难采矿体机械化回采工艺

摘要

本发明公开了一种难采矿体机械化回采工艺：首先，在采场的底部设计一凿岩出矿硐室，凿岩出矿硐室高为2.8～3m，宽为3m；然后，在凿岩出矿硐室向上凿直径为51mm的炮孔至采场边界，最小抵抗线1.3m，孔口距0.5～0.9m，孔底距1.4m，将所有炮孔全部打完之后，在凿岩出矿硐室对各排深孔采用小型装药台车分次装药，分次后退式崩矿。该工艺只需掘进一次就能满足整个底柱采场的采准要求，提高采准效率。掘进完凿岩巷道后，采用新型高效凿岩设备代替了手钻掘进，所有炮孔一次施工完，提高凿岩效率；采用后退式侧向崩矿，采用遥控铲运机和遥控破碎台车联合出矿，安全性和生产效率有了很大提高，采场生产能力可以达到150t/d以上。

说明书

技术领域

本发明属于矿山采矿技术领域，涉及一种在上部难采矿体底柱选取合适的 采场进行的难采矿体机械化回采工艺。

背景技术

申请人位于广东省韶关市东北约48km处，是我国大型铅锌生产基地，国家 一级企业。目前，矿山生产能力已从投产初期的40×10⁴t/a，发展到160×10⁴t/a 以上，矿山具有日产铅锌矿石5000～5500吨，年产铅锌金属含量17～18万t 的采选生产能力，是我国有色金属行业的最大的铅锌采选企业之一。

矿产作为不可再生资源，在社会经济发展中占有相当重要的地位。我国拥 有种类繁多的矿产资源且储量丰富，根据45种主要矿产资源的统计，我国的矿 产储量总价值位居世界第3，占全世界的14.64%，仅次于美国和前苏联。虽然 总量丰富，但人均矿产资源占有量却只有世界平均水平的58%，位居世界第53 位。除此之外，我国矿产还存在着难选矿、贫矿多，矿床规模偏小，回收率低 以及浪费严重等问题。由于受矿体赋存形态、采选方法以及人为等因素的影响， 在回采过程中经常采富弃贫、采易弃难，这样以来就产生了大量的残矿资源。 随着社会建设的发展，我国矿产资源的供需矛盾日益突出，有些矿山经过数十 年的开采，也开始进入资源枯竭期。因此为了延长矿山的服务年限，提高矿山 经济效益，必须加强对残矿资源的回收，而如何做到安全和高效的回收残矿资 源仍是当今采矿界的一大难题。

凡口铅锌矿位于广东省韶关市仁化县镜内，隶属于中金岭南有色金属股份有 限公司。该矿1958年开始建设，1968年正式投产。经过40多年的开采，已成 为中度危机矿山。受早期勘探条件以及开采技术水平的限制，在各个中段留下 了一大批难采（顶底柱）矿体，根据凡口铅锌矿提供的2011年一季度末矿量报 表统计，共有453条底柱矿体可以回采，保有矿量350多万t，金属量Pb为18 万t、Zn为34万t。这些难采顶底柱矿体具有品位高、总量大的特点，尽可能的 回收这些残矿，对补充矿山日益减少的资源、增加矿山经济效益、提高资源利 用率、延长矿山开采年限有着不可替代的作用。

难采顶底柱矿体具有分布零散、规模小、形态多变的特点。其作为滞后开 采资源，地质条件复杂，且部分地质条件已经发生了较大变化，同时周边工程 的复杂性也使得回采条件受到较大限制，这些都增大了顶底柱矿石回采的难度。 凡口铅锌矿目前采用传统的条带式方法回采顶底柱矿体，即先在待回采顶底柱 矿体内掘进一条拉底巷道，拉底巷道的位置分两种，一是靠底柱边帮掘进、二 是在底柱中间掘进。拉底巷道施工完毕后开始后退式找边回采，第一层回采过 程中要保证第二层实体部分厚度3.0m以上，第一层回采完毕后开始接顶充填， 然后开始回采第二层，第二层由原进路挑顶垫坡进入，坡度小于20%，第二分 层采用分条掘进式回采，即把底柱矿体分左右两部分，第一部分回采完毕充填 接顶后再进行第二部分掘进式回采。凡口铅锌矿上部存有较多难采顶底柱矿体 采场，若采用常规方法回采，安全难度很大，工效很低，贫化损失大。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种难采矿体机械化回采工艺， 实现了难采矿体金属最大化回收，而且其安全、高效、采切工程简单，装药结 构和起爆顺序技术先进。

