某特大型地下矿山嗣后充填采矿法凿岩方式对比研究
阶段空场嗣后充填采矿法作为国内地下金属矿山优先选择的工艺，技术已较为成熟，一般采用堑沟底部结构，堑沟一般高２０～２５ｍ，采用中深孔凿岩，受凿岩设备限制，大部分矿山采场一般高４０～７０ｍ，仅安庆铜矿等少数矿山采用１００～１２０ｍ高度，分两段凿岩，集中出矿。采场凿岩方式主要有分段、大直径垂直深孔和下向扇形深孔凿岩３种。分段凿岩一般是在分段凿岩巷道内钻凿上向扇形中深孔，炮孔直径一般为７６～８９ｍｍ，一般高１５～３０ｍ，目前国内外采用分段凿岩的矿山有红山铁矿、石人沟铁矿、大冶铁矿、保加利亚切洛佩奇（Ｃｈｅｌｏｐｅｃｈ）铜金矿等。大直径垂直深孔凿岩一般在采场上部凿岩水平施工凿岩硐室，在凿岩硐室内，钻凿下向大直径垂直深孔，炮孔直径一般为１６５ｍｍ，凿岩高度可达５０～６０ｍ，大直径垂直深孔凿岩因其生产能力大而得到广泛应用，目前国内外采用的矿山有冬瓜山铜矿、安庆铜矿、周油坊铁矿、马城铁矿、印度尼西亚ＰＴ自由港大铁帽（ＢｉｇＧｏｓｓａｎ）铜矿。下向扇形深孔凿岩在水平位置布设凿岩巷道，在凿岩巷道内钻凿下向扇形深孔，炮孔直径一般６０～１６５ｍｍ，凿岩高度可达１５～５０ｍ，目前国内外采用下向扇形孔凿岩的矿山有瓮福磷矿、板庙子金矿、三山岛金矿、西班牙鲁维亚莱斯（Ｒｕｂｉａｌｅｓ）铅锌矿、加拿大白马（Ｗｈｉｔｅｈｏｒｓｅ）铜矿、芬兰皮哈萨尔米（Ｐｙｈｓａｌｍｉ）铜矿、沙特阿拉伯马萨尼（ＡｌＭａｓａｎｅ）铜锌矿。
研究仅对下向扇形深孔及大直径垂直深孔２种凿岩方式进行比较，旨在为特大型地下矿山在阶段凿岩选择方面提供技术参考。
１ 工程概况
田兴铁矿矿体较厚大，普氏硬度系数为１２～１４，设计采用阶段空场嗣后充填采矿法，沿矿体走向划分盘区，盘区长度为１２０ｍ，宽度等于矿体厚度，中段高度５０ｍ，盘区间柱宽度１５ｍ。在盘区范围内沿矿体走向布置矿块，垂直矿体走向方向划分一、二步采矿块，一步采矿块采用尾砂胶结充填，二步采矿块以低配比尾砂胶结充填为主。一步采矿块采用连续布置，分步回采，矿块长度５２.５ｍ，宽度２０ｍ，高度５０ｍ；二步采矿块中间由矿块间柱分割，矿块长度为４８.５ｍ，宽度２０ｍ，高度５０ｍ，矿块间柱长度２０ｍ，宽度８ｍ。
选择下向扇形深孔凿岩和大直径垂直深孔凿岩２种方式，主要是综合考虑了多方面因素。田兴铁矿体具有倾斜、厚度变化及矿石硬度分布差异大等地质特征，下向扇形深孔凿岩能灵活调整钻孔角度，适应不规则矿体形态与倾角，保障矿石有效开采；大直径垂直深孔凿岩则适用于规整、厚度大且稳定性好的矿体区域，可大规模高效落矿，减少钻孔数量，提升开采效率。从开采技术条件看，矿山现有设备、通风与运输系统和这２种凿岩方式的兼容性较好，下向扇形深孔凿岩设备灵活，对场地空间要求低，在空间或设备资源有限时易于实施，大直径垂直深孔凿岩虽对设备精度和能力要求高，但匹配后能与大���化运输、通风系统协同提升整体效能。此外，在国内外类似矿体开采实践中，这２种方式均有成功案例，如在地质条件相近矿山，下向扇形深孔凿岩能有效应对复杂矿体结构，保障矿石回收率，大直径垂直深孔凿岩在大型厚矿体开采中大幅提高矿块生产能力，降低单位开采成本。因此，这２种方式在田兴铁矿有较大应用潜力，值得深入分析比较。
