地下金矿非爆破机械化连续协同开采技术_陈维.pdf

收稿日期2019-12-07 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51774326） 。 作者简介陈维 （1986） ， 男， 工程师。通讯作者杜坤 （1985） ， 男， 副研究员， 博士， 硕士研究生导师。 总第 527 期 2020 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE 地下金矿非爆破机械化连续协同开采技术 陈维 1 杜坤 2， 3 陈伟 11 （1. 湖南黄金洞矿业有限责任公司， 湖南 岳阳 414507； 2. 中南大学资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083； 3. 中南大学高等研究中心， 湖南 长沙 410083） 摘要实现地下硬岩矿山非爆破机械化连续开采一直是业内追求的目标， 随着材料与机械学科的深入发展以 及卸荷岩石力学理论及岩石诱导破裂机制的不断完善， 虽然少数地下硬岩矿山开始践行非爆破机械化连续开采， 并取 得了很多有益的经验， 但成功的案例仍然较少， 并且非爆破机械化开采的应用条件尚不明确。结合金塘3脉和杨山庄 202脉的赋存产状， 提出了一种地下金矿非爆破机械化连续协同开采技术， 即采用EBZ160.Z型巷道掘进机开采金矿。 根据矿体的厚度、 掘进机截割宽度和充填方式的不同， 分别提出了薄矿脉水平分层废石胶结充填法、 薄矿脉水平分层 尾砂胶结充填法、 厚矿脉水平分层废石胶结充填法和厚矿脉水平分层尾砂胶结充填法4种变体非爆破机械化连续协 同开采方法。非爆破机械化连续协同开采技术所涵盖的 “玻璃钢锚杆高强纤维网木支柱” 支护、 铲运机或装载机出 矿及废石/尾砂胶结充填等工艺均取得了较好的实践效果， 具有开采成本低、 劳动强度小、 机械化程度高、 作业连续及 效率高等优势， 大幅度提高了地下矿山的本质安全。 关键词非爆破协同开采硬岩地下金矿掘进机 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -05-070-06 DOI10.19614/ki.jsks.202005010 Non-explosive Machinery Continuous Synergetic Mining Technique for Underground Gold Mine Chen Wei1Du Kun 2， 3 Chen Wei12 （1. Huangjindong Mining Industry Limited Company of Hunan， Yueyang 414507， China;2. School of Resources and Safety Engineering， Central South University， Changsha 410083， China;3. Advance Research Center， Central South University， Changsha 410083， China） AbstractOne of the final goals for mining industry is to realize non-explosive machinery continuous mining and technology for hard rock mines． With the rapid development of materials and machinery subjects，and the in-depth un- derstanding the theory of unloading rock mechanical properties and rock induced fracture technique，some mines start to practice non-explosive mechanical continuous mining and gain a lot of useful experience． However，the applying conditions for non-explosive machinery continuous mining are still unclear． In view of the detailed storage conditions of Jintang 3 orebody and Yangshanzhuang 202orebody，a kind of non-explosive machinery continuous synergetic mining is put forward，i．