1 地质概况

建德铜矿矿区位于浙西褶皱带钱塘江复向斜轴部中段, 矿区附近为一系列紧密平行褶皱, 区内断裂构造纵横交错极为复杂, 以纵向逆断层和正断层最发育。Ⅱ号矿体属中低温热液交代型矿床, 富含Cu、Zn、Au、Ag, 矿体受向斜褶皱构造控制, 呈似层状或扁豆状。向斜两翼矿体倾角约48°, 矿体长150m, 平均厚度21m, 矿区水文地质条件复杂, 上覆盖层均为可溶性岩体, 地下溶洞发育。矿区处于千岛湖国家旅游区内, 矿体上部有火车站、铁路、民房等, 地表不允许陷落。

2 采场构成要素

Ⅱ号矿体一步回采采用上向水平分层胶结充填采矿法, 二步回采采用分段空场法, 嗣后一次全尾砂充填。采场均垂直于矿体走向布置, 采场平均宽10m。

2.1 采准与切割

采场的采准切割工作包括沿脉运输巷、穿脉巷、回风巷、行人滤水井、溜矿井、充填井及拉底空间等。如图 1。底柱3m, 切割空间2m。

2.2 回采工艺

在充填体上采用YT-24型风钻凿水平孔, 后退式或前进式落矿, 采高2m, 采场中T₂G出矿进溜井, 溜井底部振动放矿, 矿石由穿脉巷经沿脉巷运出。一个分层采完后, 人工架设好行人滤水井和溜井, 尔后进行充填, 一周后进入下一个循环。一般采2m, 充2m, 保持2m的空间。

3 采场顶板管理

上向水平分层胶结充填采矿法, 其回采工艺要求采2m, 充2m, 但在回采的同时就会逐步形成4m左右高的空间。由于采场布置长度在40~100m之间, 宽度为10m, 暴露的空间比较大, 特别是长度超过60m的采场, 回采周期长, 大面积暴露空间的时间长, 给出矿和充填带来不安全因素。

3.1 光面爆破

采用缓冲爆破、预裂爆破和周边爆破等技术^[1], 实现对开挖轮廓的控制, 使周边轮廓线较精确地符合设计要求, 岩壁平整规则, 围岩较完整稳定, 使原有的构造裂隙也不因爆破影响而明显扩张。对长度小于60m, 宽10m左右, 矿石性质致密, 中等稳固, 地质构造相对简单的采场, 在宽度方向实行全断面一次爆破, 从而实现控制顶板的目的。

3.1.1 周边光面爆破参数

当采高达到2.0m时, 不要急于出矿, 人在爆堆上以3~5°的倾角在采场宽度方向凿周边眼, 炮孔ϕ40mm、长1.8~2.2m, 炸药为2^#岩石炸药; 周边眼孔距a=600~900mm, a_max=1100mm(当两炮孔之间有构造穿过时); 抵抗线W=550~850mm W_max=1100mm; 为使采场形成自然拱形, 减少岩面对爆破的夹制作用, 在宽度方向的两个角W₁取400~500mm, 周边眼的密集系数取0.8~1.0。周边眼施工结束, 即实现宽度方向全断面一次爆破, 然后一方面在已形成的光面层下T₂G出矿, 一方面后退式或前进式回采。一般在回采30~40m², 后就应形成一个光面层, 有利于出矿的安全。

3.1.2 装药结构及起爆方式

装药结构形式: ①特制小直径细药卷的连续装药, 药卷直径为d=20~25mm。由于连续装药, 当孔深超过2m时, 靠近孔口部位不装药部分较长, 易出现“挂门帘”现象。②特制小直径细药卷的空气间隔装药, 药卷直径d=22~25mm, 长度200~300mm。③普通直径药卷或药段的空气间隔装药结构, 这种方法较简单, 只须根据预定的装药集中度, 按一定间隔组成2~4段近似均匀地分布于炮孔内。建德铜矿即采用此装药结构, 如图 2所示。人工装药, 装药量0.25kg/m, 药卷位置及空气间隔长度采用自制的带有刻度的木炮棍来控制。

起爆方式为导火线→火雷管→导爆索→药卷, 一次起爆。

3.1.3 光面爆破处理后的顶板情况

顶板无浮石, 破坏小, 光面层明显, 并可见到炮孔残痕, 采场宽度方向两侧顶角成弧状, 整个顶板成自然拱形, 消除了应力集中现象, 有效地控制和维护了采场顶板。

3.2 锚杆护顶

某采场走向北东20°左右, 倾向北西西, 倾角30~45°, 矿体下缓上陡。-38m水平以上为单铜, 以下为Cu、Zn、S高品位多金属。矿体的上盘直接与层间逆断层接触, 在上盘围岩白云岩与矿体之间有0.1~0.3m的断层泥, 在层间逆断层四周还存在许多小裂隙, 回采作业时极易发生片帮或冒顶。类似这种地质情况仅靠光面爆破不能完全达到护顶要求, 须采用联合护顶措施, 如图 3所示。回采开始时, 由顶板向底板推进, 随采高的增加, 先逐步锚固上盘围岩。取垂直于断层面的角度, 以“一字”型或“之字”型布孔, 孔深1.5~2.5m, 网度1.0m×1.0m, 孔凿好即用水泥药卷锚杆锚固。当采高达到2.0m时, 人站于爆堆上凿周边眼, 实施光面爆破, 光面爆破结束后, 再在矿体与断层交界处以0.8m×1.0m的网度、孔深2.0~3.0m(以见围岩为准), 用水泥药卷锚杆锚固顶板与边帮。一般象这样复杂的地质情况, 回采面积达到10~20m², 就要进行护帮和护顶, 然后用T₂G出矿。