同时配合凡口铅锌矿18万t扩产需要，平衡区域回采，增大上部中段回采 量，减轻下部中段矿体提升压力；针对原回采方法存在生产效率低，劳动强度 大，安全性差等缺点。凡口铅锌矿联合中南大学发明这种难采矿体机械化回采 工艺。该工艺在凿岩平巷中使用瑞典Atlas Copco公司生产的BoomerK41X小型 中深孔凿岩台车钻凿上向扇形中深孔，炮眼一次打完，采用小型装药台车装药， 侧向崩矿，遥控铲运机和遥控破碎台车出矿，采场回采完毕后立即立模充填。 目前该回采工艺已经在凡口铅锌矿试验成功，该工艺大大的提高了机械化程度， 生产效率高，作业安全，作业环境也有了很大改善，充分发挥了安全高效的特 点。

通过进一步研究该采矿方法的工艺过程，优化矿块结构参数及凿岩爆破参 数，将使得该方法更具有适应性，并最终在凡口矿推广应用，这对凡口矿凡口 铅锌矿的难采（顶底柱）矿体资源回收及凡口铅锌矿的可持续回采具有十分重 要的意义，推动凡口矿的可持续发展。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

难采矿体机械化回采工艺：

首先，在采场的底部设计一凿岩出矿硐室，凿岩出矿硐室高为2.8～3m，宽 为3m；

然后，在凿岩出矿硐室向上打直径为51mm的炮孔至采场边界，最小抵抗 线1.3m.孔口距0.5～0.9m，孔底距1.4m，将所有炮孔全部打完之后，在凿岩出矿 硐室对各排深孔采用小型装药台车分次装药，分次后退式崩矿。

进一步，所述后退式崩矿的爆破采用非电爆破网路。

进一步，采用采矿凿岩台车打出炮孔。

进一步，所述炮孔采用扇形中深孔炮孔。

进一步，所述炮孔排距为1.3m，孔底距为1.4，孔口距为0.9m。

进一步，所述炮孔的倾角为8°～88°，中心炮孔基本上沿着矿体倾向布置， 各炮孔排面相互平行，每排炮孔向前倾斜85°。

进一步，所述炮孔采用的是孔底正向耦合装药，中间炮孔先起爆，同段雷 管起爆；边炮后爆，以同列中间炮孔所爆空区为自由面，滞后同列中间炮孔起 爆。

进一步，第一次爆破以邻近补偿空间为自由面或人工拉槽爆破，第一次爆 破后的以后每次爆破均以前一次爆破后空场作为自由面侧向崩矿。

进一步，采用遥控铲运机和遥控破碎台车联合出矿。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

安全性高：掘进和凿孔作业过程均在支护好的小断面凿岩出矿硐室操作， 出矿过程采用遥控铲运机和遥控破碎台车联合出矿，人员不进入爆破后空场； 安全性较现有工艺大大提高。

采切工程量小：凡口铅锌矿原有的难采（顶底柱）矿体回采方法-分条掘进 式回采工艺需掘进三次才能完成一个底柱矿体回采，而该项回采工艺只需掘进 一次，就能满足整个底柱采场的采准，提高了采准效率。

生产效率高：掘进完凿岩巷道后，采用新型高效凿岩设备代替了手钻掘进， 所有炮孔一次施工完，大大提高了凿岩效率，采用后退式侧向崩矿，遥控铲运 机出矿，生产效率有了很大提高，采场生产能力可以达到150t/d以上。

劳动强度低：高性能凿岩台车凿岩，装药台车装药，遥控铲运机出矿，实 现了机械化作业，大大降低了工人的劳动强度。

本发明具有安全性高、采切工程量小，采切工艺简单；凿岩效率高，爆破 效果好的优点；出矿过程在凿岩出矿硐室完成，采用遥控铲运机出矿，采用遥 控破碎台车处理大块，人员不进入爆破后空场，出矿过程安全高效。将有效提 高全国地下金属矿山难采（顶底柱）矿体回采的安全性；将提升我国地下金属 矿山的采矿技术水平，促进全国地下金属矿山的采矿技术的发展；将有效改观 全国地下金属矿山难采矿体生产水平低下（特别是顶底柱回采）的被动局面； 将提高全国地下金属矿山难采（顶底柱）矿体采场的回收率，促进金属资源最 大化回收；将提升全国地下矿山采矿的机械化水平，进而促使提高国产采矿机 械的革新与进步。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本 发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1是Shn-280m210#中底柱实测图；