e． mining gold ore using an EBZ160．Z tunnel boring machine． According to ore body thickness，the cutting width and height of EBZ160．Z tunnel boring machine，and backfilling s，the specific implementation techniques are given， i．e． horizontal layering and cemented waste rock filling for thin veins，horizontal layering and cemented tailing filling for thin veins，horizontal layering and cemented waste rock filling for thick veins，and horizontal layering and cemented tailing filling for thick veins． In field practice，the“FRP anchor high strength fiber mesh wood” support s，ore drawing by scraper or loader，and waste rock/tailings cemented backfilling all obtains good results．The study results show that the non-explosive machinery continuous synergetic mining has the advantages of low mining cost， low labor intensity，high degree of mechanization， continuous operation and high efficiency，which greatly improves the intrinsic safety of the mine． KeywordsNon-explosive， Synergetic mining， Hard rock， Underground gold mine， Road header Series No． 527 May 2020 70 ChaoXing 目前， 几乎所有的大型地下煤矿均采用综采成 套装备机械破岩方式进行回采 ［1］， 地下硬岩矿山则采 用凿岩爆破的方式进行回采。前者是一种连续不间 断的作业模式， 工作效率较后者高出很多倍； 后者是 一种非连续的作业模式， 涉及工序很多， 如凿岩、 爆 破、 通风、 出矿、 支护和充填等， 各工序准备和实施时 间较长， 造成采矿效率低下 ［2］。如果能实现地下硬岩 矿山如地下煤矿一样真正意义上的连续开采， 硬岩 矿山的作业安全、 生产能力及回采效率都将大大提 高， 而掘进机是当前最具可行性的硬岩连续开挖设 备 ［3］。 目前， 鉴于隧道施工的容许成本高且作业周期 短的特点， 隧道掘进机开挖与掘进机截齿破岩等方 面已经取得了大量的研究成果并被广泛工程应 用 ［4-10］。但地下硬岩矿山利用掘进机回采矿石的实 践案例较少， 如开阳磷矿磷矿石的普氏系数为14.8， 属于典型的硬岩， 但是其磷矿石节理裂隙发育， 用 EBZ160TY型巷道掘进机进行机械化开采取得了良 好效果 ［3］。在地下硬岩矿山非爆破机械化开采过程 中， 除了考虑机械设备选型及材料耗损问题外， 还应 关注以下两个方面的问题 （1） 老矿山现有工程与大型开采机械的协同问 题。文献 ［11］ 提出了 “协同采矿” 的概念， 即在采场 结构 （含采场型式、 结构参数和采准布置等） 或采场 回采工作 （含地压控制与落矿、 矿石运搬） 两大方面 具有合作、 协调与同步等协同属性的采矿方法。