不穩固礦巖條件下傾斜中厚礦體的高效采礦方法研究

李冬萍，任風玉

(1．中國有色礦業集團有限公司，北京 100029；2．東北大學，遼寧 沈陽 110004)

在地下開采時不穩固的礦巖條件容易造成巷道垮塌、采場冒落等現象，對采礦方法的要求較高。如采用空場類采礦方法，穩定性較差、生產能力較低；如用分層充填采礦方法，成本高、產量低。目前普遍采用的崩落法在開采傾斜中厚礦體時，則面臨控制礦石損失與貧化，并經濟有效地回收下盤礦石的技術難題。因此，改進崩落法以實現安全高效開采是不穩固傾斜中厚礦體開發利用的關鍵所在。

1 采礦方法現狀分析

1.1 礦山概述

某銅礦是一座大型地下礦山，礦體走向近東西，傾向南，傾角38°～65°，厚度7～10m，走向長度約2200m，礦石銅品位平均2.60%。銅礦物主要賦存在片巖、泥質板巖中，巖性較差。礦體的直接上盤圍巖為厚度約10m的礦化泥質板巖(品位低于1%)，礦體下盤圍巖為泥質石英巖、長石石英巖。其中，礦體下盤0.2～0.5m為富礦聚集帶，品位高達8%左右。

該礦1974年開始地下開采，采到500mL中段后，因巷道與采場塌冒嚴重造成生產效率低，于1987年被迫停產。從2000年7月開始恢復生產建設，采用豎井和斜坡道聯合開拓，設計500mL中段與700mL中段同時開采，其中500mL中段選用分段空場法、分段崩落法、上向分層充填法開采；700mL中段主要應用分段空場嗣后充填法開采。設計采礦生產能力為6500t/d，其中500mL中段為1500～2000t/d，700mL中段為4000～4500t/d。

1.2 存在問題和難點

在實際生產中，分段空場法采場與分段崩落法采場都發生過因沿脈采準巷道時常垮塌而影響生產的現象。700mL中段投入20多個分段空場嗣后充填法采場，實際生產能力僅500t/d左右，冒落采場的損失率一般超過40%，貧化率30%以上。

通過分析該礦采礦方法現狀，歸結出三個方面的難題：

1) 礦體賦存條件與品位分布條件對回采工藝提出較高的要求。礦體下盤有0.2～0.5m的富礦聚集帶，品位高達8%左右，直接上盤圍巖有厚度約10m的礦化泥質板巖，品位低于1%，但高于銅工業品位。由于礦巖允許暴露面積小，傳統的空場類采礦方法的遠不如分段崩落法高效，但在傾斜中厚礦體條件下，如何用崩落法經濟有效地回收下盤富礦，是技術難題。

2) 礦巖穩定性差與采動地壓大，近礦沿脈巷道難以形成。礦體與近礦圍巖穩定性差，主要是礦體的層理和節理發育，層理間距一般為0.05～1.0m/條，層理面嚴重絹云母化，使得礦體與近礦圍巖暴露后容易片落。而且由于采動地壓大，在穩定性較差部位，片落后的巷道難以維護，地壓持續破壞，圍巖冒落高度不斷加大，直至整個巷道斷面便被冒落散體堵塞。盡管采用支護，但絕大多數采場的鑿巖巷道均不能形成。

3) 難以形成空場采場，礦巖容易冒落。采場不能形成穩定的空場，在采場爆破后，隨出礦作業的進行，上盤圍巖隨之垮落。在500ML水平的分段空場法采場的實際生產中，上盤圍巖的自穩面積不超過120m2。上盤圍巖容易冒落，加大了采場放出礦石的損失貧化。

2 地壓活動規律與采動應力分布研究

由于近礦圍巖主要為泥質板巖，巖性硬而脆，抗拉強度低，開挖后的變形導致離層，形成薄層巖板，一旦圍巖出現較大拉應力，就容易引起破壞。在實際生產中，距離礦體20余m的分段巷道穩定狀態良好，而礦體內的礦房和靠近礦體的沿脈鑿巖巷極容易冒落。沿脈鑿巖巷的破壞總是拱角先片落，其次拱頂冒落，最后兩幫片落，而且破壞巷道從未發現底鼓現象。這些現象說明：圍巖變形派生的拉應力是導致巷道和采場冒落的主要原因。因此，需要通過定點布置收斂儀，收集崩落回采過程中聯巷中圍巖應力的變化數據，分析崩落法采場的應力場分布特征。

