预切顶中深孔房柱法在香炉山钨矿的应用

石求志，李 春，兰晓平

（1.赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000；2.香炉山钨业股份有限公司，江西 修水 332400）

0 概述

香炉山钨矿是一座矿石日处理能力2 500t，年产（WO3）金属量5 000t的大型地下白钨矿山。矿床内有白钨矿体50个，其中1#、5#、6#、7#的钨储量（WO3）占全区的93％以上，而1#储量（WO3）占整个区段的79％，为区段的主要矿体。矿区主要矿体呈面形展开，总体呈北东—南西走向，矿化总长度大于3 200m。

香炉山白钨矿床是20世纪50年代发现，1993年开始开采，矿山主要采用平硐开拓方案，采矿方法为全面法、房柱法及部分留矿法。由于矿山开发的初期缺乏整体规划与开采设计，并且其生产装备、管理水平落后等因素的影响，导致开采生产效率低下、安全作业条件差和资源浪费严重。2003年成立香炉山钨业股份有限公司，对矿区进行了整合和规范，将西部矿段原生矿体采用盘区斜坡道无轨开拓，并开展了采矿方法研究。

1 开采地质条件

矿体赋存于花岗岩体与杨柳岗组含炭硅泥质灰岩的接触带上，其走向和倾向均呈缓波状。沿走向，北东端较厚，往南西变薄；沿倾向，轴部最厚，向翼部逐渐变薄，轴部厚度23.15～45.59m，平均25.83m，属局部膨大的似层状矿体。最大倾斜长635m，最小331m，平均510m。矿段最大厚度45.59m，最小0.44m，平均15.16m。

矿石类型主要为原生矿。矿体中裂隙断层一般不发育，矿石稳固性好，f＞12，密度3.16t/m3，平均品位0.663％。平均松散系数1.6，不结块，不自燃。矿床顶板已蚀变为钙硅角岩，岩石致密，岩芯大部分呈柱状，属坚固岩层。东区巷道施工中未出现坍塌掉块现象。

矿体底板为细粒黑云母花岗岩，具有较强云英岩化和硅化，属新鲜坚硬块状岩石，基本上不需支护，只是浅部可能遇到风化较强的岩石，也可能遇到各种未控制的断裂、挤压破碎带等。

主要的地质构造有北北西、北东向两组断裂。

北北西向断裂：主要分布在矿区中西部。北北西走向，切割地层，倾向南西西，局部反倾，倾角45～88°，走向长80～580m，宽0～6.8m。

北北东—北东向断裂：主要分布在香炉山—太阳山背斜南东翼。呈12～40°方向斜切地层、岩体、矿体。倾向南东，局部反倾，倾角47～84°，走向长100～1860m，宽0～15m。

矿体中绝大部分储量赋存于当地最低侵蚀基准面之上，矿区内无湖、河等地表水体，矿床主要充水来源为大气降水。矿体及围岩的含水性弱，岩溶不发育。矿床水文地质条件简单。

开采范围地表有村落、民舍等，不允许崩落。

2 预切顶中深孔房柱法的应用

2.1 试验采场地点与基本情况

试验采场选择在16～18线，位于一盘区中部的W2采场。该采场矿体厚度10～15m，平均12m，倾向西，倾角10～25°。其西部为正在开拓的原生矿体，东、南部为原采空区。

西部矿段沿矿体走向由北东往南西每隔100m，原则上以勘探线为盘区边界划分为4个回采盘区，依次称之为一盘区、二盘区、三盘区和四盘区；矿块采取垂直于盘区长轴方向应每隔25m划分矿块，矿块分矿房与矿柱，宽分别为13m、12m。回采时以先采矿房、后采矿柱的隔一采一方式，分别称之为一步回采和二步回采。预切顶中深孔房柱法应用于矿块的一步回采。

2.2 采场结构与工程布置

采场沿矿体走向、垂直盘区长轴方向布置，长100m（含两端的隔离矿柱），宽15m，高为矿体厚度10～15m，16线南西侧和18线两侧均留10m的隔离矿柱。采场设计切顶层平均厚2.2m，不留底柱，由于该采场的矿体最大厚度为15m，采场只设计一个分层（见图1）。

