钨矿床类型有矽卡岩型、热液脉型、斑岩型、火山岩型等多种。据目前已查明的储量, 国外钨矿山以矽卡岩型白钨矿床为主, 热液脉型次之, 我国以热液脉型为主, 矽卡岩型矿床次之。矽卡岩型矿床的矿体厚大, 可采用高效率的大型设备, 工艺也可简化, 作业条件好, 经济效益显著。而热液脉型矿床变化复杂, 如欲使用高效率的大型设备则受到地质条件的限制, 所以薄矿脉开采技术长期落后于中厚至厚大矿体。

有色金属地下矿山中, 脉状矿床开采的矿石量占的比例不小, 如苏联有色金属地下矿山总产量中, 从脉状矿床采出的约占1/3, 我国急倾斜薄矿脉按生产矿山地质储量约占10 %, 占地下开采总出矿量的比例约为25 %, 如按矿山个数及建矿所花投资等进行统计, 比例更大, 其劳动生产率低, 成本高, 作业条件差, 这是难题, 须引起采矿界的重视。

近十余年来, 国外液压技术大力发展, 广泛采用无轨设备, 斜坡道开拓系统和天井爬罐、天井钻机, 并配合使用相应的高强度采矿方法和新的开拓方式, 使采准工程、采场出矿、凿岩、支护及其他有关辅助作业等工艺都有所改进, 出现了一些新的开采方案, 改善了井下工人采矿作业条件, 劳动生产率一般比我国高3~5倍。

总的说来, 国外矿山机械化水平比我国要高得多, 加之近十余年来我国钨业的不景气, 矿山老化, 采深增加, 开采条件日益复杂, 致使以前使用的本来存在不少问题的采矿方法, 就更不能适应目前的需要, 为此迫切要求改进。

本文针对我省钨矿山采矿方法存在的主要问题, 立足于现有条件或稍加努力, 列为科研课题进行攻关, 探索急倾斜薄脉群钨矿床采矿方法改进的途径, 如能实现, 不仅解决了钨矿山采矿技术问题, 而且解决了条件类似的黄金、锡及部分铅锌、铀等矿山的采矿技术问题。

一 江西钨矿床赋存特点及其开采条件

江西钨矿多属高温热液裂隙充填黑钨-石英脉急倾斜薄矿脉。该类型矿床, 有大脉型、细脉带两大类。其中, 大脉型又分单脉、复脉、脉组, 细脉带一般由单脉构成复脉, 许多平行复脉杖成脉组。按储量计算, 大脉型占多数, 细脉带占少数, 单脉占少数, 复脉占多数。细脉带中的脉幅小, 围岩间距也小；大脉型酌脉幅大, 围岩间距也大。大脉型矿脉成近似平行状, 脉幅一般0.2~0.5米, 个别的达1~3米；围岩间距一般为1~3米, 个别的4~20米。不少矿山又分南、中、北三组, 其组间距70~350米。矿脉沿走向和倾向均呈现分枝复合、膨胀收缩、尖灭侧现、侧伏等产出, 绝大部分矿脉走向近乎东西, 也有个别矿脉走向近乎南北。矿脉走流长度一般为500~1000米, 延深200~800米, 倾竞60°~85°, 个别50°左右才90°。脉钨矿床一般的有上部(或边缘)分散稀疏, 下部(或中间部位)收敛逐渐靠拢等特征。

矿石为石英脉黑钨矿, 坚硬稳固, 不结块、不氧化、不自燃。围岩, 多数矿山为变质砂岩、板岩、砂页岩、千枚岩、石英质砂岩, 少数矿山为花岗岩。一般节理发育, 岩矿分明, 稳固性较好, f=8~14。单脉及脉群分采区适合用普通浅孔留矿法(亦称小采), 脉群合采区适合用阶段矿房法开采(亦称大采)。因地质构造复杂, 受断层、节理、破碎带等的影响及矿脉分枝复合、尖灭侧现、脉间距厚度不一, 造成矿块圈定工件非常困难, 即设计时采幅不易圈定, 回采时采幅难以控制, 往往在脉群区既有大采, 又有小采, 有时出现大小采相邻或大小采相间的复杂布置, 给采矿方法选择、通风、运输及井下其他工艺系统的布置, 增加了意外的困难或工程量等。