1) 監測點1：529mL 3～6采場6#采聯巷道，布置11排測點。通過數據分析，發現測排1至測排3受采動影響較小，測排3至測排6為主要承壓區，測排7至測排9為應力降低區，測排10至測排11為承壓區，此時的上分段采場上盤爆破邊界與下部卸壓區邊界所成的角度(卸壓角)為99°，卸壓區寬度7.2m。

2) 監測點2：565mL 3～6#采場5#、6#采聯巷道，受相鄰3～5#和3～7#采空區的影響，對應的3～6#采場巷道頂板采動壓力較大。在兩個監測采聯巷道中，分別布置13排監測點，通過數據分析，測排1～5為采動壓力擾動區；測排6到測排7之間為卸壓區；測排7～10為承壓區，測排11～13為免壓區，此時的上分段采場上盤爆破邊界與下部卸壓區邊界所成的角度(卸壓角)為90°，卸壓區寬度約6.5m。

可以得出，采動地壓集中作用于層、節理發育的礦體與近礦圍巖；上分段崩落回采對下分段采場卸壓作用明顯，卸壓開始位置用卸壓角表示為90°～99°，往下盤方向范圍約為6.5～7m。同時在卸壓區的下盤部位有一承壓區，范圍約為6m，沿脈工程應盡量避開此區域。

3 采礦方法優化

3.1 分段卸壓崩落法工藝

分段卸壓崩落法對于無底柱分段崩落法的最主要改進在于上分段回采為下分段卸壓，下分段沿脈巷道布置在卸壓區內，提高沿脈回采巷道的利用率，合理回收下盤富礦帶并減輕支護工作量。在中厚傾斜礦體中由于角度與厚度都不充足，需要從上往下逐分段卸壓，進路沿礦體走向布置，上一分段的回采空間為下一分段的沿脈進路卸壓，同時，為充分回收下盤側高品位礦石，沿脈進路布置在底板圍巖里，具體方案見圖1。

因卸壓需要而崩落的上盤圍巖面積S2、因回收富礦帶需要而崩落的下盤圍巖面積S1、以及合理的分段高度H值，均可按采場結構圖2幾何關系導出，計算公式如下：

；

式中：D=2T(af+bn2)(ar+2bctgθ)+B2-

T=ctgα+ctgθ；

α—礦體傾角；β—散體放出角；θ—上盤側邊孔角；φ—卸壓角；B—礦體水平厚度；Cb—崩礦品位，%；Ck—礦石地質品位，%；Cy—上盤圍巖品位，%。

圖1 分段卸壓崩落法方法圖

圖2 分段卸壓崩落法采場結構示意

以1410線至1740線之間的礦體為例，計算得分段高度為8～20m，見表1。

表1 1410至1740線礦體分段高度計算值

越往深部，分段卸壓崩落法的合理分段高度值越大，相應投入采場的采準工程量就越小。從實際采出礦量看，分段卸壓崩落法礦石回采率可達75%以上，貧化率可控制在25%～30%。

3.2 分段卸壓崩落法參數確定

3.2.1 卸壓角(φ)

礦山壓力傳遞角即上分段采場上盤爆破邊界與下部卸壓區邊界所成的角度稱為卸壓角，卸壓角的取值范圍與空區跨度、應力降低區的延深深度、礦體傾角有關。根據FLAC3D數值分析和現場試驗結果，在礦體厚度7～10m、分段高度8～10m、礦體傾角45°～65°的條件下，卸壓角的最小值可取為90°。隨著卸壓角取值的增大，卸壓程度增大，但是卸壓角過大崩落巖石量過多。綜合考慮，推薦卸壓角不大于95°，即取卸壓角介于90°與95°之間，此時不僅可消除采動壓力，而且至少可卸掉20%以上的原巖壓力[3]。

