1 概况

湖南辰州矿业有限责任公司(前称湘西金矿)是一个以矿业为主、多种经营的百年老矿, 经过不断的发展, 现已成为集采、选、冶、机械、老尾砂及地表低品位氧化矿堆浸处理, 金、锑、钨深度加工为一体的大型股份制企业, 而采矿业对公司的发展起着举足轻重的作用。现公司采矿区主要有:沃溪矿区、鱼儿山矿区、湘安钨业公司和即将启动开拓地探工程的溆浦金矿, 其中以沃溪矿区开采规模最大, 延伸深度及水平范围最广。因此, 其采矿工艺技术水平要求也很高。1996~ 2000年, 该公司与中南大学合作, 完成了国家“九五”科技攻关项目《深井缓倾斜复杂矿体采矿及支护设备的研究》。试制试用了国内首创并具有国际先进水平的水压支柱系统, 大大地提高了采矿工艺技术水平, 改善了作业条件及经济技术指标。

湖南辰州矿业有限责任公司沃溪矿区为金、锑、钨共生矿体。该矿区采用竖井、平窿、斜井联合开拓, 中段垂高25m, 采用集中溜井放矿, 多中段后退式回采, 两翼对角式通风。由中央进风, 东西两翼抽风。现行开拓垂直深度超过900m, 回采深度达700余m, 属国内开采深度最深的黄金矿山。随着开采的不断延深, 地压增大, 年生产能力的持续增长, 原来采用的竖分条尾砂充填法及削壁充填法就暴露出明显的缺点, 越来越不适应深井回采的要求。

采用竖分条尾砂充填法回采, 虽对于顶板较稳固完整的中上部地段矿块的开采, 锚杆控顶效果好, 作业较为安全可靠, 生产效率较高, 但用于深井复杂矿体回采时, 效果欠佳:

(1) 深井地压增大, 采场顶板暴露面积常常在100~200m²时就沿构造弱面冒落, 锚杆难以控顶, 安全上不能得到保证, 出矿贫化大。

(2) 由于采用尾砂充填, 其房间矿壁损失较大, 巷道污染严重。

(3) 回采时场内所需的坑木临时支护较多, 加之所需的采准工程量较多, 因此采矿成本较高。

削壁充填法是该公司沿用几十年的陈旧采矿方法, 适用于矿脉厚度小于1.0m的缓倾斜矿体。该法的特点是:沿切割巷道自下而上扇形回采, 先采矿脉, 后剥离顶底板围岩进行人工检边充填空区, 因而该法适应面较广, 作业工序简单。但该法也存在严重的不足: (1)大量剥离围岩, 使得采矿单耗费用较高; (2)尽管采用人工及时捡边充填废石, 处理空区, 安全上得到了保证, 但作业人员劳动强度大, 生产效率低。

综上所述, 竖分条尾砂充填法和削壁充填法这两种使用已久的采矿方法, 对于深部复杂矿体的回采, 难以适应, 更难满足该公司持续稳定发展的要求。因此, 改进现行采矿方法及其支护设备, 成了该公司采矿工艺的当务之急, 势在必行。

2 矿床开采技术条件

沃溪矿区为一金、锑、钨多金属共生的缓倾斜热液蚀变岩型矿床。矿脉共有4条, 相互平行, 沿层间断裂分布; 矿体形态复杂, 矿化不连续, 且分布富集, 局部范围内矿脉有分支复合现象。主矿脉产状倾向北或北北东, 倾角26~32°, 与岩层层间断裂基本一致。脉厚变化大, 由几厘米至几米不等, 其中厚度在0.8~3m之间的占总储量的68.3%。矿石为石英脉与近矿蚀变围岩中的石英脉, 一般较坚硬稳固, f=8~12。围岩为板岩, f=4~7, 属不稳固至中等稳固。断层、节理、层理十分发育, 围岩极易沿构造弱面垮落, 给顶板维护带来很大的困难。

试验采用水压支柱回采的主要矿块为2758, 该矿块位于27平(-385m) V₃脉西, 距地表高差625m, 走向长约120m, 矿体倾角32°, 脉厚0.8~2.3m, 平均脉厚1.6m, 矿岩断层交错, 节理、层理发育, 顶板围岩松散破碎, 矿石量为9 846t, 品位: Au 26.45g/t, Sb 9.38%, WO₃0.06 %; 金属量:Au 260.42kg、Sb 923.55t、WO₃ 5.9t。

3 改进后的采矿方法

从2003年1月开始, 该公司沃溪矿区采用水压支柱采矿法的矿块数有8个, 所需水压支柱用量为600余套, 占整个采矿方法比重的43%。以2758矿块为例, 其采矿工艺流程简述如下。

(1) 采准:沿倾向掘一边界天井, 规格为2.0m×1.8m, 以该天井及沿脉平巷作为回采的初始工作面(见图 1)。

(2) 回采顺序:以边界天井为自由面从里往外后退式分条回采。

(3) 打眼放炮落矿:用YT-7655气腿式凿岩机打平行于矿体走向的炮眼, 炮眼呈里“之”字形排列, 炮眼直径38~42mm, 药卷直径32mm, 眼深1.8~ 2.2m, 最小抵抗线0.8m, 间距0.8m, 整个工作面沿倾向分条分段落矿, 每一分段长8~10m。每一分条宽即为眼深约2.0m。

