鐵礦緩傾斜厚大礦體采礦技術的分析

王青文

（河鋼集團礦業有限公司承德黑山鐵礦，河北 承德 067412）

金屬礦山有三種比較常用的采礦方法，包括空場法、崩落法、充填法等，當然這些方法都是相對比較傳統的方法。中國工程院院士指出在當前全球經濟恢復緩慢、中國經濟結構深度調整的態勢下，全球和中國礦業都進入一個相對困難的時期，開拓先進的、非傳統的采礦新理論、新技術，是振興金屬采礦業的必由之路。

1 典型開采方法

1.1 崩落法

如引言部分所述，金屬礦山采礦技術中有三種非常常用的技術方法，崩落法是其中之一。崩落法是一種回采過程當中不劃分礦房和礦柱，隨著回采工作面的推進，用強制或自然崩落圍巖填充采空區，以實現采場地壓管理的采礦技術方法。

在崩落法采礦中，需要沿著礦體邊界開挖環形運輸巷道，在礦體的上或下盤開挖切割空間，并在塹溝中向上鑿鉆炮孔，并進行爆破，后退回采。采場結構相對簡單，一條航道多種用途，采掘工作量較少，采礦成本優勢較好。

就崩落法而言，目前形成了多種類型的技術方法，如單層崩落法、分層崩落法等，這些方法都有共同的特點，即不再將礦塊劃分為礦房礦柱，而是以整個礦塊為一個單元，按照一定的順序開采。回采過程中圍巖自然或強制崩落，直接在覆蓋巖石的直接接觸下放礦，因而存在礦石損失貧化大的不利影響，需要對放礦進行科學的管理。該方法對礦山的影響較大，因為采取崩落法必須要允許地面塌陷。

1.2 空場法

空場法一般需要將回采單元劃分出礦房礦柱，且分兩步回采，先采礦房，再采礦柱，礦房采空區一般先不處理，依靠礦柱和圍巖的穩固性來維護。

空場法設計中需要按礦石、圍巖特性、回采工藝以及設備等，確定礦塊的結構尺寸以及回采順序，如此才能有利地壓管理和安全生產。

其中結構尺寸主要包含頂柱高度、間柱寬度、底柱高度、階段高度、礦房長度與寬度，一般礦體厚度20m以內，礦房寬度可設計為礦體的厚度，若礦體厚度在20m以上，則礦房長度可設計為礦體的厚度。回采方面包括落礦（爆破方式），礦石搬運兩個環節，一般要求從中央向兩端開采，或從兩端向中央開采，但順序不同結果會不一樣，需要借助數值分析。礦房采空后需要及時回采礦柱，并且有效處理采空區，這種方法工藝簡單，生產能力較強，作業條件相對較好，但需要留設大量礦柱，礦石損失率較大，而且必須要及時跟進采空區處理，否則將造成礦柱承受壓力巨大，一旦超過極限就會導致破壞，地表塌陷成必然。

1.3 充填法

充填法是根據回采工藝要求，用充填料將采空區回填，進而控制采場地壓，支撐圍巖，控制采空區圍巖破壞和移動，同時充填體保護采區，進行回采作業。

充填法需要按照礦床開采技術條件和回采方案確定充填料回填工藝，一般包含分層充填、嗣后充填。該方法可以有效回收礦柱，礦石損失率較低，且廢料可以直接回填，頂板相對穩定，對地表影響較小。

2 鐵礦緩傾斜厚大礦體采礦技術

2.1 緩傾斜厚大礦體采礦技術思考

埋藏淺、質量好品位高的鐵礦資源隨著開采的日趨深入而減少，開發并利用深埋藏、條件差的鐵礦資源成為關鍵點。近期我國開發的鐵礦礦山大多數都是厚大第四系下的礦床，比如安徽霍邱地區的鐵礦床、山東萊蕪地區、固家臺、淮北地區等等。據相關資料的不完全統計，厚大第四系下的礦床擁有50億t的鐵礦儲量。厚大第四系下鐵礦床通常具備如下一些特點，緩傾斜～急傾斜，礦體厚度薄～厚大同存，礦體資源量一般在幾千萬噸至數億噸。礦床的上部覆蓋物巨厚，且基本都是第三、第四系松散沉積物，地表地形平坦，通常多數都開發出來作為農田，明顯若按照崩落法來開采這些礦體，很可能造成地表沉降，甚至塌陷。實際上不管是崩落法還是其他方法，緩傾斜厚大礦體的開采都必須要確保地表不塌陷、不沉降或減緩沉降，因而對于這類礦體的開采必須要選擇合理的采礦技術方法。

基于緩傾斜厚大礦體的特點，從近些年國內開發的礦場所采取的采礦方法以及相關的研究來看，這一類采場環境差，安全程度低，國內比較常用的緩傾斜礦體主要采取房柱法、全斷面法、長臂式崩落法、短壁式崩落法等，這些方法都有一些典型特點，如需要鑿巖、需要爆破、需要支護、需要有效運輸，但這些環節必須要在采場大面積暴露的頂板下進行，稍有不慎就會出現落石、冒頂或垮頂事故，尤其是開采緩傾斜厚大礦體時，采礦人員需要在高空區下作業，無法檢查并排除頂板上的浮石，作業環境非常差，安全程度很低。同時不論采取何種方法，目前都要遇到頂板管理上的難題，包括采場合理跨度如何確定，采場頂板、底礦柱、礦石點柱參數不好確定，一般采取保守參數，礦石容易損失，而且采空區該如何處理也是個難題。

