破碎帶中“Y”形礦體的安全采礦方法研究

王 春 王懷彬

（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000）

礦業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，賦存條件復(fù)雜礦床的開采是未來人類面臨的挑戰(zhàn)。目前，基于礦區(qū)工程地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及礦體特征，金屬礦床開采可供選擇的采礦方法有空?qǐng)龇ā⒊涮罘ā⒈缆浞ǎ?-2］。當(dāng)?shù)V巖較穩(wěn)固時(shí)，首選空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行開采，如劉建龍等［3-4］研究緩傾斜薄礦脈的開采技術(shù)條件，提出采用脈內(nèi)布置運(yùn)輸巷道的全面采礦法、傾斜分條全面采礦法進(jìn)行開采。如礦巖穩(wěn)固性極差、地表不允許塌陷時(shí)，首選充填法進(jìn)行開采，如張永利等［5-6］研究了獲各琦銅礦、李樓鐵礦的開采技術(shù)條件，提出分別采用上向水平分層充填法、分段鑿巖階段嗣后充填法進(jìn)行開采。針對(duì)地表允許崩落的礦巖極不穩(wěn)固的礦床，可考慮采用崩落法進(jìn)行開采，如譚寶慶等［7-8］提出采用無底柱分段崩落法、偽傾斜壁式崩落法開采礦巖不穩(wěn)固的緩傾斜礦體。當(dāng)單一采礦法不能滿足礦床開采時(shí)，可采取多種方法聯(lián)合進(jìn)行開采，如于清軍等［9-10］提出的階段深孔空?qǐng)霰缆浞āo底柱分段空?qǐng)霰缆浞ā?/p>

綜上所述，關(guān)于礦體回采的采礦方法研究較多，研究成果可為各種礦床的開采參考借鑒，但考慮礦體形狀的研究還較少。以某鐵礦破碎帶中呈“Y”形的II號(hào)礦體為研究對(duì)象，探討安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的采礦方案，為類似礦山的開采提供參考依據(jù)。

1 開采技術(shù)條件

1.1 礦體特征

某鐵礦處于藏滇褶皺系康滇地軸南緣武定—石屏隆斷束的紅河深大斷裂以北，礦區(qū)及毗鄰地帶斷層、褶皺構(gòu)造發(fā)育。該礦區(qū)F4斷層西部的II號(hào)礦體是主要的開采對(duì)象，其沿F4斷層向北錯(cuò)開30余米，呈東—西向展布。II號(hào)礦體總體長(zhǎng)約90 m，厚2～23 m，平均厚13.3 m，控制深度約為80 m，礦體傾角隨F4斷層傾角的變化而變化，一般傾角45°～55°，傾向北西15°～25°。礦體產(chǎn)出于大龍口組（Pt2d）灰?guī)r破碎帶中，呈“Y”形分布，如圖1所示。

圖1中顯示，II號(hào)礦體上部分支的左側(cè)厚度、傾角都較小，右側(cè)厚度較大，且近似垂直分布。分支礦體開采時(shí)互相影響的賦存高度為1 480～1 530 m。

1.2 礦體及其頂、底板穩(wěn)定性

礦區(qū)的II號(hào)礦體賦存的巖層由昆陽群大龍組碳酸鹽巖組成，其巖性抗壓強(qiáng)度較大、致密性較好，僅針對(duì)該巖層時(shí)，可認(rèn)為巖層穩(wěn)固性好，有利于礦床的開采。但I(xiàn)I號(hào)礦體產(chǎn)于破碎帶中，使對(duì)礦床開采造成直接影響的礦體、頂板、底板的穩(wěn)定性產(chǎn)生變化，需重點(diǎn)考慮。

（1）礦體穩(wěn)定性分析。礦區(qū)具有工業(yè)價(jià)值的鐵礦體主要以塊狀褐鐵礦為主，其次為碎塊狀褐鐵礦、土狀褐鐵礦，另外在塊狀鐵礦中可見少量氧化銅，分布于流失孔邊緣，呈薄膜狀。礦石結(jié)構(gòu)主要以流紋結(jié)構(gòu)、蜂巢狀、棱角狀結(jié)構(gòu)為主，僅少部分呈細(xì)粒狀、松散土狀結(jié)構(gòu)，總體來說礦石結(jié)構(gòu)較致密。礦石的構(gòu)造以塊狀構(gòu)造為主，其次為碎塊狀、條帶狀構(gòu)造，總體來說礦體內(nèi)的節(jié)理裂隙不發(fā)育。由于受破碎帶的影響，礦體局部地段的裂隙貫通程度大，造成其穩(wěn)定性較差。綜上所述，可認(rèn)為該礦區(qū)II號(hào)礦體的穩(wěn)定性屬于中等類型。

