m两个中段，中段高度100 m。每个中段沿矿体走向划分3个盘区，盘区长约360 m。每个盘区建立单独的运输、充填、排水系统，独立开采。

2.1 开拓运输系统

利用现有的竖井提升系统，采用竖井加斜坡道开拓，-400 m中段采用无轨运输；-500 m中段采用有轨运输。-400 m中段矿、废石用铲运机及矿用卡车通过溜井转运至-500 m有轨运输中段；-500 m中段矿、废石直接经盘区溜井下放到-500 m中段，由电机车运输到竖井，再提升至地表。

2.2 回采工艺

（1）盘区和采场布置。沿矿体走向每 360 m划分为一个盘区，盘区水平上划分为2个采场，采场长度180 m，采联与分段联巷连通，布置于采场中间，单侧长度不超过100 m。两采场之间留3 m的间柱不回采，设计采掘比为92 m3/kt。中段高度100 m，分段高18 m，每个分段分为4个分层。

（2）采准、切割。采准工程布置在矿体下盘，每个盘区设1条采准斜坡道，自斜坡道掘进分段联络道至每个分段，然后掘进溜井联络道、采矿联络道通达矿体。每个采场设1条溜井和1条充填管缆井。充填管缆井兼做回风泄水井。

采准、切割工程主要有采准斜坡道、分段联络道、溜井联络道、采矿联络道、矿石溜井、充填管缆井等。

（3）回采、出矿。采场自中间采矿联络道向采场两端前进式回采。进路尺寸为（4.5～6.0）×4.5 m（宽×高），进路间留1 m矿柱。

2.3 采区通风系统

爆破落矿后，新鲜风流经中段巷道、采准斜坡道进入。通过设置在采准斜坡道上的局扇和风筒将新鲜风流经分段联络道、分层联络道、出矿巷道压入作业工作面，污风通过局扇和风筒经出矿巷道、分层联络道和分段联络道和充填管缆井联络道压入充填管缆井，然后排至上部回风巷道，经回风井排出地表。

2.4 采场支护

由于矿体稳定性差，加上优化后的采场长度从原来的60 m优化为180 m，因此，及时有效支护是最关键的一环。采场顶板全部采用“锚杆+锚索”支护，局部破碎地方增加钢筋网。锚杆支护参数：排间距1.0～1.2 m，每排10根，长度2.1 m。锚索支护参数：锚索排距2.0 m，每排3～4根，长度6.5 m。

2.5 采区充填系统

地表膏体充填站→西部充填管缆井→-400 m中段运输巷→盘区充填回风泄水井→采联→采场端部。采用膏体充填，基本没有泄水，为采矿标准化提供了基础条件。

2.6 盘区生产能力及设备配置

谦比希铜矿西矿体，以盘区为单位配备大型高效凿岩台车，根据台车配备铲运机、锚杆台车和锚索台车，达到生产能力高效组合。

图1、图2和图3为矿山正在使用的双臂自动化凿岩台车、自动化注浆锚索台车和自动化计量称重铲运机，采场凿岩采用电脑版双臂凿岩台车施工水平炮孔，采用装药车装药，非电爆破。爆破通风完毕后，用撬毛车撬毛，然后由14 t铲运机出矿，铲运机斗容7 m3，铲运机平均运距200 m。铲运机经采场进路将矿石卸入矿石溜井。出矿完毕后即用锚杆、锚索台车对顶板进行锚杆、锚索支护，锚杆网度1.0 m×1.0 m，锚索网度2.0 m×4.0 m；每个采场进路开采完毕后进行充填挡墙构筑等准备工作，随后进行膏体充填，灰砂比为 1:12～1:16。按照工艺循环及设备参数测算，盘区生产能力单进路回采为每天450 t，年15万t，双进路以上回采为每天750 t，年25万t。2个中段6个盘区设计年生产能力120万t，设计比-300 m中段以上常规进路分层充填法的100万t年生产能力，提高了20%，采掘比降低42 m3/kt。

图1 双臂自动化凿岩台车（M2C）

图2 自动化注浆锚索台车（Cabletec LC）

图3 7 m3自动化计量称重铲运机（ST14）

3 采矿方法设计优化实施

3.1 大盘区设备人员的集中管理

每个盘区都有独立的运输、通风、排水、充填系统，为了确保有足够循环的作业面，充分发挥设备的能力，按照就近集中的原则，将6个盘区划分为两个大采区，各配置一套设备和人员，集中管理。

3.2 实施效果

3.2.1 技术经济指标

根据谦比希铜矿西矿体的开采情况，综合分析了2016年、2017年、2018年和2019年矿山的生产数据，2016年-300 m中段以上基本达到初步设计的产能，实现了年采矿量达到98.8万t；2017年按照优化后的设计开始施工，逐步投产，通过三年的调整，2019年达产达标，实现了采矿量达到125万t，直接人均采矿效率达到7.5 t/d，是2016年的2.8倍，经济效益显著。具体技术经济指标见表1。

表1 技术经济指标

3.2.2 设备更新换代投资

为了提高矿山的生产能力，完成矿山生产工艺的改造，投入了大量的设备，且这些设备投资全部采用年度设备更新资金，3年总投资1800万美元，其中使用3年的常规年度更新资金1500万美元，新增投资300万美元，2020年已全部收回。

4 结论

（1）通过对谦比希铜矿西矿体上向分层充填采矿法的优化，从集中管理的理念出发，将原来的采准巷道平面布置改为立面布置，适当增加生产系统工程配置，减少原采矿方法中的分段运输巷道，总的采掘比有所降低，实现了盘区独立开采，为设备、人员的集中管理奠定了基础。

（2）西矿体缓倾斜中厚破碎矿体受大量地下水的影响，属难采矿体，适合采用水平分层充填采矿法。通过对采矿方法进行优化，并配置大型化设备，提高了资源利用率，经济效果显著。

（3）该采矿方法的优化贯穿大型设备及采矿现场的标准化管理，专业化的无轨设备维保，信息化管理，以及管理制度实施，为该方法的实施提供了保障可为类似矿山提供借鉴。

（4）通过对采场结构参数进行优化，采场长度从原来的60 m优化为180 m，因此，需及时支护以确保采矿安全。