二 现行采矿方法存在的主要问题 (一) 小采用的浅孔留矿法

据上述急倾斜薄矿脉单一型及脉群间距大的赋存特征, 留矿法当然是最合适的采矿方法之一。江西钨矿使用留矿法的历史最长, 经验丰富, 而且遇到矿脉变化、开采条件变坏时创造了多种变形方案:如留底柱留间柱的普通留矿法；无底柱(假巷)留矿法; 顺路天井留矿法; 留矿堆上铺道重做切割工程的留矿法；盲中段留矿法, 采场中留不规则矿柱地留矿法；支柱留矿法；分段留矿法；吊罐留矿法；爬罐留矿法；倾角较缓的矿脉使用水力冲运分段留矿法等。扩大其使用范围, 解决了许多难采矿块的问题, 在一定的历史条件下, 留矿法对钨矿脉的回采是合适的, 即使在目前条件下, 留矿法还是单脉回采主要的方法。但该法普遍反映出贫化率大, 生产能力低, 机械化程度不高, 作业条件差, 坑木消耗多和大量积压存窿矿石等缺点。

(二) 小采用的削壁充填法

五十年代曾在几个矿山试用过削壁充填法。当时的结显的矿块, 用削壁充填法是可行的。由于工艺复杂, 劳动强度大, 生产效率低, 作业条件差, 坑木消耗多, 垫板铺设难以达到要求, 更主要的是矿脉不可能不变, 一旦变化, 崩矿时矿脉、围岩不易用爆破方法分开, 则贫化损失增大, 被迫停采, 必须改变采矿方法。因此推广时阻力很大, 至今仍未推广应用。

(三) 大采用的阶段矿房法

该方法由于在天井两侧每隔6米高布置凿岩硐室, 大大的削弱了间柱的强度, 所以崩矿柱时的安全威胁大; 水平扇形深孔孔底距太大, 加之常受断裂构造影响而变形、错位、装不进药, 炮孔利用率低, 致使崩矿后块度大, 出矿效率低, 损失贫化大。

(四) 大采用的分段空场法

由于分段坑道掘进时的搬运、通风防尘条件差, 万吨掘进量大, 采矿效率低、成本高, 大块产出率也高。

三 对现行采场底部结构的评价 (一) 小采场的底部结构

六十年代以前普遍使用木质闸门式漏斗, 留底柱或不留底柱的底部结构。后因木材供应紧张, 逐步将木漏斗改为钢筋混凝土漏斗, 仍系自重放矿。八十年代以来, 个别矿山推广了振动放矿机出矿, 虽然出矿成本略有升高, 担减轻了工人的劳动强度, 提高了出矿效率, 受到有关人员的好评。这是发展方向, 应大力推广。

(二) 大采场的低部结构

五十年代曾用过音叉状格筛二次破碎的底部结构。由于存在底柱量太大, 格筛易坏, 二次破碎时不安全, 桃形矿柱易炸坏等许多缺点, 自六十年代初以来对底柱进行了改进, 普遍使用平底堑沟式拉底, 出现了“无格筛二次破碎自溜放矿”、“电耙出矿”, “装矿机出矿, 等三种形式, 各有优缺点。

1.“无格筛二次破碎自榴放矿”。是大吉山钨矿六十年代初国家处于困难时期, 在钢材、电耙、装矿机缺乏, 又要满足大采场大量出矿的被迫情况下, 闯出了这项经验, 将格筛二次破碎道改为“无格筛二次破碎自榴放矿”, 既不用钢材, 也不用电耙、装矿机等设备, 满足了大量放矿的需要。此种结构型式在矿岩中硬以上的条件下, 穷对付已渡过二十余年, 本省其他钨矿亦推广应用, 并取得了较好的效果, 即在无电耙、装矿机的情况下, 仍可继续应用。