图1 预切顶中深孔房柱法

采切工程包括凿岩出矿巷道、联络巷、切割横巷、切顶上山、切顶横巷、回风联络巷、人行联络井、切割天井和回风井等。

凿岩出矿巷道。规格3.7m×3.7m，形状为拱形。平行于采场长轴方向布置在采场中央的底部，巷道的底板须低于矿体底板1.5m，两端分别与联络巷相连。主要功能为房采凿岩与爆破的作业空间和采场出矿通道。

联络巷道。规格3.7m×3.7m，形状为拱形。设计两条，分别布置在16线和18线盘区隔离矿柱的底部，连结凿岩出矿巷道与盘区运输巷，起联络道和出矿通道的作用。

切割横巷。规格为3.0m×3.0m，形状为矩形。布置在分层底部切割槽位置，与分层凿岩巷道同一水平，并与凿岩出矿巷道、切割天井构成互相垂直的关系。并且要求巷道的底板低于矿体底板1.5m，同时全部揭露矿房边界。主要作用是拉切割槽凿岩爆破的作业空间。

切顶上山。规格为2.0m×2.2m，形状为矩形。平行于采场长轴方向布置在采场的中央顶部，要求巷道的顶板紧贴矿体顶板，两端分别与人行联络井相连。主要功能是通风、联络和人行设备通道。

切顶横巷。规格为2.0m×2.2m，形状为矩形。布置在切顶层切割槽位置，与切顶上山同一水平，并与切顶上山、切割天井构成互相垂直的关系。主要作用是切顶凿岩爆破的最初补偿空间。

回风联络巷。规格为2.0m×2.2m，形状为拱形，平行于勘探线，布置在16线隔离矿柱内，要求巷道的顶板紧贴矿体顶板，分别与采场的切顶上山、人行联络井以及盘区的回风井相连。主要起通风、人行联络作用，以及今后采场充填管路的布设通道。

人行联络井。规格为1.5m×2.5m，在采场两端隔离矿柱布置，与联络巷道和切顶上山连接，为人行、设备和材料通道。

切割天井。规格为2.0m×2.5m，布置在矿体中央切割槽位置，要求铅垂、并贯通整个采场高度。上与切顶上山、切顶横巷构成互相垂直的关系，下与凿岩出矿巷道、切割横巷构成互相垂直的关系。主要功能是拉切割槽（切采）的补偿空间，同时在采准工程施工中出碴与通风的作用。

回风井。规格为2.0m×2.0m，布置在16线隔离矿柱的上部围岩中，上与采区主回风巷相连，下与采场回风巷相连，每隔50m布置一条。主要作用是盘区开采时作为回风通道，以及今后采场充填的管道布设通道。

2.3 采场切顶与护顶

2.3.1 切 顶

采场切顶采取前进式，以切顶上山为自由面，以切顶横巷作凿岩工作面，由切顶上山向采场两侧推进，最后形成凿岩阶梯［1］，如图2所示。整个切顶过程由18线向16线前进式切采，按试验采场设计的边界控制切采边界。

凿岩。采用YT-27钻凿水平或微倾斜浅炮孔，切顶上山两侧各设计4个台阶，台阶长2.0m，宽1.6～1.7m，炮孔排距0.8m，孔间距1.0m，孔深2.1m。

爆破。采取2号岩石炸药，非电雷管分段起爆。

通风。整个西矿段（或盘区）采取机械抽出式通风，采场通风将纳入整个通风系统内。为提高采场通风效率，切顶爆破崩矿后，可采取局扇进行辅助通风。新鲜风流由18线盘区运输道经人行天井进入切顶工作面，洗清作业面后，污风由切顶上山经回风联络巷排至回风井。

图2 前进式切顶示意图

清理作业面与顶板。通风结束后，进入作业面施工之前，必须对作业面和顶板进行清理。这工序主要是对顶板的松石进行清理，同时为出碴作准备。

出碴（矿）。作业面采用电耙出矿，由电耙运至切割天井，由天井自溜到运输巷道，由铲运机装车运出。考虑到电耙的有效搬运距离，西2运输巷两侧附近切顶矿石可以从西2运输巷运出。