(4) 出矿:以沿脉平巷为运输通道, 电耙配合装岩机出矿。

(5) 支护设备—水压支柱系统:该系统由SYZ -l型水压支柱及FDB-l型增压泵组成。

SYZ -1型水压支柱主要用于地下开采工程中工作面临时支护顶板, 适用范围为采幅0.7~ 3m, 采场倾角为0~35°。由柱体、加长件、承压顶架几部分构成, 以水作为动力介质, 抗爆破性能好, 安装回收方便, 安全稳定性好, 支柱底座可套承压板, 对松软破碎的顶底盘均适用。

主要技术参数:额定工作阻力200kN(5~ 200kN可调), 支撑载荷160kN(0~ 240kN可调), 活塞行程480mm, 最大件质量39kg。

FDB-1型增压泵主要作为SYZ -l型水压支柱的配套加压泵使用, 由增压泵及其附件组成。该设备以压缩空气为动力, 以水作为动力介质, 具有增压率大、体积小、轻便灵活、无污染等特点。

主要技术参数:最小启动压力0.1MPa, 最大输出压力35MPa, 可实现0~35MPa的无级调节, 外形尺寸: 210mm×300mm ×480mm, 泵重27kg, 附件总重5k g。

(6) 支护

待一分条矿石回采完后便行支护水压支柱, 为便于电耙出矿, 支柱尽量沿倾向成直线排列, 支护网度设计为1.8m×2.0m或1.2m×1.6m, 视顶板安全情况, 每排支柱可适当加密。随着工作面的推进, 顶板暴露面积的增大, 采空区紧跟工作面共架设四排支柱即可。实地测定, 每支一根支柱(包括准备工作)平均所需时间约2.5~ 3min。

(7) 放顶充填:由于紧跟工作面只需架设四排支柱, 故控顶区后面的采空区需要及时放顶, 使其冒落充填空区。在顶板极为破碎的采场, 只需拆卸距离工作面最远的一排支柱, 顶板便会自然冒落, 充填空区; 在顶板较为稳固完整的采场, 撤卸支柱时顶板难以自动冒落, 这时可在撤支柱前, 沿放顶线斜向上打一排炮孔, 待支柱撤卸后再装药放炮, 实行强制放顶, 充填空区, 使其围岩应力释放, 避免应力集中到工作面, 以确保作业安全。一般情况下支柱的控顶距为7~ 9m, 放顶距为8~ 12m。实地测定:每撤卸一根支柱所需时间约1min。

(8) 回采工作循环:打眼—落矿—通风—洒水降尘—处理松石—出矿—撤柱—支柱—打眼。

4 主要技术经济指标及评价

2758矿块回采主要技术经济指标如下:

脉幅: 1.6m

采幅: 1.6m;

矿石损失率: 1%

矿石贫化率: < 3 %

工效: 12t/人·班

采场出矿能力: 1 000t/月

采矿直接成本: 40.5元/t

实践证明, 运用改进后的采矿方法, 对于回采深部复杂矿体, 具有明显的经济技术效果:

(1) 每一矿块只需掘一边界天井即可将整个矿块回收完毕, 极大地减少了应用竖分条尾砂充填法所需的大量采准工程, 降低了采切比;

(2) 工艺流程连续, 避免了竖分条尾砂充填法跳间回采的不连续性, 同时该方法操作简单、灵活, 适应范围较广, 因而采场出矿能力大;

(3) 因支柱可循环使用, 且使用寿命长达5年之久, 回采过程中无需坑木作临时支护和锚杆护顶, 降低了出矿成本;

(4) 回采时单采矿石, 无须剥离围岩进行人工充填废石, 从而极大地减轻了工人劳动强度, 降低了出矿贫化和回采损失;

(5) 在地压管理及顶板维护上有更加独特的优点:一是水压支柱具备很好的抗拉性和抗剪性; 二是改变了传统的点支护性能脆弱的缺陷, 变点支护为面支护, 从力学角度把整个采场的水压支柱以最佳方式撑合为一个整体, 变成一个立体支护网, 使控顶区十分安全可靠, 为作业人员创造了一个安全稳定的作业环境。

5 结语

(1) 应用水压支柱系统配以合理的无底柱全面法回采深井缓倾斜复杂矿体, 实践表明, 能较好地控制深井地压, 保证作业安全, 出矿成本由原来的56元/t降至40.5元/t, 出矿贫化率从9.5%降至3%, 损失率从8 %降至1 %, 各项经济技术指标明显优化。

(2) 水压支柱系统的成功实践, 较好解决了国内缓倾斜复杂薄矿体在开采过程中的难点, 从长远发展来看, 它必将是矿井支护的主要设备, 具有广阔的应用前景。