所以不管采取何種采礦技術，都需要明確以下幾個要求。其一，安全。所選采礦技術方法應當能夠改善作業環境，提高安全性。

其二，盡量使用無軌采掘設備，提高生產能力，因而在采切工程布置時需要考慮相應的便利條件。

其三，建設少廢甚至零廢礦山，因為緩傾斜厚大礦床賦存的位置，地表很多都是農田，開采活動會對周邊造成巨大影響，因而選擇的采礦方法必須要滿足廢石回填采空區的要求。

其四，地表不能塌陷或沉降。一般而言需要采礦方法合適而且回采順序合理。例如礦床隱伏在厚大第四系松散巖層下，且地表存在村莊、農田不能使用崩落法。而緩傾斜厚大礦體所屬礦山規模通常都比較大，也不宜采用工藝復雜的充填采礦方法。空場采礦方法相對來說也不是最合適的，但卻擁有最大的優化空間，可以設計空場法，礦房采空后，用廢石嗣后充填到采空區，這種方法是空場法和充填法各自優勢的結合。同時要注意回采的順序一般而言從上至下是比較常用的順序，但是緩傾斜厚大礦體顯然不能按照此種順序，因為會影響地表，且采區容易發生事故，在開采過程中必須要對采空區進行及時處理，用廢石或尾砂充填，回采順序應當轉變為由下到上，因為礦體上下盤圍巖一般都比較穩固，因而下層采空后立即用尾砂、廢石膠結充填，錯動范圍不會影響上盤的開采和采準巷道，但需要根據具體地質情況做支護。

2.2 適合緩傾斜厚大鐵礦開采的技術分析

基于前述思考，本節列舉部分適合緩傾斜厚大鐵礦的開采技術。

其一，分段空場采礦嗣后充填方法。這種方法比較適合礦體傾角在20°～40°，8m以上厚度，頂板圍巖穩定，底板圍巖穩固的礦體。礦塊按照礦體走向進行布置，長度可設定為100m，并劃分兩個采場，并布置6m寬礦石間柱，間柱內開路上山，同時該路與礦房、礦柱采場的溝相連，作為通風通道。采場設定44m凈長度，高度50m，按4礦房、4礦柱標準布置。巷道按由下到上的回采順序依次布置，每12.5m可布置一條沿走向的運輸巷道，這條巷道要與斜坡道連接，巷道內每8m設置出礦進路并與礦房、礦柱的鑿巖巷道連通，鑿巖巷道寬度3m。按無軌運輸水平，抬高10m，便于放礦，回采與運輸水平之間設置礦石溜井與人行天井。回采時結合礦體傾斜角度從下向上回采，然后先采相鄰礦柱，采后空場立即回填，充填體養護結束，回采礦房。回采中利用鑿巖臺車配合鑿巖機打深孔，利用乳化油炸藥爆破。安全爆破后鏟運機在出礦進路鏟礦運走。礦柱采空后可使用1：6尾砂膠結料，從上山路鋪設充填管深入礦柱采空區進行充填，充填養護時間需要1個月～2個月。合格后開采礦房，并處理礦房采空區，可用1：12灰砂比的尾砂膠結料填充。

其二，對于傾角0°～10°，8m～20m厚度，頂板、底板圍巖穩固的礦體可采用礦房采空嗣后充填方法。具體是先沿礦體走向布置盤區，長度100m為宜，并劃分4礦房、4礦柱。盤曲沿礦體的傾向長度宜為100m，端部應當預留8m礦柱。礦柱圍巖內需要布置一條運輸巷道，該巷道需要與采區貫通，礦柱頂板下礦體內需要設置回風、充填的巷道，該巷道要與運輸巷道平行，處于其正上方。一對礦房礦柱采區設置一條共用聯絡巷道，兩側布置出礦進路，該進路需要與礦房礦柱鑿巖巷道貫通。鑿巖巷道中部位置需要設置切割井，用作回采作業的初始作業面。回采時先以礦體傾向方向為基準，先采下盤，下盤采空并填充廢石、尾砂后再采上盤。沿走向的回采則要求后退回采，盤區內隔一采一，即先采礦柱，再采礦房。回采工藝則與上一個方法相當。采空區充填需要設置充填巷道，充填料與上一個方法的相當。

2.3 仿真分析

基于上述幾個針對緩傾斜厚大鐵礦開采技術的分析，為了進一步明確其合理性，采取仿真分析方法，選取某鐵礦山為例進行研究，該礦山早期使用的是崩落法，因為不夠安全，崩落法逐步被取消，需要一些新的方法來開采緩傾斜厚大礦體。該礦山主礦體垂直厚度20m～40m，最厚位置達到63.58m，最薄位置進2.61m，平均厚度為27.07m，較穩定，因為無底柱分段崩落法已經不適應礦山要求，因而變更采礦方法，因此模擬盤曲分段鑿巖空場嗣后充填、盤曲無礦柱分段鑿巖空場嗣后充填、盤區大直徑深孔空場嗣后充填和盤區無礦柱大直徑深孔空場嗣后充填四種方法進行仿真分析。經過仿真分析盤曲分段鑿巖空場嗣后充填方法是該礦山最優化的緩傾斜厚大礦體開采技術方法，數值分析上位移的變化量受采區寬度的影響，不過選對方法后總體唯一變化值小，在相同的100m長度下，礦柱寬度8m，采區寬度設置13m、15m、17m分別仿真，三種寬度均能保證安全，但最安全的是13m，但空間相對狹窄，環境較差，15m是一個合適范圍，同時這個寬度范圍也能保證塑性破壞區范圍小，穩定性有保證。

3 結語

綜上所述，金屬礦的開采方法有多種，這些方法各有優劣，但單純的崩落法、空場法、充填法都不是很適合緩傾斜厚大礦體的開采，因此采取綜合性的方法，一般為空場法與充填法優勢的綜合，經過本文的分析，目前綜合采礦方法，是最優勢的方法，既能保證安全，也能保證生產能力。