（2）頂板、底板穩(wěn)定性分析。礦區(qū)頂板巖性多為灰、淺灰色中—厚層狀、部分塊狀的粉晶灰?guī)r、大理巖化灰?guī)r，少量的為泥質(zhì)灰?guī)r；底板巖性多為泥質(zhì)板巖、絹云板巖；II號(hào)礦體上部分支所夾區(qū)域的巖性類似于礦區(qū)頂板的巖性，以灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主。僅考慮巖性，礦區(qū)頂板及礦體分支所夾巖石的抗壓強(qiáng)度較大，堅(jiān)硬程度中等，有利于礦體的開采；礦區(qū)底板巖石的抗壓強(qiáng)度則較小，一般為15～30 MPa，不利于礦體的開采。考慮破碎帶的影響時(shí)，由于礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，且鐵礦體賦存于破碎帶中，沿?cái)嗔褞稀⑾卤P的巖石裂隙也非常發(fā)育，構(gòu)造降低了巖層的完整性和巖體的強(qiáng)度。因此，綜合考慮各種因素，認(rèn)為II號(hào)礦體頂板穩(wěn)固性較差，底板穩(wěn)固性極差，嚴(yán)重制約礦體的開采。

2 礦體回采時(shí)面臨的難題

“Y”形礦體開采時(shí)，礦體、圍巖的穩(wěn)固性是必須考慮的因素，除此之外，礦體形狀也是不可忽略的，復(fù)雜的產(chǎn)狀常增加礦體開采的難度。針對(duì)某礦呈“Y”形分布的II號(hào)礦體的賦存條件，分析開采時(shí)可能遇到的難題如下。

（1）采礦方法的選擇難度大。由于“Y”形礦體上部分支的傾角、厚度等存在較大的差異，造成采礦方法難以確定。

（2）圍巖穩(wěn)定性控制難度大。“Y”形礦體上部分支所夾區(qū)域可認(rèn)為即是礦體的頂板、也是礦體的底板，礦體2分支的開采都影響其穩(wěn)定性，該區(qū)域是否處理得當(dāng)，直接制約礦體開采時(shí)的安全性。

（3）礦體自身相互制約。“Y”形礦體上部各分支開采的順序如果不協(xié)調(diào)，可能造成部分礦體無法進(jìn)行開采，甚至造成安全事故，影響礦山安全高效生產(chǎn)。

3 采礦方法探討

3.1 采礦方法選擇

針對(duì)“Y”形礦體回采時(shí)存在的問題，結(jié)合某礦II號(hào)礦體的具體特征，在經(jīng)濟(jì)可行、安全可靠的基礎(chǔ)上選擇適宜的采礦方法。由于II號(hào)礦體的頂、底板穩(wěn)固性較差，且上部分支彼此影響，如采用空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行開采時(shí)，安全得不到保障，易產(chǎn)生采區(qū)頂板冒落事故，而崩落法和充填法可有效提高該礦體開采時(shí)的安全度。結(jié)合類似開采條件的礦山采礦方法，選擇安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的分層崩落法和下向分層充填采礦法進(jìn)行對(duì)比分析，見表1。

由表1分析得，下向分層充填采礦法在損失率、通風(fēng)條件等方面都優(yōu)于分層崩落法，但考慮該礦生產(chǎn)規(guī)模較小，建立充填系統(tǒng)投資較大的因素，分層崩落法可優(yōu)先選擇。從貧化率、工藝復(fù)雜程度、礦塊生成能力等方面考慮，分層崩落法要優(yōu)于下向分層充填采礦法。從安全角度分析，2種采礦方法都可滿足該礦“Y”形礦體的開采。綜上分析，認(rèn)為分層崩落法更適合開采該礦的II號(hào)礦體。

