地下礦山采礦方法設計思維

楊世明

(內蒙古蘇尼特右旗安全生產監督管理局， 內蒙古蘇尼特右旗 011200)

以往，國內一些礦山慣用或套用一些典型而單一的空場法、充填法和崩落法方案，結果在開采地質構造復雜，礦巖松軟破碎的礦體時，經常發生巷道和采場垮冒嚴重，礦石損失大，資源回收率很低，作業不安全，經濟效益差，無法正常生產等現象。導致采富丟貧，采厚丟薄、采易丟難等問題。為此，從1990年代以來，國內冶金礦山和有色金屬礦山開展了各類難采礦體采礦法的研究，產生多種新型采礦法。這既大幅度降低了回采成本和損失貧化率，同時使我國的難采礦體開采技術達到較高水平，也為采礦方法設計提供了新思路、新經驗和新方向。這些采礦方法的設計思維方法，值得深入學習和推廣。因此，筆者對現行采礦方法設計思維進行了系統的總結和梳理。

1 采礦方法的基本原理

金屬非金屬地下礦山采礦方法，是根據回采時地壓的管理方法不同，將采礦方法劃分為空場采礦法、充填采礦法和崩落采礦法3大類。3大類采礦方法之間的差別主要是地壓管理中回采采空區處理方法不同，3類采礦方法是按結構特點和工作面形狀劃分為組，再根據落礦方法和工作面推進方向，將組劃分為若干個典型方案。

(1)空場采礦法的特點。將礦塊劃分成礦房和礦柱，先采礦房、后采礦柱或不采礦柱兩步驟回采?；夭傻V房時采空區主要依靠礦石和圍巖自身的穩定性和礦柱維護。礦房回采后，有計劃地回采礦柱和處理采空區。適用各類金屬非金屬礦山，礦體和圍巖穩固是其應用的基本條件。

(2)充填采礦法的特點。分兩步回采，隨著回采工作面的推進，用充填材料填充采空區。充填采空區的目的主要是利用充填體進行地壓管理，以控制圍巖崩落和地表沉陷并為回采工作創造安全和方便的條件。充填采礦法可在工作面內手選礦石，礦柱可以用充填體代替，礦石損失，貧化較低。主要適用于有色、貴重、稀有金屬礦山。不論礦巖是否穩固，均可以采用。

(3)崩落采礦法的特點。一步驟回采，以崩落圍巖來實際地壓管理的采礦方法，即隨著礦石的崩落，強制或自然崩落圍巖充填采空區，以達到控制地壓之目的，這是崩落采礦法共有的基本特征。適用前題是地面允許崩落和沒有自然性的礦床，圍巖不穩固也可以采用。

根據3類采礦方法的特點，可以得知，采礦方法設計包括采場結構和回采工藝兩大方面的內容。地壓與采場結構密切相關，而地壓管理則是決定采場能否順利安全生產的關鍵。因此，地下礦采礦方法設計的核心是地壓管理，而地壓管理往往是通過采場結構、回采工藝、以及井巷工程的布置與支護來實現。

2 采礦方法的設計

2.1 采礦方法設計的基本原則

采礦設計方案要符合“安全高效、低成本、低貧損”要求。具體內容主要有以下5點。

(1)安全和良好的工作條件。保證工人在開采過程中安全生產和良好的作業條件，防止井下和地表的建筑物、主要設施和各種設備遭到破壞，防止地下水災，自然火災，及其他重大災害的發生。

(2)充分、合理地開采地下礦產資源。特別對于富礦、稀缺礦床開采，要設計回收率高的采礦方法。在分期開采礦床時，要設計使后期開采的礦巖條件不遭破壞的采礦方法，有效地保護礦產資源。