２ 下向扇形深孔阶段凿岩方式
２．１ 采准工程
出矿巷道布置在-４５０ｍ出矿水平，出矿巷道尺寸为５２.５ｍ×５.１ｍ×４.７４ｍ（长×宽×高）。出矿进路自出矿巷道掘进，连通堑沟拉底巷道，出矿进路尺寸为１５.５ｍ×４.０ｍ×４.０ｍ（长×宽×高），且与其斜交，交角４５°～５０°，进路间距１０～１２ｍ。
在-４００ｍ凿岩水平布置２条凿岩巷道，从２个矿块中央位置及一侧各掘进１条凿岩硐室至矿房端部，其中２个矿块中央位置的凿岩巷道承担一步采与二步采的凿岩工作，凿岩硐室寸为５２.５ｍ×５.１ｍ×４.７４ｍ（长×宽×高）。
２．２ 切割工程
切割工作包括切割槽及“Ｖ”形受矿堑沟的形成。切割工程主要包括切割横巷、堑沟拉底巷道、切割天井，自-４５０ｍ出矿水平掘进堑沟拉底巷道（断面规格５.１ｍ×４.７４ｍ）至矿房端部，在堑沟拉底巷道中，钻凿上向扇形中深孔，边孔角度控制在４５°左右，“Ｖ”形堑沟的形成与回采同步进行。
在采场端部，分别从堑沟拉底巷道和凿岩硐室掘进切割横巷，直至采场边界；自-４００ｍ凿岩水平切割横巷，在采场端部中央，采用天井钻机钻凿切割天井（ϕ２.０ｍ），以切割天井为自由面，逐次爆破，将切割天井扩大至４.０ｍ×３.０ｍ（长×宽），然后逐次爆破形成切割槽（宽４.０ｍ）。下向扇形深孔阶段空场嗣后充填采矿法示意见图１。
下向扇形深孔阶段空场嗣后充填采矿法单个矿块采准工程量（不含切割槽）共６４５７.５ｍ³，矿石量２１３１３ｔ。
２．３ 爆破设计
采场设计２种炮孔，排距２.８ｍ，其中ϕ１０２ｍｍ炮孔１７排，每排炮孔１２个，炮孔总数２０４个，炮孔总长度约４４８４.６ｍ；ϕ７６ｍｍ炮孔２７排，每排炮孔１１个，炮孔数２９７个，炮孔长度约４４３３.４ｍ，炮孔总长约为８９４３.５ｍ，采场地质矿量约为１７.３万ｔ。上部爆区炸药单耗为０.３６ｋｇ／ｔ，崩矿量５５４４ｔ；下部爆区炸药单耗为０.４９ｋｇ／ｔ，崩矿量１３０９ｔ。爆区炮孔布置见图２，爆区爆破参数见表１、表２。
３ 大直径垂直深孔阶段凿岩方式
３．１ 采准工程
出矿巷道布置在-４５０ｍ出矿水平，出矿巷道尺寸为５２.５ｍ×６.５ｍ×４.５ｍ（长×宽×高）。自出矿巷道掘进，出矿进路连通堑沟拉底巷道，出矿进路尺寸为５.７ｍ×４.０ｍ×４.０ｍ（长×宽×高），且与其斜交，交角４５°～５０°，进路间距１０～１２ｍ。在-４００ｍ凿岩水平布置２条凿岩巷道，断面尺寸为６.５ｍ×４.５ｍ。
３．２ 切割工程
切割工作包括切割槽及“Ｖ”形受矿堑沟的形成，主要包括切割横巷、堑沟拉底巷道、切割天井。自-４５０ｍ出矿水平一侧，掘进堑沟拉底巷道（断面规格６.５ｍ×４.５ｍ）至矿房端部，在堑沟拉底巷道中钻凿上向扇形中深孔，边孔角度控制在４５°左右，“Ｖ”形堑沟形成后，再进行上部回采。在采场端部分别自堑沟拉底巷道和凿岩硐室掘进切割横巷至采场边界；自-４００ｍ凿岩水平切割横巷，在采场端部中央，采用天井钻机钻凿切割天井（ϕ２.０ｍ），以切割天井为自由面逐次爆破，将切割天井扩大至４.０ｍ×３.０ｍ，然后逐次爆破形成切割槽（宽度４.０ｍ）。大直径垂直深孔阶段空场嗣后充填采矿法示意见图３。