2.“电耙出矿”和“装矿机出矿”。七十年代末期之后, 国家经济条件转好, 不少合采区的采场逐步过渡到用“电耙出矿”、“装矿机出矿”的底部结构。从底柱量考虑, “装矿机出矿”没有底柱, 回采率高, 优于“电耙出矿”。大吉山钨矿的脉外运输道及“T”字形装矿机道用得较好。从设备故障来说, 电耙的故障少, 装矿机的故障较多。铁山垅钨矿对电耙与装矿机出矿作了比较, 以电耙出矿效率较高(100~120吨/机台班), 成本较低(0.49元/吨), 而装矿机的出矿效率较低(60~80吨/机台班), 成本较高(0.82元/吨)。

以上三种底部工程, 谁优谁劣, 要看矿山的物质条件及采场的开采条件而定。从发展形势看, 如液压铲运设备能满足矿山的需要, 大吉山钨矿“T”字形装矿机道的经验可以广为应用。从目前经济效益看, 电耙出矿的优点较多。从中小型矿山的客观条件看, 如矿岩有中等稳固以上的自然条件, “无格筛二次破碎自溜放矿”是合适的。

四 改进单脉及脉群分采区(小采场)采矿方法的设想 (一) 爬罐浅孔留矿法及爬罐水平中深孔留矿法

爬罐浅孔留矿法1984年在大吉山钨矿试验成功。该方法切实可行, 已取得较为满意的效果, 在矿岩稳固、矿脉稳定、采幅0.8 ~3米者可广泛应用。为使爬罐浅孔留矿法回采工艺进一步完善, 现提出如下改进方案:

1.采场长度可适当增加, 在采场两端掘爬罐天井, 选一个作爬罐运行井, 即提升人员、材料、设备, 另一个天井将爬罐拆除, 改用可拆装的活动金属平台与梯子, 并随着采场上升而回收, 作备用安全出口, 两端不设金属顺路小井, 人员从上部中段进入采场。

2.在矿脉规则、采幅较宽的条件下, 可考虑用爬罐法掘天井, 在爬罐内用高效率的中深孔凿岩机(必须研制配套的新型支架)向矿房打水平中深孔分层落矿, 亦即爬罐水平中深孔留矿法, 如条件允许矿石可不暂存采场, 则变为阶段矿房法。

(二) 分段空场法

分段高度依据矿脉的稳定性、矿岩稳固性和凿岩设备能力而定。在矿脉规则、变化不大的条件下, 一般50米高的中段, 只需布置2条分段坑道。在分段坑道内利用现行的高频风动凿岩机, 研制既能打上向孔又能打下向孔的配套支架, 使之上向孔可打8米以上, 下向孔可打4米以上, 炮孔布在矿脉中间, 间距0.5~0.6米, 采用光面控制爆破技术, 成倒向阶梯或垂直分条崩矿, 控制采幅在0.8~1.2米。

分段坑道掘进, 目前无CT-500HE微型电动液压铲运机, 可用湖南核工业局机修厂制造的微型电动铲运机, 宽度要控制到1.2米。由于严格控制了采幅, 降低了贫化, 虽然采掘比大, 采矿直接成本增加, 但减少了废石运输量及选矿费用, 对比之下经济效益是好的, 其作业条件肯定会大大改善。

该法适用条件严格, 使用范围受到限制, 一般仅适用于矿脉稳定、围岩稳固、脉幅较大(0.8米以上), 矿岩接触面较明显的急倾斜单脉, 也可适用于矿脉稳定变化不大的复脉, 其间所夹围岩不厚, 圈定为合采、采幅较宽的采场。

为了减少回采时的损失贫化, 也可考虑采用振动放矿机出矿的底部结构, 再在拉底层以上布两条分段坑道, 则分段坑道的高度只有13~14米了, 采用现行的高频风动凿岩机并研制出配套的支架, 打上向及下向孔深度的困难问题预计可以解决。

1987年中南工业大学、湖南有色金属研究所、川口钨矿等三单位研究, 岳阳机床厂试制的SQZ-1型潜孔钻车, 主要用于钻凿天井, 下向穿孔深度达30余米, 炮孔偏斜率低, 如能按技术鉴定会专家建议予以改进, 形成系列产品, 可望用于矿脉很规则、采幅1.5米以下的小采场进行采矿, 其分段高度更可提高。