2.3.2 护 顶

采场护顶采用锚网支护的形式，特殊地段采用锚网喷的方式进行。

锚杆。采用金属管缝式锚杆（摩擦式），直径40mm，大于钻孔直径2mm，长分别为1.5m和1m两种，钢垫板尺寸180mm×180mm×10mm，锚杆布置网度1.0m×1.0m。对于特殊地段可以采用2.3m锚杆（此时切顶层局部高度必须大于2.3m），并加喷混凝土。

钢筋网。采用Ø6mm钢筋编制成网格为100mm×100mm，钢筋网裁成1.2m×1.2m的网块。

喷射混凝土。水泥∶细沙∶碎石的配比为1∶2∶2，水泥用325普通硅酸盐水泥。细沙粒径为0.35～1.00mm，含泥量不超过3％，碎石粒径为5～10mm。选用782型速凝剂，其用量为水泥用量的5％～5.5％。

护顶施工以滞后于切顶作业20～30m为宜，具体以能保证作业面安全，以及切顶崩矿不影响和破坏护顶层为原则。施工工序如下：

凿锚杆眼。按设计规格，使用YSP-45型钻机垂直顶板钻凿锚杆眼。孔深以超过锚杆长10mm为宜。眼打好后，清理钻孔即可进行锚杆网的安装。锚杆的安装可采用锚杆安装器进行，也可以直接使用YSP-45型钻机进行安装。网的安装与锚杆同时进行，施工时必须使一块一块的筋网通过锚杆，焊接连成一个整体。对于有特殊地质构造的地段，必须加喷混凝土，喷射混凝土厚度30～50mm，把筋网覆盖掉，不能露筋为宜。

2.4 回采工艺

切采（本采矿方法就是拉切割槽）。切割横巷与切割天井完工后，就可进行拉切割槽。使用YGZ-90钻机凿岩，在切割横巷内施工平行中深孔，钻头直径60mm，孔间距（或孔底距）1～1.1m，排距0.8～1m。采用BQ-100型风动装药器装粉状炸药，以切割天井为补偿空间逐排微差起爆，一次性爆破拉槽。也可以采取浅眼留矿法等其他形式进行拉槽，形成宽2m的切割槽，为采场房采爆破提供初始补偿空间。

房采。凿岩使用YGZ-90中深孔钻机（配TJ25钻架），在出矿凿岩巷道内凿上向垂直扇形中深孔。钻头直径60mm，炮孔长不大于16m，孔底距2.0m，排距一般1.3m。

装药爆破。采用多孔粒状黏性铵油炸药，BQ-100型风动装药器装药，采用孔底复式起爆方式，非电系统爆破。

通风。采用对角式通风，爆破后，新鲜风流自主平硐（副平硐）由盘区运输巷道经采场联络巷进入采场，洗清工作面后，污风由采空区经上部切顶层空区排至采场回风巷。

出矿。使用TCY-2型2m3铲运机（或扒碴机）装矿，CA-10运矿卡车运输至井下矿仓。

2.5 矿柱回采与空区处理

采空区的管理主要采取锚网护顶和采空区充填：矿房回采所形成的采空区，采取嗣后尾砂胶结充填；矿柱回采所形成的采空区，采取全尾砂充填，也可以采用全尾砂与部分掘进废石充填［2］。

2.6 试验采场主要技术经济指标

试验采场主要技术经济指标见表1。

表1 试验采场主要技术经济指标

3 主要技术措施与效果分析

3.1 采场切顶与护顶

采场切顶设计高度是一重要的参数［1］。切顶层过高，则降低采场效率，同时不利于对顶板松石处理和护顶施工，影响施工的安全性。切顶层过低，除了不利于高效率设备的使用，从而降低生产效率外，对护顶锚杆等施工造成不利。现场实施情况验证，切顶层的设计高度2.2m较为合适。

切顶施工采取浅眼前进式。由于矿体的直接顶板是灰岩，暴露后容易风化垮塌，其稳定性相对较差，尤其是破坏后稳定性更差，切顶时留0.5m的矿层，并顺着岩层的同一层面进行施工。为了缩短顶板不支护的暴露时间，切顶作业面应控制平整，避免采场一边超前另一边的现象发生。