3.2.2 邊孔角

上盤邊孔角的大小需考慮減小最大孔深和保證邊孔有效爆破兩個因素，按散體移動特性確定上盤邊孔角55°～60°。下盤邊孔角的確定考慮到減小下盤殘留，結合礦體形態，綜合考慮下盤崩落廢石與礦量的回收關系，推薦取下盤邊孔角70°。

3.2.3 崩礦步距

分段卸壓崩落法的落礦及出礦條件與傳統的無底柱分段崩落法相近，每一步距的可放礦石層高度也與礦用分段崩落法相近，可取2.0～2.2m崩礦步距值。

3.2.4 采場平面布置形式

分段巷道布置在遠離礦體的穩固性巖體里，受采動影響小，由于礦體較長，設計沿走向多分區開采，可以保證足夠的生產能力。根據勘探線間距，采區尺寸為360m，每一采區布置三條礦石溜井，一條廢石溜井，用一臺鏟運機(斗容4.6～5.4m3)出礦，保證四個工作面可同時出礦，出礦能力1200t/d。具體見圖3。

圖3 推薦的采區尺寸與主要工程布置形式

3.2.5 巷道支護形式

采用常規的單一縫管式錨桿支護，錨桿長2.0m，每排視巖性打10～11根錨桿，錨桿排間距1.2m。抽條冒頂嚴重區域采用錨桿壓鋼筋條支護，支護后沒有發生進一步破壞，使整個回采進路全長投入回采。

3.3 采場試驗結果

在488mL分段5#采場進行了分段卸壓崩落法試驗。該采場礦巖穩定性較差，礦體水平厚度8～11m，傾角43°～54°，平均地質品位2.52%，試驗采場取卸壓角90°，回采進路中心距礦體下盤邊界水平距離為8.9～10.3m，崩巖高度4.2～7.6m。在488mL 5#試驗采場回采過程中，進行下分段500mL 3-4#采場的掘進，該采場的沿脈巷按照卸壓角90°進行布置。

由于試驗采場的沿脈進路在部分卸壓范圍之內，地壓顯現程度大為減輕，未出現巷道塌冒的地壓活動，巷道利用率達到了100%。試驗采場地質礦量為23017t，采出礦量29714t，采出礦石品位1.71%，金屬回采率87.60%，礦石貧化率32.14%。采場生產能力800～1000t/d，取得了較好的回采指標，從而表明適當崩落下盤巖石可顯著提高金屬回采率，也表明分段卸壓崩落法具有較高的適應性。

4 結語

通過對礦巖穩定性較差的傾斜中厚礦體采礦工藝研究，得出如下結論：

1) 礦巖穩定性較差的傾斜中厚礦體，容易受采動地壓影響，采動壓力以垂直壓力為主，集中作用于層、節理發育的礦體與近礦圍巖，適當卸掉這種垂直壓力，是解決沿脈巷道和采場破壞問題的最簡捷途徑之一。

2) 通過改進無底柱分段崩落法的采場結構與回采工藝，形成了分段卸壓崩落法開采方案。在礦體的傾角與厚度都不充足的條件下，利用上一分段的回采空間為下一分段的沿脈進路卸壓，保證了采場出礦和沿脈巷道的穩定；合理設置參數崩落下盤圍巖充分回收下盤富礦帶；越是破碎條件下，采礦效果越好。

3) 分段卸壓崩落法使礦山主采區生產能力增大至4500t/d，礦石損失率由原來的40%以上降低到25%左右，礦石貧化率由原來的35%～40%降低到30%左右，表明該方法能夠較好地適應主采區的礦巖穩固性，顯著改善采場安全條件，并可取得良好的技術經濟指標。

[1] 周宗紅,任鳳玉,王文瀟,等.后和睦山鐵礦傾斜破碎礦體高效開采方案研究[J].中國礦業,2006,15(3):47-50.

[2] 張晉軍.謙比希銅礦主礦體無底柱分段崩落法改進途徑[J].中國礦山工程,2009(5):10-12.

[3] 任鳳玉,李楠.團城鐵礦多空區礦體開采技術研究[J].金屬礦山,2008(3):32-34.

[4] 任鳳玉,陶干強,李清望,等.西石門鐵礦南區崩落卸載采礦法試驗研究[J].中國礦業,2003,12(1):41-43.