3.2 采礦方法設(shè)計(jì)

3.2.1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于II號(hào)礦體呈“Y”形，上部分支部分相互制約，結(jié)合礦體的具體特征，沿礦體走向連續(xù)布置采場(chǎng)，其長(zhǎng)度設(shè)置為50 m。根據(jù)II號(hào)礦體的賦存標(biāo)高，采場(chǎng)垂直高度取50 m，每一采場(chǎng)布置人行材料通風(fēng)井、溜礦井各2條便可滿足采礦要求。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見圖2。

由圖2（b）、（c）可見，人行通風(fēng)材料井和溜礦井布置在中段運(yùn)輸巷道的同一側(cè)，分層聯(lián)絡(luò)道交錯(cuò)布置在2井筒的兩側(cè)，同一側(cè)的分層聯(lián)絡(luò)道垂直相距2.5 m，此種布置方式，可一定程度上提高巷道圍巖的穩(wěn)固性，有利于礦體的回采。

3.2.2 回采順序

“Y”形礦體上部分支進(jìn)行開采時(shí)，如2分支同時(shí)下行推進(jìn)，接近礦體分支處會(huì)出現(xiàn)礦體或頂板崩塌的現(xiàn)象；若先采上盤分支礦體，則下盤分支礦體的穩(wěn)定性受到影響；先采下盤分支礦體明顯不合理。為協(xié)調(diào)2分支的開采順序，確保安全高效開采，設(shè)計(jì)分層分段進(jìn)行回采。先分層交替回采“Y”形礦體的中上部分，如圖2（a）中的虛線范圍內(nèi)的礦體，再采上盤分支礦體中下部分，最后回采下盤分支礦體的中下部分，具體分段開采的順序見圖2（a）。

由于II號(hào)礦體上部2分支厚度不同，回采工作面的布置方式分2種形式，一是礦體較薄時(shí)，沿礦體走向布置回采工作面；二是礦體厚度較大時(shí)，垂直礦體走向布置回采工作面。II號(hào)礦體的下盤分支常沿礦體走向布置回采工作面，而上盤礦體設(shè)置為垂直走向布置工作面，見圖2（b）。

3.2.3 回采工藝

由于該礦II號(hào)礦體的頂、底板穩(wěn)固性較差，且礦體形狀復(fù)雜，呈“Y”形，礦體回采時(shí)須嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)的回采順序。為避免采礦過程中頂板坍塌影響進(jìn)度，回采工作面都由采場(chǎng)兩端向分層聯(lián)絡(luò)道的方向推進(jìn)。整個(gè)回采過程中涉及了鑿巖、爆破、出礦、鋪設(shè)假頂、放頂?shù)取?/p>

（1）鑿巖。該礦礦體總體來說結(jié)構(gòu)致密，局部地段裂隙發(fā)育，穩(wěn)固性差；圍巖受破碎帶的影響，多為裂隙發(fā)育的灰?guī)r。考慮礦山的生成規(guī)模較小，選用YTP-26型氣腿式鑿巖機(jī)鉆鑿直徑40 mm、孔深1.2～1.5 m的水平孔便可滿足礦山生產(chǎn)需求。

（2）爆破。水平鉆孔鉆鑿?fù)瓿珊螅瑢⒅睆?2 mm的藥卷裝入鉆孔內(nèi)，放入導(dǎo)爆管、堵塞孔口、布設(shè)好起爆網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)行毫秒微差爆破。

（3）出礦。采用人推礦車的形式，將回采工作面爆落的礦石運(yùn)至礦石溜井，然后經(jīng)安裝于溜井底部的振動(dòng)放礦機(jī)向0.5 m3側(cè)卸式礦車內(nèi)進(jìn)行放礦，最后由電機(jī)車牽引運(yùn)礦。

（4）鋪設(shè)假頂。當(dāng)回采進(jìn)路礦石采完后，需進(jìn)行采場(chǎng)的鋪底工作，鋪底質(zhì)量的好差直接影響下一分層作業(yè)的安全性及經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)采用金屬網(wǎng)木地梁假頂，選用直徑為200～250 mm的木地 沿回采巷道進(jìn)行鋪設(shè)，地長(zhǎng)度3～3.5 m，間距0.6～1.0 m，搭接長(zhǎng)度不小于300 mm，搭接處用鐵絲捆扎。金屬網(wǎng)鋪設(shè)在木地的上部，最后在金屬網(wǎng)上鋪設(shè)1～2層直徑為100～120 mm的雜木或竹片構(gòu)建假頂。