3.2.1 水泥药卷锚杆的原理及制作与安装

药卷锚杆主要运用特种水泥的快凝、快硬特性, 与螺纹钢配合, 沿岩孔全长锚固围岩, 短时间内达到较高的锚固强度, 并具有5%的径向膨胀系数, 大大增强锚固力。

它的制作及安装相当简便。取特种水泥和Ⅰ号、Ⅱ号添加剂, 按一定比例依次混合并搅拌均匀。用特制的锚杆纸袋盛装, 加工成ϕ35mm×200mm的药卷, 密封贮存, 保持干燥。

安装时取制成的水泥药卷在水中浸泡2~3min取出, 用炮棍逐个推入炮孔捣实, 随即插入ϕ18螺纹钢(一般长度小于3.0m)使其凝结硬化, 即可起到锚固作用。

3.2.2 实施效果

随着每个分层的回采, 在采场近40°倾角的上盘围岩中逐次布了近150根锚杆, 并在顶帮间采用光面爆破护顶, 不仅消除了浮石的隐患, 护住了顶板, 而且顺利回采了7000t以上矿石。水泥药卷锚杆的特点:

(1) 锚固力大, 安装1.5h后锚固力达117kN。

(2) 锚固质量高, 能快速实现全孔全锚固, 对节理裂隙发育的控顶支护极为有效。

(3) 施工工艺简单, 操作简便。

(4) 与楔缝式金属锚杆比较, 成本低且快速、高效、安全。

3.3 长锚索护顶

某采场矿体倾角40~52°, 倾向280°, 矿石属Cu、Zn、S多金属, 采场中有一火成岩体(γπ₂)由北西向南东方向呈弧状插入, 超覆在矿体上, 与矿体没有粘着力, 造成矿体形成悬浮支撑结构; 在此结构上靠北东东方向又有一条闭合挤压面, 但未发现位移迹象; 采场北侧γπ₂岩体两侧挤压破碎, 水平、垂直方向均有错动; 采场南侧顶部也较破碎, 局部易冒顶。这种情形仅应用光面爆破及水泥药卷锚杆是难以获得较好的控顶效果, 唯有用长锚索以实现良好的护顶效果。

3.3.1 长锚索布置形式与支护参数

长锚索布置一般有两种形式:一是从上盘运输巷向矿体上盘打下向扇形锚索孔, 此方法打孔、送绳、注浆较方便; 另一种是在采场向矿体的上盘打上向扇形锚索孔, 此方法送绳及注浆强度较大。为减少采准工程量, 利用已有的巷道来施工长锚索。在该采场0m充填硐室以采场中心为基准打下向扇形锚索孔, 如图 4所示。

长锚索选用破断力为1225N/cm²的ϕ15.5-6×19+1型钢丝绳。长锚索的长度根据可能的最大垮落高度和离层厚度来确定。设计选用锚索长度为20~40m, 网度以采场中心为基准, 自西向东4~6m, 平均每根锚索的支护面积9~12m², 长锚索设计握握力196kN/m, 实际可达245~294kN/m。

3.3.2 长锚索施工工艺

① 凿岩:使用YQ-100型潜孔钻机钻凿, 孔径100mm, 孔深20~40m, 以穿过岩体, 出露在采场顶板为准。②送绳及注浆:凿孔完毕, 冲净孔内岩粉, 将已除锈去油加工好的钢丝绳送入孔内, 出露于采场顶板。③注浆:采用后退式人工注浆。在硐室中按水泥药卷的配方搅拌均匀, 以水灰比0.38~0.45为宜注入孔中, 稠度以孔底流出浆糊状为好, 在采场中封底, 从而实现全孔全锚固。

3.3.3 实施效果

长锚索锚固3天后进行回采, 南北两帮配以药卷锚杆, 采场未出现大面积冒顶, 偶有几块被长锚索吊住。长锚索护顶使回采顺利采下了γπ₂覆盖下的矿石, 并通过了γπ₂岩层。

4 结论与建议

上向水平分层胶结充填采矿法尽管具有资源回采率高、贫化率小、维护地表稳定等优点, 但也存在大面积暴露空间下作业安全系数低等缺点, 因而采场的护顶工作至关重要。护顶的形式也应因地制宜, 不同的地质条件, 采取不同的处理方式, 以一种形式或几种形式联合使用。护顶成功与否, 直接关系到上向水平分层胶结充填采矿法的推广和应用。建议在采用该采矿法时应注意:

(1) 采场的地质情况一定要清楚、完整, 以便采用不同的护顶措施。

(2) 药卷锚杆的支护厚度有限, 5m以上厚岩层安装较困难, 应考虑组合焊接安装。

(3) 长锚索护顶虽获初步成功, 但锚索安装劳动强度大, 效率低, 应寻求配套设备, 使锚索加工、制作、安装实现机械化, 从而实现快速、高效。