大直径垂直深孔阶段空场嗣后充填采矿法单个矿块采准工程量（不含切割槽）共７１４４.１ｍ³，矿石量２３５７７ｔ。
３．３ 爆破设计图表
采场设计ϕ１６５ｍｍ炮孔１６排，每排８个炮孔，炮孔总数１２８个，炮孔长度约３２５７.６ｍ；ϕ７６ｍｍ炮孔２７排，每排１２个炮孔，炮孔数２９７个，炮孔长度约４６９１ｍ，炮孔总长约为７９４８.６ｍ，采场地质矿量约为１７.３万ｔ。上部爆区炸药单耗为０.４５ｋｇ／ｔ，崩矿量５９４０ｔ；下部爆区炸药单耗为０.４９ｋｇ／ｔ，崩矿量１４３７.５ｔ。爆区炮孔布置见图４，爆区爆破参数见表３、表４。
４ 方案比较
下向扇形深孔及大直径垂直深孔凿岩方式均在凿岩巷道内钻凿下向深孔，凿岩巷道后期可作为上中段回采的堑沟拉底及出矿巷道，使得采切工程量、穿孔米数、巷道维护、炸药用量得到有效降低，凿岩方式工程量对比见表５。
在装药工序方面，下向扇形深孔采用数码电子雷管＋导爆索＋乳化炸药耦合装药结构；大直径垂直深孔采用数码电子雷管＋起爆具＋乳化炸药空气间隔装药结构，底部需要先进行堵孔，２种炮孔的装药结构见图５，单个矿块装药工艺对比见表６。在装药工艺方面，下向扇形深孔比垂直深孔简单且更节省人力、物力。
若产量１５００万ｔ／ａ，需要消耗１０２.７３个矿块（参考设计回采率８０.４４％），２种凿岩方式技术经济综合对比见表７。
通过综合对比技术、经济情况可以看出，下向扇形深孔凿岩优势明显，前期基建及后续采切工程投入相对较少，可有效降低资本支出，装药工序简单，不仅节省人力、物力，长期而言，更利于操作流程标准化、高效化，降低人为失误率。尽管下向扇形深孔凿岩穿孔长度大，但综合费用仍占优，长期可节省大量资金用于其他生产环节或设备升级。大直径垂直深孔凿岩单次崩矿量略高，在矿体条件合适时，能阶段性地提高开采效率。不过，其采切量、支护量以及较高的炸药单耗，会使长期运营成本显著增加。高额的采切、支护费用，以及大量的炸药消耗，不仅侵蚀利润空间，还可能因成本过高限制矿山产能扩充。而且，由于装药工序复杂，易出现操作疲劳、设备损耗等问题，影响生产效率。田兴铁矿在追求长期低成本、稳定高效运营的目标下，选择更具优势的下向扇形深孔凿岩方式。
５ 结论
（１）采用下向扇形深孔布置凿岩硐室时，２个矿块利用３个凿岩硐室，较下向垂直深孔凿岩方式少１个凿岩硐室的采切工程量，即减少采切量为２１.１万ｍ³，减少凿岩硐室支护工程量１００９８.４ｍ³。
（２）通过对２种凿岩方式在单个矿块炸药用量方面的比较，采用下向扇形深孔凿岩方式炸药用量为５４００ｔ，垂直深孔凿岩方式炸药用量为６７５０ｔ，明显减少炸药用量１３５０ｔ，并且在装药工艺方面也节省物资与劳动力。
（３）通过综合技术经济指标对比可以看出，采用下向扇形深孔凿岩方式在采切及装药工序方面，按矿石量１５００万ｔ／ａ计算，每年节省费用约６９００万元。
（４）在满足矿山生产要求的前提下，下向扇形深孔凿岩在降低回采成本方面效果显著，并且有很好的发展前景，经过充分研讨，决定采用下向扇形深孔凿岩方式。