（5）放頂。為確保放頂安全，準(zhǔn)備放頂前，回采工作的的工作人員、設(shè)備等需撤離，待一切準(zhǔn)備完畢后，采用炸斷棚腿的方式進(jìn)行放頂。

3.2.4 采場(chǎng)通風(fēng)

該礦II號(hào)礦體開采時(shí)，每個(gè)采場(chǎng)配置4臺(tái)局扇輔助通風(fēng)，每個(gè)分支配2臺(tái)，采用壓抽混合式通風(fēng)。由于分層崩落法常采用獨(dú)頭進(jìn)行作業(yè)，因此通風(fēng)需嚴(yán)格進(jìn)行控制，確保采場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)質(zhì)、風(fēng)量滿足生產(chǎn)需求。采場(chǎng)所需新鮮風(fēng)流在主風(fēng)機(jī)形成的風(fēng)壓作用下，由本中段運(yùn)輸平巷、裝礦穿脈進(jìn)入人行材料通風(fēng)井下段后，借助安裝在此處的局扇利用風(fēng)筒經(jīng)分層聯(lián)絡(luò)道和分層回采巷道壓入回采進(jìn)路；風(fēng)流洗刷工作面后，污風(fēng)由安裝在人行材料通風(fēng)井附近分層聯(lián)絡(luò)道內(nèi)的局扇抽入人行材料通風(fēng)井上段，最后經(jīng)上中段裝礦穿脈、上中段運(yùn)輸平巷排出。具體的采場(chǎng)通風(fēng)線路圖見圖3。

3.3 采礦方法試采結(jié)果及分析

3.3.1 試驗(yàn)采場(chǎng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

為驗(yàn)證分層崩落采礦法是否適用于該礦“Y”形II號(hào)礦體的回采，在1 480 m中段設(shè)置1個(gè)采場(chǎng)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)采場(chǎng)采用三班制進(jìn)行作業(yè)，每班8 h，統(tǒng)計(jì)分析60個(gè)工作日試驗(yàn)采場(chǎng)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，見表2。

由表2得，試驗(yàn)采場(chǎng)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可以滿足礦山“Y”形II號(hào)礦體的回采，能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3.2 試采結(jié)果分析

經(jīng)試采采場(chǎng)作業(yè)調(diào)查得，設(shè)計(jì)的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、回采順序可以滿足該礦“Y”形II號(hào)礦體的開采。采場(chǎng)通風(fēng)的設(shè)計(jì)也可滿足井下作業(yè)的需求。該礦分層崩落法的設(shè)計(jì)可有效避免“Y”形礦體開采時(shí)圍巖穩(wěn)固性難以控制、礦體分支相互制約的難題，有效地提高了該類礦體開采時(shí)的安全性，同時(shí)該采礦方法的損失率、貧化率較低，增加了礦山的資源利用率，提高了經(jīng)濟(jì)效益。但缺點(diǎn)是采切比、木材消耗量、勞動(dòng)強(qiáng)度等較大，制約了礦塊的生產(chǎn)能力。總體來說，設(shè)計(jì)的分層崩落法適宜于開采頂、底板穩(wěn)固性較差的“Y”形礦體。

4 結(jié)論

（1）分析某礦“Y”形礦體的開采技術(shù)條件，提出回采時(shí)面臨采礦方法選擇難度大、圍巖穩(wěn)定性控制難度大、礦體上部分支相互制約的難題。

（2）針對(duì)“Y”形礦體開采時(shí)面臨的難題，提出采用分層崩落法或下向分層充填采礦法進(jìn)行開采，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比得出分層崩落法更適合小型礦山“Y”形礦體的開采。

（3）基于“Y”形礦體的特征，設(shè)計(jì)了分層崩落法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、回采順序、通風(fēng)方式等，并經(jīng)采場(chǎng)試采工業(yè)試驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的分層崩落法適合回采頂、底板穩(wěn)固性較差的“Y”形礦體。