在放矿过程中由于采幅狭窄, 可能出现卡住放不下来的情况, 则可采取人在上部分段坑道安全位置, 用高压水枪冲洗采场, 并在下部运输坑道将粉末金属集中回收, 以提高回采率。

(三) 加固围岩, 扩大留矿法的应用范围

不少采场常受地质构造影响造成采矿困难, 即使采了, 也无法放矿。如欲改用其它方法, 又受客观条件限制。为了解决这个难题, 可在采场上盘或上下盘的围岩内打钻孔, 插入长锚索注浆加固围岩, 然后采用浅孔留矿法快采快放。该法可在脉幅较宽、品位较高的松软矿块试用, 虽然成本较高, 但全面衡量还是合算的。

(四) 水平分层矸石充填法、削壁充填法或采场工作面选别充填法

当矿脉围岩松软, 脉幅较宽, 品位较高, 不宜用浅孔留矿法回采时, 则采用削壁充填法、采场工作面选别充填法或水平分层矸石充填法等三种方法。到底用何方法好, 需视具体情况而定。如矿脉规则、矿脉与围岩接触面明显时, 当以采用削壁充填法较为经济省事。当矿脉与围岩不能用爆破方法分开时, 则采用工作面混合选别充填法, 这两种方法可视具体情况随时转换, 只有当以上两种方法都不能用时, 才考虑用普通水平分层矸石充填法, 因为矸石来源较远, 需取自井下其他掘进面或选厂的废石, 或专门采取充填料, 并要形成充填系统, 较为复杂。

采场运搬最好采用微型电动液压铲运机, 如无此设备则用小型电耙代替, 或者研制一种简易灵活的轻型短距离搬运设备。每采一分层在废石面上铺上废旧胶皮带或将废石平整后浇一层3~5公分厚的低标号混凝土, 作为废石与矿石的隔离层。其矿石井、废石井、充填料井、人行井、通风井、材料井等采准工程的布置则视矿脉赋存情况而定, 要有统一规划, 以求互不影响, 提高利用率。

五 改进脉群合采区(大采)采矿方法的设想

下面提出两种改进方法:前者是立足于现有条件及爬罐采矿技术有关问题基本解决或者某些具体问题须研究改进的前提下而提出来的；后者可逐步创造条件, 力争能在短期内实现, 以便从根本上解决钨矿山采矿技术落后的现状。

(一) 爬罐水平中深孔回采矿房, YQ-100深孔回采矿柱

鉴于现行采矿方法存在上述主要问题, 加上爬罐用于采矿已初见成效, 扩大其应用范围完全是可能的。为此立足于现有条件, 从YG-90中深孔、YQ-100深孔两者崩矿方式中, 找出一种两步骤回采的联合采矿法, 即用爬罐水平中深孔留矿法或阶段矿房法回采矿房, YQ-100深孔采间柱及顶底柱。

具体做法是:矿块一般长50米, 矿房为43~44米, 间柱7~6米, 底部结构可视各矿具体条件而定, 有条件时可用无轨液压铲运设备, 目前仍可沿用以往的布置方式；矿房的崩矿方式是在矿房内布两个天井, 用爬罐掘进。爬罐天井之间的距离为23米左右, 在爬罐天井上用YG-90重型凿岩机及其研制改进而配套使用的支架打水平中深孔, 深度一般8~12米, 一次打眼, 分次爆破, 崩矿后矿石留在采场则为留矿法, 将矿石放空则为阶段矿房法, 在穿脉坑道位置留7~ 6米的间柱, 即在穿脉坑道一侧用人工支柱法掘25米高的半节天井, 天井顶部掘一个YQ-100深孔凿岩硐室, 打一排垂直扇形深孔崩间柱及部分束状深孔崩顶底柱, 一般上向孔深15~20米, 下向孔6~10米, 在沿脉平巷的中部掘一个为崩顶底柱用的YQ-100凿岩硐室(详见附图)。

采准工程量:底部工程可沿用目前的布置型式, 其崩矿部分的采准工程只有两个半天井, 即125米, 三个YQ-100凿岩硐室, 与目前的阶段矿房法、分段空场法相比, 其采准工程及崩间柱的炮孔量大大减少。