图2是Shn-280m210#中底柱A-A剖面图；

图3是Shn-280m210#中底柱B-B剖面图；

图4是Shn-280m210#中底柱采场第一分层回采示意图；

图5是Shn-280m210#中底柱采场第二分层回采示意图；

图6是Shn-280m210#中底柱采场第三分层回采示意图；

图7是拉槽区炮孔布置平面投影图；

图8是拉槽区炮孔布置B-B平面剖面图；

图9是拉槽区炮孔布置A-A平面剖面图；

图10是侧崩区炮孔布置平面图；

图11是侧崩区炮孔布置A-A剖面图；

图12是第1排炮孔布置图；

图13是Boomer K41X型凿岩台车钻凿扇形孔示意图；

图14是拉槽区炮孔装药结构示意图；

图15是侧崩区炮孔装药结构示意图；

图16是侧崩区爆破雷管段位示意图；

图17是侧崩区爆破网络示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的 优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述采场为Shn-280m210#a中底柱采场作为难采矿体机械化回采工 艺试验采场，设计范围是Shn-280mWS3#穿与Shn-280mWS4#穿之间的底柱， X=660～680，如图1至图3所示，设计范围内矿体约4425t。

地质资料：设计范围内的矿体主要为Shn210a（铅品位：7.65%，锌品位： 14.41%）矿体，采场矿体为条带状，缓倾斜至倾斜，上下盘斜倾角约为45°，矿 体厚度约为6.5m；赋存在D2db含矿层中，矿体受层间压性构造断层f控制，采 场中间局部有NE向张性断裂，矿体缓倾斜产出，走向NW25°左右，倾向 NE25°～60°不等，东陡西缓。上下盘围岩(D2tb)为泥盆系中统东岗岭上亚阶深灰 色中厚层灰岩夹薄层白云质粉砂岩，薄层粉岩易脆性碎裂成薄层片块，影响矿 岩的结构稳定性。上下盘矿灰分界处有断层通过，矿界与断层几乎重叠，断层 节理发育，结构较为破碎，上盘矿灰分界处易产生滑板面。

回采方案设计：该底柱采场采用难采矿体机械化回采工艺回采，考虑到初 次试验，各方面条件均不成熟，且该采场的回采条件比较差，因此安全起见， 拟将矿体分为三层回采。第一层回采设计扇形孔最深控制在4.5m以内，爆破后 空场高度控制在6.8m以内，爆破后顶板形成“人”字形，采用遥控铲运机出矿后 充填至设计高度线再进行找边切采，然后进行下一分层的回采。由于采场上盘 围岩有明显滑板面，因此每一分层找边回采后应立模充填，且要保证立模后的 巷道能满足Boomer K41X型凿岩台车的作业要求，最后一分层矿体预留3m左 右厚度。图4、图5、图6分别为各分层回采示意图，本章只详细介绍本试验采 场第一分层的回采情况。

扇形中深孔炮孔设计

扇形中深孔炮孔布置

扇形孔布置的特点是所有的炮孔以一点（放射点）为中心由孔口向孔底方 向放射状排列，因此在布置扇形炮孔时，首先需要确定每排炮孔的放射点。

①确定炮孔放射点

根据凿岩作业的场地限制、矿体倾角的制约以及凿岩台车钻孔性能的约束， 沿着采场走向设计一条台车中心轴线，在台车中轴线上设计每排炮孔的放射点， 放射点离地的高度为1.5m，本采场各排炮孔放射点的连线基本上与凿岩巷道东 邦的单边立模平行。

②拉槽区炮孔布置

拉槽区布置在采场的端部，即采场南头，主要是为后续的爆破提供自由面 和补偿空间。难采矿体机械化回采工艺的拉槽区是通过在采场端部人工拉槽形 成的，即先在端部加密炮孔人工拉槽爆破形成自由面。由于210#中底柱采场南 头WS4#川邻近采场处的充填未结顶，充填面距离顶板约1.8m。因此，可以充 分利用南头充填面以上的空区作为拉槽爆破的自由面和补偿空间，省去人工拉 槽这一环节。在采场南头用凿岩台车施工3排不同倾角的炮孔，如图7、图8、 图9所示；拉槽孔较侧崩炮孔更为密集，孔口距约50cm，孔底距为1.0～1.2m。

③侧崩区炮孔布置

根据前面章节优选出的扇形孔孔网参数，确定排距为1.3m，孔底距为1.4， 孔口距为0.5～0.9m，在拉槽区以外回采范围内布置20排扇形炮孔。各排炮孔调 整倾角均匀布置，排与排之间炮孔错开布置，以使爆破时能量均匀的释放到矿 体中，减少大块率。