(3)生產能力大，勞動生產率高。要盡可能設計生產能力大和勞動生產率高的采礦方法，減少多階段作業，以利于生產管理和實施強化集中開采。

(4)生產成本低、經濟效益高。設計采礦方法時，不僅要考慮礦石回采成本，還要考慮礦石加工成本，使采選成本低，綜合經濟效益好。

(5)礦山實際技術裝備與管理水平。設計采礦方法時，要充分考慮礦山實際技術裝備與管理水平。

2.2 采礦方法設計要素

采礦方法設計主要包括采場結構和回采工藝2大部分。

(1)采準工程設計。采準巷道按其作用不同分為階段運輸巷道、穿脈運輸巷道、天井(上山)、人行材料天井、通風巷道、電耙道、采場溜井、采場充填井、鑿巖井巷，等等。

(2)切割工程設計。用掘進的手段開辟回采的最初工作面和補償空間，如切割天井、切割上山、切割平巷、拉底巷道、切割槽、漏斗，等等。

(3)鑿巖爆破設計。金屬非金屬礦山一般均使用鑿巖爆破方式進行落礦。鑿孔形式有:淺孔、深孔。炮孔布置形式有:扇形孔、束狀孔，水平孔、垂直孔等。

(4)回采順序設計。根據對地壓管理的需求，在回采工作中，可以采用前進或后退式回采，同時或梯次式回采。

(5)地壓管理設計。主要有采切工程和礦房地壓管理兩個方面。一是通過留設礦柱、充填空區、崩落頂板來管理地壓。二是利用各類支護方法、人工假頂來管理地壓。三是利用采切工程的布置、以及采切和回采順序來管理地壓。

2.3 采礦方案設計方法

采礦方法方案設計主要有:選擇性設計和創造性設計2種方法。

(1)選擇性設計。依據礦床地質條件和開采技術經濟條件，直接在3大類采礦方法典型方案中選擇。選擇性方法只適用于易采礦體的采礦方法的設計。

(2)創造性設計。首先分析和評價現行一般采礦方法，繼而作深入研究，改進或革新現行采礦方法，它與國內外長期慣用的“以法套礦”的觀點和體系截然相反，是根據礦山實際“因礦生法、因礦創法”。創造性設計方法多用于難采礦體采礦方法的設計。

3 采礦方法設計思維方式

筆者對地下采礦方法技術專著進行詳細的研讀，并對各類采礦方法的結構特點和設計思維進行整理、分析和總結，認為采礦方法的設計一般有以下38種設計思維方法。

(1)地質條件設計思維。根據礦床各類地質條件進行采礦方法設計。一是根據礦山和圍巖的物理力學性質;二是根據礦體產狀，如傾角、厚度和形狀等;三是根據礦石的品位及價值;四是根據有用礦物在礦體和圍巖中的分布;五是根據礦體賦存深度，礦石和圍巖的自燃性與結塊性，等等。

(2)技術經濟設計思維。采礦方法的設計必須考慮企業的資金實力、技術裝備和管理水平等。一是地表是否允許陷落;二是加工部門對產品的技術要求;三是技術裝備與材料供應;四是采礦方法所要求的技術管理水平，等等。

(3)順勢與逆勢設計思維。根據礦巖的穩固性，對礦房的頂板管理主要分為順勢與逆勢2種管理方式。一是利用礦巖不穩固的特點，隨著礦石的崩落，自然或強制崩落圍巖充填采空區，以達到控制地壓之目的，這就是順勢管理地壓的思維，如崩落采礦法;二是隨回采工作面的推進，用充填材料填充采空區，防止礦巖冒落，這就是逆勢管理地壓的思維，如充填采礦法;三是利用礦巖穩固的特點，回采礦房時采空區主要依靠礦石和圍巖自身的穩定性和礦柱維護，這是先順勢后逆勢管理地壓的綜合思維，如空場采礦法。

(4)合并與分別設計思維。在相鄰礦脈、平行礦脈和極薄礦脈開采中，往往存在合采與分采的區別。一是相鄰礦脈和平行礦脈開采時，礦脈的合采與分采;二是極薄礦脈的礦巖開采時，在開采礦脈的同時需要采下部分圍巖，但開采過程中需要對礦和巖進行分采，等等。

(5)機械化輕重設計思維。采掘設備可分為輕型與重型設備，各自有其適用條件。一是薄礦體易采用輕型采掘設備，厚礦體采用重型采掘設備;二是采礦作業人員在礦房內進行回采作業的，一般采用輕型采掘設備，采礦作業人員在礦房外進行回采作業的，一般易采用重型采掘設備;三是大規模采礦，一般采用重型采掘設備，等等。

(6)分層與分條設計思維。在難采礦體采礦方法設計中，為管理地壓，在布置回采平巷時廣泛使用分層與分條的方法:一是水平和緩傾斜礦體多采用分條布置回采平巷;二是傾斜和急傾斜礦體多采用分層布置回采平巷，等等。

(7)連續與間隔設計思維。在采礦生產過程中為管理地壓，在爆破和支護方面采取的一些措施。一是礦房中的礦柱布置一般可分為連續礦柱和間隔礦柱兩種方式;二是在木支護棚架中可分為密集型支護和間隔型支護;三是在光面爆破時，裝藥可以采用連續或間隔的方式;四是連續開采技術，等等。