硬 岩矿山机械化回采过程中， 也存在现有开拓采准系 统及采场结构如何适用于大型机械回采的问题。 （2） 硬岩矿山， 尤其是金属矿山， 矿体赋存条件 复杂， 矿体赋存倾角多变， 厚度范围变化大。在采用 掘进机开采时， 不能向煤矿那样， 综采设备可长时间 固定在特定区域进行作业 ［12］， 掘进机矿石开采与巷 道掘进机开挖也不相同， 巷道尺寸是保持恒定的， 而 矿体厚度多变 ［13-15］。硬岩矿山机械化开采需要设计 特殊的采切工程布置方案及选用可灵活移动的机械 设备。 本研究根据湖南黄金洞矿业有限责任公司的主 采矿体赋存产状， 提出了一种地下金矿非爆破机械 化连续协同开采方法， 进而从通风、 出矿、 支护和充 填等方面提出了具体实施工艺， 最后根据现场实践， 分析了该采矿方法及其工艺的优势。 1研究背景 湖南黄金洞矿区内主采矿体为金塘3脉和杨山 庄202脉。金塘3矿脉受断裂构造控制明显， 走向近 EW， 倾向S， 倾角43～66， 矿脉带与围岩界线清楚， 沿断层顶底板可见不稳定断层泥。矿体由含金蚀变 破碎板岩及含金石英脉组成， 以含金蚀变破碎板岩 为主， 矿脉带金矿化不连续。杨山庄202脉产状、 形 态受断层破碎带控制， 倾向 300～56， 倾角 62～ 72。矿体呈脉状产出， 沿走向、 倾向具有不明显的舒 缓波状变化特征。矿化受主断裂控制， 其厚度不超 过主断裂顶、 底两个构造面， 矿脉由含金破碎板岩及 少量含金石英脉组成。根据相关岩石力学试验结 果 ［16］， 金塘3脉和杨山庄202脉矿体岩石力学性质参 数如表1所示。 虽然湖南黄金洞矿区内主采矿脉岩石强度高， 但岩体内部节理裂隙发育， 不能大面积暴露， 容易发 生冒顶等工程灾害。目前， 湖南黄金洞矿主要采矿 方法为进路式废石充填采矿方法， 即以巷道爆破开 挖方式采矿和人工废石砌袋充填， 该方法生产效率 和机械化水平低， 造成了井下开采所需工人多、 安全 性差等问题。针对上述情况， 本研究提出了掘进机 机械化连续开采的工作思路。 2非爆破机械化连续协同开采方法与工艺 目前， 矿山现有的开拓工程尺寸较小， 掘进机无 法整机开至采场， 且存在掘进机开采时金属锚杆影 响连续开采等问题。因此本研究基于老开拓系统与 新采矿方法采切工程相协调以及 “玻璃钢锚杆高强 纤维网木支柱” 支护、 铲运机或装载机出矿及废石/ 尾砂胶结充填等工艺相互协调的原则， 提出了一种 非爆破机械化连续协同开采技术。该技术涉及的非 爆破机械化连续协同开采方法有4种变体， 分别为薄 矿脉水平分层废石胶结充填法、 薄矿脉水平分层尾 砂胶结充填法、 厚矿脉水平分层废石胶结充填法和 厚矿脉水平分层尾砂胶结充填法， 其中薄矿脉水平 分层废石胶结充填法和薄矿脉水平分层尾砂胶结充 填法适用于厚度为2.0～4.3 m的矿脉， 选择沿矿体走 向一次性全断面开采。 2. 1机械化开采设备优选 根据黄金洞矿区矿体赋存条件及开采技术条 件， 首先采用EBZ75型煤巷掘进机对杨山庄202脉进 行机械化采矿试验， 初步验证了掘进机应用于黄金 洞金矿破岩落矿的可行性。但由于EBZ75型掘进机 破岩功率较小， 在无自由面的情况下， 落矿效率不 2020年第5期陈维等 地下金矿非爆破机械化连续协同开采技术 71 ChaoXing 高。最后选定EBZ160.Z型巷道掘进机正式进行采矿 试生产， 取得了良好效果， 两款掘进机具体参数见表 2。要实现 “出矿支护充填” 机械化连续开采， 试 生产中需要配置的相关设备的技术参数如表3所示。 *当铲运机使用效果不佳时， 探索使用装载机。 2. 2薄矿脉机械化开采方法 2. 2. 1薄矿脉水平分层废石胶结充填法 薄矿脉水平分层废石胶结充填法的基本原理如 图1所示。 （1） 采场结构与参数。中段高度为40 m， 采场沿 矿体走向布置， 采场长度为矿体走向长度， 采场宽度 为矿体厚度， 采场不留底柱和间柱， 顶柱根据情况另 定。 （2） 采准工程。在矿体底板掘进脉外运输平巷， 每50 m布置一条穿脉， 在脉外布置人行设备上山、 溜 矿井和充填井， 每上一层， 进行一次联络道放顶。每 50 m布置一条溜矿井和充填井， 因采用废石充填， 溜 矿井和充填井不共用， 溜矿井和充填井坡度为60～ 70， 规格为2.0 m2.0 m。设备上山布置在矿体一端 端部， 为方便设备升层通行， 设备上山采取分段式布 置， 每段高度为10 m， 坡度为15， 规格为3.0 m3.0 m。