炮孔的倾角为8°～88°，中心炮孔基本上沿着矿体倾向布置。各炮孔排面相 互平行，每排炮孔向前倾斜85°，以增大自由面，改善爆破效果。各炮孔排面的 方位角与放射点所在基准线垂直，第1排至第4排方位角为265°，第5排至第8 排方位角为249°，第9排至第20排方位角为237°。图10、图11为布置的侧崩 区炮孔，炮孔深度为1.0～4.3m。

图12为第1排的炮孔布置图，图中0#炮孔为最先施工的炮孔，作为钻凿其 他炮孔的参考点，表1为第1排设计炮孔的参数表。

表1第1排炮孔参数表

④设计炮孔工程量统计

拉槽区20个炮孔，侧崩区121个炮孔，炮孔总长度为434m，崩矿量约2000t， 每米崩矿量为5t。

炮孔施工

（1）凿岩台车钻凿扇形孔的定位特点

Boomer K41X型凿岩台车由于尺寸较大，故在钻凿扇形孔时，不能像YG-90 型凿岩机那样围绕一个支点来发散炮孔方向，而应根据设备特点来设计炮孔方 向。因凿岩机至悬臂中心距离约有0.8m,旋转悬臂时，钻杆发射方向总是与悬臂 前部旋转中心保持固定长度和固定角度，为方便电子角度指示平台的读数，调 整推进梁俯仰角为0°，使得钻杆与悬臂旋转装置保持90°夹角，钻杆在旋转圆的 切线方向上，如图13所示。

（2）确定炮孔孔位和孔向

测量人员按照设计的凿岩台车中心轴线拉线，在采场西邦立模处标注各排 扇形孔的排号，在顶板标注0#基准孔的孔位。台车操作人员调整钻臂，使之与 基准线平行，钻臂的端点与炮孔基准点重合，误差控制在200mm以内，固定好 推进梁末端长度，调整推进梁俯仰角使其垂直于推进梁旋转轴，再根据炮孔的 倾角、倾向调整悬臂（调整倾角）、推进梁（调整前后倾向），然后进行开孔施 工。

爆破设计

（1）爆破规划

考虑到凿岩巷道可为爆破提供足够的补偿空间，整个采场分为两次爆破： 第一次为拉槽区爆破，爆破范围为拉1排至第6排炮孔；第二次爆破范围为余 下全部炮孔，即第7排至第20排。

（2）装药方式与结构

①装药采用NT30/9EN型装药台车，由于采用的是孔底起爆，因此装药时 将导爆索及起爆药包随装药管送至孔底，导爆索从孔底敷设至孔口，同排相邻 同段起爆炮孔用导爆索联接，搭接长度大于15cm，装药系数为0.8～0.95，孔口 用炮泥堵塞,堵塞长度约为0.5～1.2m，为避免孔口部分装药过密，相邻炮孔的装 药长度交错不同，图14～图15分别为拉槽区爆破、侧崩区爆破炮孔装药结构示 意图；

②第一次与第二次爆破范围分界处减少装药，采用炮孔中间间隔0.5m竹筒， 孔口留1.2m不装药的类似于光面爆破的装药结构，以降低爆破后冲作用，使得 爆破切口平整；

③位于上盘的打入废石中的炮孔，孔底间隔一根30cm小竹筒，以保护上盘 围岩和顶板。

（3）起爆方式

采用复式导爆索—导爆管微差非电起爆系统起爆。由于扇形孔孔口距离比 较近，为避免爆破时相邻炮孔会相互影响，因此同排同段起爆的相邻炮孔采用 导爆索串联起来。

（4）起爆顺序及起爆网络

先起爆拉槽区，后起爆侧崩区，拉槽区的起爆以WS4#穿为自由面和补偿空 间向下压矿逐排起爆顶板炮孔，侧崩区的起爆以拉槽区为自由面和补偿空间， 中间4个孔和上盘1～2个孔先爆，下盘1～2个边孔后爆，自南向北逐排起爆。 图16为第二次侧崩区爆破炮孔雷管起爆段位示意图。

图17为非电起爆网络示意图，为保证起爆网络的可靠性，在连线过程中 注意以下几点：①导爆管网路中不得有死结，装在孔内的导爆管不得有接头； ②用于同一炮孔排面的导爆管必须是同厂同批号产品，孔外传爆管之间应留有 足够的间距；③导爆管网路采用雷管起爆时，应采取措施，防止雷管的集中穴 切断导爆管而引起拒爆；④导爆管应均匀地敷设在雷管周围，防止毫秒延期雷 管的气孔烧坏导爆管。