(8)開創空間設計思維。礦房回采必須在礦體或巖體中開鑿人員作業和爆破落礦的空間。一是為礦房的回采開創自由面和提供補償空間，崩落采礦法的切割槽，房柱采礦法的切頂、切底，留礦法和階段礦房法中的拉底;二是為回采提供作業空間，在鑿巖爆破作業中，為保證作業人員的安全，當開采礦巖不穩固或厚大礦體時，采礦人員大多在鑿巖巷道和硐室內作業，當開采礦巖穩固或薄礦體時，采礦作業人員大多在回采空間(礦房)內作業，等等。

(9)沿走向與垂直走向設計思維。采礦工程可分為沿走向和垂直走向布置。一是根據礦體的厚度沿走向或垂直走向布置礦房;二是依據采用的采礦方法沿走向或垂直走向布置采準切割巷道，等等。

(10)脈內外布置采切工程設計思維。根據礦巖的穩固性和采礦方法的結構，采準和切割工程可分為脈內和脈外2種布置形式，等等。

(11)有無底部結構設計思維。礦房結構可分為有底部結構和無底部結構，礦井運輸可分為有軌與無軌裝運。一是有底柱和無底柱崩落采礦法;二是有底柱和平底留礦法;三是在布置采切工程時，要考慮是采用有軌還是無軌裝運設備，等等。

(12)上與下設計思維。在采切工程布置和回采方向上，往往有上下之分。一是上向充填采礦法、下向充填采礦法;二是上向鑿巖、下向鑿巖;三是開采水平極薄礦體時，回采巷道可以布置在礦體的上、中、下部位;四是房柱采礦法中切割工程可分為上部切頂巷道和下部切底巷道兩種，等等。

(13)前進與后退設計思維。礦房開采順序和回采作業順序，有前進式回采和后退式回采2種方式，等等。

(14)水平與垂直設計思維。在采礦設計中，一些回采巷道和爆破炮孔布置，往往采用水平或垂直布置。一是回采巷道布置，緩傾斜礦體有水平和垂直分條塹溝式采礦法，急傾斜礦體有水平分段鑿巖采礦法;二是中深孔爆破設計中的水平和垂直孔爆破方法，等等。

(15)全部與局部設計思維。在采掘工程中的井巷支護、錨桿錨固、礦房回采都存在全部與局部的設計方法。一是崩落采礦法，有以礦房為回采單元和以進路為回采單元之別。二是井巷掘進中的有整體支護和局部支護之別。三是各類工程中的描桿支護的錨固方式有全長錨固和點錨固之別，等等。

(16)臨時與永久設計思維。采礦工程和設施按其用途可分為臨時性和永久性的。一是礦房中礦柱有臨時礦柱和永久礦柱;二是井巷工程按照用途也可分為永久性工程和臨時性工程;三是井巷工程支護，也可分為臨時性和永久性的支護方式，等等。

(17)避開與控制設計思維。采礦工程的布置，一般要避開不穩固的礦巖，而布置在較穩固的礦巖中。當無法避開不穩固的礦巖時要采取對地壓的應對控制措施，主要使用光面控制爆破，錨噴支護，超前支護，預應力描桿支護，金屬U型可縮性鋼架支護措施，等等。

(18)及時與暫緩設計思維。在采礦工程施工中，為有效管理地壓而采取的及時與暫緩施工和支護措施，從而達到有效管理地壓的目的。一是在井巷掘進中，為避免應力集中致使井巷破壞，在“T”字和“十”字巷道處留下幾米暫時不掘通;二是在井巷掘進中，采用的事前支護和事后支護，事前支護有超前描桿支護，事后支護有鋼木支架支護和混凝土支護，等等。

(19)直接與間接設計思維。在采礦設計中有些工程布置和地壓管理，使用直接的方式無法達到預期效果，而使用間接的方式可以達到較好的效果。如，水平礦體當礦房直接頂板不穩固，而間接頂板(老頂)穩固，為有效管理地壓，往往利用去掉直接頂板來充填采空區，而使用間接頂板做為礦房永久頂板，等等。

(20)遺留與回收設計思維?？請霾傻V法中為管理地壓，往往需要留一些永久性或臨時性礦柱。一是空場采礦法中留永久礦柱;二是空場采礦法中利用人工假礦柱置換礦柱;三是空場采礦法中回采結束后，部分間柱和頂柱可以回收，等等。