为便于生产， 设备上山、 溜矿井和充填井布置需 在采矿作业前完成。 （3） 回采。回采断面规格为 （2.5～4.0）m3 m， 第一层掘进高度为3 m， 单次充填高度为2.0 m， 而后 每层落矿高度为2.0 m。单层采完后， 所有设备退至 设备上山中， 采用铲运机或装载机进行充填。设备 联络道靠近采场段用爆破放顶， 靠近设备上山段2～3 m利用掘进机凿岩放顶 （也可将设备退至分段平巷 后， 联络道整体采用爆破放顶） 。 （4） 矿石搬运。掘进机破岩时， 利用掘进机自带 的刮板运输机将矿石输送至掘进机尾部， 利用铲运 车或装载机将矿转运到溜井， 掘进机和铲运机连续 作业， 实现连续生产。 （5） 充填。在充填井中下放废石料和水泥， 铲运 车将混合的废石胶结充填料铲运到采场并堆放充 填， 铲运机可堆放高度为1.2～1.5 m， 利用人工砌袋胶 结充填至整体充填高度大于2.0 m， 空顶高度小于1.0 m， 尽量较小空顶高度。 金属矿山2020年第5期总第527期 72 ChaoXing （6） 支护和巷道维护。采场支护采用玻璃钢锚 杆高强纤维网支护， 如遇破碎极不稳固段， 采用木 支架补强支护， 木材直径大于 18 mm， 支护间距为 1.5～2.0 m。锚杆支护间距设置为1.0 m1.0 m， 锚杆 长度为3.0 m。矿用高强聚酯纤维网选取型号为JD- PET200-200MS， 其经向和纬向强度均为 200 kN/m， 拉伸率小于25， 选用网孔尺寸为50 mm50 mm， 幅 宽为5.0 m。 （7） 主要经济技术指标。生产能力为3 800 t/月， 采切比为 28 m/kt， 贫化率为 10％～15，损失率为 12％～20。 2. 2. 2薄矿脉水平分层尾砂胶结充填法 薄矿脉水平分层尾砂胶结充填法原理如图2所 示。该方法与薄矿脉水平分层废石胶结充填法主要 在充填和主要经济技术指标方面存在差异， 其他方 面类似。 （1） 充填。采用尾砂胶结充填， 分层落矿高度3 m， 充填高度3 m， 由于金矿矿体破碎， 为保证安全， 实 施空区接顶。下部2.0 m采用低强度配比的尾砂充填 料浆进行充填， 低强度充填体中不添加碎石； 上部 1.0 m空间采用高强度配比的尾砂充填料浆进行充填 至接顶， 高强度充填体中添加30碎石。 （2） 主要经济技术指标。生产能力为5 700 t/月， 采切比为 28 m/kt， 贫化率为 10％～14 ， 损失率为 12％～16 2. 3厚矿脉机械化开采方法 本研究提出采用厚矿脉水平分层废石胶结充填法 和厚矿脉水平分层尾砂胶结充填法开采矿脉厚度为 4.3 m以上的矿体， 选择沿走向多次分条进路式开采。 2. 3. 1厚矿脉水平分层废石胶结充填法 厚矿脉水平分层废石胶结充填法原理如图3所 示。 （1） 采场结构与参数。中段高度为40 m， 采场沿 矿体走向布置， 采场长度为矿体走向长度， 采场划分 进路开采， 进路宽度根据矿体厚度调整， 为 2.5～4.0 m， 采场不留底柱和间柱， 顶柱根据情况另定。 （2） 采准工程。在矿体底板掘进脉外运输平巷， 每50 m布置一条穿脉， 在脉外布置人行设备上山、 溜 矿井和充填井， 每上一层， 进行一次联络道放顶。每 50 m布置一条溜矿井和充填井， 因采用废石充填， 溜 矿井和充填井不共用， 溜井和充填井坡度为60～70， 规格为2.0 m2.0 m。设备上山布置在矿体一端端 部， 为方便设备升层通行， 设备上山采取分段式布置， 坡度为15， 规格为3.0 m3.0 m。为便于生产， 设备 2020年第5期陈维等 地下金矿非爆破机械化连续协同开采技术 73 ChaoXing 上山、 溜矿井和充填井布置需在采矿作业前完成。 （3） 回采。首先沿矿体底板侧进行进路式开采， 回采断面规格为 （3.0～4.0） m3 m， 底板沿脉开采至 矿体端部后， 退回设备， 将采矿进路空间整体充填， 再沿走向进行下一条进路开采。采取沿走向采一条 充一条再循环施工的方式， 整层开采完毕后整体升 层， 升层后同样采用采一条充一条的方式进行进路 开采。升层方式与薄矿脉相同。 （4） 采场运搬。掘进机破岩时， 利用掘进机自带 的刮板运输机将矿石输送至掘进机尾部， 利用铲运 车或装载机将矿石转运到溜井， 掘进机和铲运机连 续作业。 （5） 充填。采完一个分条后， 将设备全部退至设 备上山或分段平巷内。