（5）爆破材料消耗及技术指标

第一次爆破总共35个装药炮孔，第二次爆破总共106个装药炮孔，表2、 表3分别为两次爆破的技术指标。

表2第一次爆破参数及指标

表3第二次爆破参数及指标

爆破施工

（1）准备工作

①钻孔施工对采场顶板、边帮有一定的破坏作用，特别是矿岩交界面，易 受反复振动冲击作用产生或延伸裂隙，造成岩石松动，因此在进入采场验收炮 孔前，应用服务台车全面细致清理顶板、边帮松石，保证后续作业的安全；

②爆破前对爆破区域炮孔进行验孔核对，并将炮孔用压风吹干净，避免装 药时出现堵孔或卡住装药管的情况；

③检查装药台车的行走、装药性能，并检查通行道路，确保装药台车通道 畅通；

④检查爆破区域附近有无需要保护的设备、管线、设施等，以及通风设施 （风门、风墙、局扇等），确定好炮烟走向。

（2）装药作业

本次试验采用的是NT30/9EN型装药台车，在装药过程应严格按照该装药 台车的安全操作规程进行。

①在爆破作业区域拉好安全警示带，严禁把火种和易燃物品带入爆破作业 场地，严禁在作业现场吸烟；

②装药前充分检查装药台车，如出现任何报警情况应立即停机，待查明原 因，经处理确认正常后方可开机：

③装药、起爆药卷中的雷管段位、堵塞炮泥长度、导爆索和起爆网络的连 线等均应按照设计进行；

④第二次爆破的装药过程中时，严禁任何人进入爆破空场；

⑤起爆之前必须认真检查核对每组爆破的连线，炮孔堵塞情况等，无误后 方可起爆。

（3）通风与出矿

①通风：在采场进路口安装局扇，新鲜风流清洗爆破工作面后，污风经回 风联络道排到回风巷；

②出矿：采用遥控铲运机出矿，于WS1#溜井卸矿。

爆破效果评价

Shn-280m210#中底柱（WS3#～WS4#穿段）试验采场，由于缓倾斜矿体存 在上盘围岩离层、冒落等不安全因素，矿体走向又极不规则，巷道狭小，属于 难采采场。通过采用难采矿体机械化回采工艺对该试验采场进行回采，分两次 爆破，总装药量1077kg，崩矿量约2100t。两次爆破后，凡口铅锌矿组织了相关 人员对该采场进行爆破效果，经检查达到了预期的爆破效果，即实现了顶板成 “人”字弧形，顶板平整，浮石、松石较少，爆破空场最高为7.0m左右，上盘围 岩未被破坏，矿岩交界面干净平整，无粘滞矿体，爆破切口光面效果良好，下 盘矿岩分界面分离，按照设计落矿角度形成滑面，爆破块度合理，无明显大块， 均可满足铲矿要求。

本发明的积极意义是：申请人现有采矿开采条件正逐步恶化，难度大、矿 体小的难采采场越来越多，Shn-280m210#中底柱（WS3#～WS4#穿段）试验采 场的成功，将大力推广到凡口矿安全难度大、矿体小的难采（顶底柱）矿体采 场中。对凡口铅锌矿的安全生产具有重要的意义：一是提高了难采（顶底柱） 矿体采场的安全性，降低凡口铅锌矿的难采（顶底柱）矿体采场的安全管理压 力。二是提高了凡口矿上部中段难采矿体的生产能力，缓解了下部中段提升压 力，平衡了区域生产协调，从而对凡口铅锌矿可持续高产创造条件。三是提高 了凡口铅锌矿的采矿工艺科研能力，提高凡口矿采矿技术人员的专业技术水平。 四是提高凡口矿难采（顶底柱）矿体采场的回收率，金属资源最大化回收。

将该法推广到全国的地下金属矿山中去，也有不凡的意义：一是将有效提 高全国地下金属矿山难采（顶底柱）矿体采场的安全性。二是将提升我国地下 金属矿山的采矿技术水平，促进全国地下金属矿山的采矿技术的发展。三是将 有效改观全国地下金属矿山难采矿体生产水平低下（特别是顶底柱回采）的被 动局面。四是将提高全国地下金属矿山难采（顶底柱）矿体采场的回收率，促 进金属资源最大化回收。五是将提升全国地下矿山采矿的机械化水平，进而促 使提高国产采矿机械的革新与进步。

本发明的凿岩出矿硐室的顶板和边帮均采用锚杆和铁丝网联合支护，确保 人员在凿岩出矿硐室凿炮孔和装药时的安全；铲矿安全：铲矿人员不进入爆破 空场，铲矿人员在已经处理好的凿岩出矿硐室处操作遥控铲运机铲矿，确保了 铲矿过程的安全。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发 明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说， 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术 特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。