(21)構筑工程設計思維。為了充分回收礦產資源，某些采礦方法的采切工程不是在礦巖中開掘出來的，而是人工構筑出來的。一是單層和分層崩落采礦法中人工假頂;二是留礦法中的順路天井和人工假底;三是膠結充填采礦法中的人工構筑的礦柱、溜井、行人和通風天井，等等。

(22)借鑒設計思維。在新型采礦方法設計過程中，往往要借鑒典型采礦方案的設計思路，不僅要從現行采礦科技論文中借鑒設計思維，同時還需要從各類采礦方法專著中借鑒設計思維，通過對采礦方法的追本朔源，常常會激發出意想不到的設計思路，等等。

(23)經驗與監測試驗設計思維。在采礦方法設計時，有些技術參數是依據工程類比選取的，有些卻是依據試驗室試驗和理論計算獲取的。一是最大暴露面積和最大安全跨度值的選取，以及頂柱厚度的確定，一般采用經驗值選取和試驗室試驗與理論計算值;二是根據地壓活動的監測，依據礦巖應力承載區和應力缷壓區，設計采掘巷道和礦房回采順序，等等。

(24)隨變應變設計思維。在對一些走向或沿傾方向變化較大的礦體設計采礦方法時，要根據礦體的變化情況，隨時調整采礦方案。一是當礦體發生復合與分支或礦體傾角發生顯著變化時，在礦體復合與分支，以及傾角明顯變化處都要設置礦柱;二是當礦體厚度發生明顯變化時，采用不同的采礦方案，等等。

(25)先后設計思維。在開采極薄礦脈、相鄰礦脈和地壓復雜礦體時，回采時往往要區分開采的先后順序。一是極薄礦脈開采順序，先采石、后采礦，先采礦、后采石;二是在相鄰礦脈開采時，先采富礦、后采貧礦，先采貧礦、后采富礦;三是缷壓開采中的采掘方法有先用先掘、晚用晚掘，先拉底、后采準，先崩礦、后掘進電耙巷道;四是在礦房回采時，采用先采高應力區礦房，由從高應力區向低應力區回采，先采不穩固礦體，由不穩固地段向穩固地段開采，等等。

(26)常規與反向設計思維。常規設計思維是采切工程施工和礦房回采時一般都采用順序的方式作業，而反向設計思維是不按常規順序作業。一是缷壓開采技術，先采礦、后掘進切割巷道;二是采礦法中先采礦柱、后采礦房;三是主動支護方法，采取先支護，后掘進的方法;四是預應力描桿、金屬U型可縮性鋼架支護的原理，與棚架支護和混凝土支護原理完全相反，等等。

(27)讓與制設計思維。在礦山采切工程施工中，采取釋放與控制地壓應力相結合的手段，最終達到有效管理地壓的目的。采用“先讓后制”的支護方法，其原理是巷道掘進后不立即采取剛性措施來支承和控制地壓，而是待地壓應力得到一定程度釋放后，再采取剛性措施來支承和控制地壓，從而實現有效控制地壓的目的。

(28)同時與梯次設計思維。在礦房回采和放礦時為管理頂板或避免應力集中，采取同時與梯次回采和放礦措施。一是無底柱崩落采礦法回采時，利用各進路梯次回采來實現有效管理地壓;二是有底柱崩落采礦法和留礦采法，采用漏斗均勻放礦來實現管理地壓;三是水平分段鑿巖采礦法，在回采時上下分段之間保持超前距離來實現地壓管理，等等。

(29)能簡匆繁設計思維。采礦方案與采切工程設計，應做到“能簡勿繁’。簡化采切工程、提高機械化程度。例如，一是垂直平行密集束狀孔落礦的有底柱崩落法，采場結構極為簡單，采準工程量小，在耙礦道和斗穿中鉆鑿垂直向上的平行密集束狀炮孔和劈漏炮孔，爆破時同時完成落礦，拉底和劈漏等項工作，大大簡化了采切工程。二是在采礦方法設計時，從作業繁簡和采礦成本的角度講，首選空場采礦法，次選崩落法，最后選用充填采礦法。

(30)廣泛適用設計思維。在實踐中，利用垂直或水平分條塹溝式采礦法、水平分段鑿巖采礦法、以及3大類典型采礦方法變形組合方案，創造出多種新的空場采礦法和崩落采礦法，而且還可以分別適用于水平、緩傾斜、急傾斜不同傾角礦體的開采。