作业条件:不论是回采矿房还是矿柱的凿岩条件都比现行采矿方法要好, 爆破条件则更好, 特别是崩间柱、顶底柱, 一个矿块总共只有三个铜室的爆破量, 而且可实现少量多次即分为三次爆破, 互不干扰, 提高了爆破作业的安全性。

(二) VCR采矿法

实践证明, 此法是一种新的高效率的采矿方法。可在急倾斜中厚以上、矿岩稳固的条件下应用, 比现行阶段矿房法、分段深孔或分段中深孔空场法、崩落法和充填法等优越得多, 究其原因, VCR法是以合理的球状药包爆破理论为基础, 以先进的集中作业的采矿工艺为保证。

分析国内外VCR法的应用, 在爆破效果上公认有三大优点:崩下矿石多, 即爆破体积大, 矿石破碎质量好, 爆破后空区的四壁(包括充填体壁面)和顶板较平整且破损较少。

VCR法的爆破效果好, 这要从爆破理论上给予解释, 可以认为, 是由炸药性质与爆破介质性质的匹配性, 大孔径与藕合装药, 球形药包爆破机理与倒漏斗崩矿等各种因素综合作用的结果。

评价一种采矿方法的先进性, 不仅需要考虑爆破效果, 还要从采矿方法的结构, 主要采矿环节的紧密协调性, 作业集中程度, 作业安全性, 生产能力和劳动效率等整体来评价, VCR法在这些方面要比其它采矿法更为完善和先进。

VCR法结构合理, 采场工程简单, 采准工程只有凿岩坑道及铲运机道, 作业条件十分安全, 用ROC-306型和CMM-2型等大孔径钻机凿岩效率高, 爆破工艺可靠, 回采速度快, 集中出矿效率高, 一次充填速度快等都是该法突出的优点。

钨矿急倾斜脉群合采区的开采条件与急倾斜中厚以上矿体开采条件相似, 用VCR法回采是可行的, 预计比现行的阶段矿房法、分段空场法要好得多。可是钨矿山目前不景气，即使矿山技术更新改造, 急千要做的事也无法办到。为此, 从实际出发近期内暂不建议采用此法, 但希望矿山尽快创造条件, 如具备大直径深孔钻机、铲运机及新型爆破材料等条件时, 应用VCR采矿法将会收到满意的效果, 获得好评的。

六 必须处理好有关的几个问题 (一) 合理圈定矿块(即圈定采幅)

由于脉群变化复杂, 是分采还是合采, 不易肯定。以往因天井掘进困难, 中间没有穿脉坑道的地质资料作参考, 几乎所有矿山在圈定矿块工作中, 造成该分的未分, 该合的未合。也就是说丢的是否该丢, 采的是否该采, 难以定论。因此建议今后必须在天井中部用KD-100钻机钻取岩芯, 素描编录, 取样化验, 每个天井至少要有一个钻孔的资料, 矿脉变化复杂者则要2个以上。如能按此程序圈定矿块, 便可避免以往圈定矿块时的盲目性, 从而降低损失贫化。

(二) 大小采相邻、大小采相间的关系

圈定的矿块, 常有大小采相邻、大小采相间, 即大采邻近有小采, 大采之间夹小采或者小采之间夹大采等复杂情况, 加之其间所夹围岩不厚, 采矿方法不同, 要求不一, 一般的大采是沿矿脉走向布置, 也有垂直走向布置, 因而浩成运输系统、通风系统网路等的复杂化, 采掘顺序不好确定, 如果处理得好, 则问题可以简化, 否则就更复杂。

需要指出:采掘顺序(包括放存矿)除严格贯彻“自上而下、先上盘后下盘、由远而近的后退式”的顺序外, 坯应考虑“大小采同时回采、同时放矿”的原则, 在选择采矿方法时, 还应考虑大小采的采矿方法有无特殊要求, 相互间有无矛盾等, 必须做到同时采用两种采矿方法互不影响。

(三) 采空区处理及其地压控制

不管用什么采矿方法都得考虑采空区是否要处理, 如何处理?才能控制其地压活动, 达到确保矿山安全持续生产的目的, 特别是随着矿山的老化, 采深的增加, 涉及的问题也就越多, 有的矿山即将转入深部开采更应如此。