利用废石胶结充填料对回采 空间进行整体充填， 利用充填井下放废石料和水泥， 铲运车将废石胶结充填料铲运到采场并堆放充填， 因 铲运机卸载高度受限， 顶部剩余1.0～1.5 m空间采用人 工废石胶结砌袋充填， 保障充填体最大限度接顶。 （6） 支护和巷道维护。采场支护采用玻璃钢锚 杆高强纤维网支护， 如遇破碎极不稳固段， 采用木 支架补强支护， 木材直径大于 18 mm， 支护间距为 1.5～2.0 m。锚杆支护间距设置为1.0 m1.0 m， 锚杆 长度为3.0 m。矿用高强聚酯纤维网选取型号为JD- PET200-200MS， 其经向和纬向强度均为 200 kN/m， 拉伸率小于 25， 选用网孔尺寸为 50 mm50 mm， 幅宽为5.0 m。 （7） 主要经济技术指标。生产能力为3 800 t/月， 采切比为 18.7 m/kt， 贫化率为 10％～14， 损失率为 10％～15。 2. 3. 2厚矿脉水平分层尾砂胶结充填法 厚矿脉水平分层尾砂胶结充填法原理如图4所 示。该方法与厚矿脉水平分层废石胶结充填法主要 在充填和主要经济技术指标方面存在差异， 其他方 面类似。 （1） 充填。采完一个分条后， 将设备全部退至设 备上山或分段平巷内。将已采的分条整体采用尾砂 胶结充填， 下部2.0 m采用低强度配比的尾砂充填料 浆进行充填， 低强度充填体中不添加碎石； 上部1.0 m 空间采用高强度配比的尾砂充填料浆进行充填至接 顶， 高强度充填体中添加30碎石。 （2） 主要经济技术指标。生产能力为5 700 t/月， 采切比为 18.7 m/kt， 贫化率为 9％～14， 损失率为 8％～12。 3现场实践 经过 0.5 a左右的机械化采矿试生产， 如图 5所 示， 黄金洞矿区共计掘进机回采矿石12 000 t， 通过成 本对比分析发现， 掘进机采矿的吨矿直接成本低于 传统钻爆法的直接成本， 废石胶结充填机械化开采 和尾砂胶结充填机械化开采成本分别比钻爆法少6.8 元/t和4.6 元/t （表4） 。巷道顶部全部用锚杆支护保持 稳固， 由于机械回采中单层回采周期短， 有利于巷道 维稳。掘进机和铲运机配合作业， 机械化程度高， 可 实现连续作业， 大大降低了劳动强度， 提高了作业效 率， 减少了劳动力需求， 提高了矿山的本质安全。 4结语 根据金塘3脉和杨山庄202脉的赋存产状， 提出 了一种非爆破机械化连续协同开采技术。为了使矿 体厚度与掘进机截割宽度相适应， 将采矿方法分为 全断面回采及平面内分进路回采两类， 进而从采准、 金属矿山2020年第5期总第527期 74 ChaoXing 通风、 出矿、 支护和充填等方面提出了具体实施工 艺。经过现场实践， 该非爆破机械化连续协同开采 方法的采矿直接成本低于传统的进路钻爆采矿法； 在采矿成本、 管理成本和安全成本下降的同时， 提高 了回采效率， 降低了劳动强度。 参 考 文 献 耿海清．我国大型煤矿项目建设环境、 社会问题及其对策 ［J］ ．煤 炭学报， 2008， 33 （5） 592-596． Geng Haiqing．The main environmental and social problems in Chi- nas large coal mine construction and the countermeasures ［J］ ．Jour- nal of China Coal Society， 2008， 33 （5） 592-596． 古德生， 李夕兵．现代金属矿床开采科学技术 ［M］ ．北京 冶金工 业出版社， 2006 152-163． Gu Desheng， Li Xibing．Modern Mining Science and Technology for Metal Mineral Resources ［M］ ．BeijingMetallurgical Industry Press， 2006152-163． 李夕兵， 姚金蕊， 杜坤．高地应力硬岩矿山诱导致裂非爆连续 开采初探以开阳磷矿为例 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2013 （6） 26-36． Li Xibing， Yao Jinrui， Du 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