采场护顶的关键是护顶方式和护顶时间。由现场试验验证，对于顶板相对稳固的层状岩体，采用锚网护顶是一种有效的方式。护顶时间最好选择当岩层产生弹性变形时。结合现场施工实际，护顶工作面距切顶作业面20～30m较为合适，过长增加顶板不支护的暴露时间，过短不利于施工，还可能因切顶施工爆破炸坏钢网。此外，选择锚杆时，其外径要求大于凿眼钻头直径2mm，允许+0.5mm误差最为合适。

3.2 采场切割槽

试验采场的切割槽采取上向垂直扇形中深孔拉槽方式，在其他两个推广应用的采场则分别采用了上向垂直平行孔拉槽和浅眼拉槽方式。

扇形中深孔切槽。优点有凿岩施工方便、切割横巷边帮平整度要求相对较低；缺点是凿岩工程量大、爆破成槽边帮不规整、炸药量等爆破材料消耗较多。

平行中深孔切槽。优点有凿岩工程量小、爆破成槽边帮规整、炸药量等爆破材料消耗较少；缺点是凿岩施工麻烦、切割横巷边帮平整度要求相对较高。

浅孔切槽。优点有施工灵活、对护顶不产生破坏；缺点是施工复杂、成本高、时间长。

综合而言，单从技术上、施工方便和成本来说，中深孔切槽方式优于浅眼切槽方式，而从中孔两种拉槽方式而言，上向垂直平行孔拉槽相对较优。但考虑到采场切采爆破对顶板有一定的影响，尤其是对护顶钢筋网破坏较大，采取浅孔切槽更适合香炉山矿区的实际。

3.3 凿岩爆破参数

设计采用上向扇形中深孔崩矿，在采场进行了6组中深孔崩矿爆破，其参数为：钻头直径60mm、排距1.2m、孔底距分别为2.0m、2.2m和2.4m；钻头直径60mm、排距1.3m、孔底距分别为1.8m、2.0m和2.2m。

现场试验表明：凿岩钻头直径60mm、排距1.3m和孔底距2.0m综合最优；同时也表明，当孔底距超过2.2m时，炮孔的利用率和采场的边帮平整度有降低的趋势。为了避免采场缩小，房采边孔采取超出采场边界线0.3～0.5m。为使护顶钢网不被破坏，临近切顶层的中深孔的底端与切顶空区距离控制在1.2m较为合适。

3.4 崩矿爆破对周边的影响

香炉山矿区东部房柱法采矿现存空区大，为避免采场崩矿对周边采区和采场顶板的影响，设计一次爆破的炸药量控制在1.5t以内，并且控制同段爆破的炸药量；应避免多个采场同时回采爆破，以及爆破施工采场应保证周边各通道畅通。

3.5 采场出矿

香炉山矿区矿体倾角一般在10～30°，属缓倾斜，大部分矿体倾角大于无轨设备的爬坡能力12°，利用无轨设备出矿难度较大。今后可以采用如下出矿方式出矿：①使用扒碴机、挖机和联合大斗容的电耙进行联合出矿，可采取上段推、下段扒装等接力的方式进行出矿。②可根据矿体的产状选择底板相对较缓的方向布置采场。③在允许增大损失与贫化率范围的前提下，降低采场底板凿岩出矿巷道设计坡度。

4 结语

（1）预切顶中深孔房柱法具有生产能力大、资源利用率高和生产施工安全等优点，对于矿岩稳固的水平至缓倾斜中厚矿体具有较强适用性。

（2）预切顶中深孔房柱法在香炉山矿区的成功应用，为香炉山矿区资源的充分利用打下了基础。

（3）预切顶中深孔房柱法的部分工艺环节是在采空区下作业，尽管采场顶板进行过护顶，但仍存在一定的不安全性。因此，采用合理的采场结构参数、护顶方式与优良的质量和施工管理措施将是该采矿方法使用的关键所在。同时，采场施工时必须加强采场顶板的监控和及时合理地处理采空区。

［1］王家齐，施永禄.空场采矿法［M］.北京：冶金工业出版社，1988.

［2］周崇仁.矿柱回采与空区处理［M］.长沙：冶金工业出版社，1989.