(31)單一與組合設計思維。在開采礦巖穩固的礦體時，一般選用單一典型的采礦方案;在開采礦巖不穩固的礦體時，一般采用幾種典型采礦方法組合或變形方案，并且在方案設計、施工順序和施工方法上有所創新。如，留礦全面采礦法、空場與充填采礦聯合開采法、空場與崩落法聯合采礦法、分段礦房法嗣后充填法，等等。

(32)管理設計思維。開采地質構造復雜，礦巖松軟破碎的礦體時，在礦房采準、切割和回采作業中，使用“強掘、強采、強出”的管理手段來進行礦房地壓管理，等等。

(33)安全設計思維。采礦設計必須考慮采礦作業人員的生命安全。礦房必須有安全出口，如專用行人天井等;必須對礦房頂板進行安全管理，如采取留礦柱和打錨桿等方法;必須保持礦房有良好的通風，如設置專用回風井巷等;礦房作業面必須使用安全電壓，如使用36 V和127 V電壓;開采硫化礦時需要采取措施防止自燃火災;深井開采應考慮防巖爆措施等;開采水文地質復雜的礦體時，要采取技術措施防止水患。

(34)落礦設計思維。落礦主要有爆破法和機械切割破巖法。金屬非金屬礦山主要落礦方式是爆破法，爆破方式根據礦體賦存條件和礦房結構等，可采用淺孔爆破法、深孔爆破法和洞室爆破法等，如束狀深孔崩礦技術、大直徑側向崩落技術、條形硐室爆破、淺孔爆破法，等等。目前，機械切割破巖法主要用于軟巖開采，這種破巖方法可以實現連續采礦作業。在硬巖開采中機械切割破巖法仍處于試驗階段，如:連續采礦機、沖擊式采礦機和鉆孔射流采礦機切割破巖法，等等。

(35)連續采礦設計思維。連續采礦是在同一個開采單元中，落礦、出礦、運礦等工序各自具有相對獨立的作業條件，各工序間相互協調地在不同作業空間內平行連續進行，由此組成高效連續采礦工藝系統。主要包括礦房的連續回采、礦體(床)的連續開采、礦石的連續運送和全工藝過程的連續化四方面的內容。如:無間柱連續開采、連續推進帷幕隔離跟隨充填法，水壓支柱頂連續采礦法，等等。

(36)環境再造設計思維。采礦工程所處環境包括水環境、應力環境、熱環境、圍巖環境等。環境再造設計是通過工程技術手段或模式，再造已有采礦環境或已有的采礦環境結構，使得原本不具備或較差開采條件的礦產資源得以安全高效開采。如，下向分層充填采礦法中使用的人工假頂和假底，分段空場嗣后充填采礦法中使用的鋼筋混凝土假頂和假底，深孔誘導崩礦充填采礦法中使用的人工構筑的礦壁等都使用了采礦環境再造技術。

(37)二次開采設計思維。由于采選治技術進步，原來認為沒有開采價值的表外礦、貧礦、礦化圍巖與氧化礦等，現具有開采價值，所以需要對礦體再次開采。礦體經過一次開采后，二次開采對象復雜，開采環境惡化，安全條件差。為此，二次開采必須對采空區和礦巖的移動破壞范圍進行探測，然后依據探測資料進行采場設計與施工，采礦方法多用崩落采礦法、充填采礦，以及直接放礦法等，開拓采準巷道盡可能使用原有巷道，需要重新掘進的采準巷道一般布置在脈外，礦房設計時要盡可能不用或少用天井。另外，對于埋藏不深的礦體，進行二開采時，也可以使用地下轉露天的開采方式。

(38)創新設計思維。在尊重科學的基礎上，要有創新精神，敢于嘗試新方法、新技術，不能被現有的采礦方法和設計思維固化，要敢于突破傳統思維和方法，不斷創造出新的采礦方案。如，垂直分條崩落法、深孔誘導崩礦充填采礦法、無間柱連續采礦法等一些非傳統采礦法。

4 結論

采礦工作者，在詳細了解和掌握每一種采礦方法的基本原理，并全面理解和熟練掌握上述各種采礦方法的設計思維，基本上就具備了創造性設計的基本素質，在此基礎上再有創新意識，進一步研究、試驗和尋求更佳的新型采礦方法，在設計時就夠做到有新思路、新方法、新方案，能夠依據各類難采礦體復雜多變性，不斷創新發明“安全高效、低成本、低貧損”的各類新型采礦方法，從而實現采礦方法設計的科學化。

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