基于綜合機械化落礦的分層崩落采礦法研究

陳 勃

(陜西華源礦業有限責任公司，陜西 商南 726300)

0 引 言

根據礦體開采技術條件，礦區工程地質條件、環境地質條件、水文地質條件，可供金屬礦山選擇的主要有空場采礦方法、充填采礦方法和崩落采礦方法[1]。當圍巖穩固時，首先選擇空場采礦法進行開采，如劉建龍等[2-3]等研究緩傾斜薄礦脈的開采技術條件，提出采用脈內布置運輸巷道的全面采礦法、傾斜分條全面采礦法。如果礦體穩固性極差、地表不允許塌陷時，首選充填采礦方法，如張永利等[4-5]研究了獲各琦銅礦、李樓鐵礦的開采技術條件，分別提出了上向水平分層充填采礦法、分段鑿巖階段嗣后充填采礦法。根據地表允許塌陷和礦巖不穩固的開采條件，可采用崩落法，如譚寶會等[6-7]提出采用無底柱分段崩落采礦法、偽傾斜壁式崩落采礦法。總結近30年來國內外地下礦山采用崩落法開采的生產實踐，崩落法開采中的分層崩落采礦方法所占比重有減小的趨勢[1]，主要原因在于該方法采用淺孔崩落礦石，一次爆破崩落的礦量小，爆破震動波會對未爆破的礦石、巖體產生振動破壞，爆破會產生爆破沖擊波、爆破飛石和有毒有害氣體等有害效應；且一般利用木支柱進行回采進路和回采分層巷道的支護，木支護需要消耗的坑木數量多；人工勞動強度大，勞動效率低，機械化程度低，生產能力小。

鑒于傳統的分層崩落法的以上缺點，以高度機械化及液壓支柱使用為主要特征的綜合機械化落礦的分層崩落采礦法近些年來應用比重越來越大，成為了現階段較有發展潛力的分層崩落法。本文提出的方法通過研究煤礦中使用成熟、效率高、機械化程度高、可實現綜合化、連續化作業的綜合機械化掘進機，配合單體液壓支柱加π型梁支護技術及設備，將采煤的先進設備引用到松軟破碎的非煤礦山地下開采中，將礦體松軟破碎的缺點轉化為可以實現低成本、高效率機械化采礦的優點，同時將爆破落礦工藝改進為機械化落礦工藝，避免了爆破有害效應，進一步保障了采礦作業安全，并且通過使用可回收的單體液壓支柱、支護能力更強的π型鋼梁和金屬網取代了木支護，避免了坑木資源的過度消耗，提高了采礦作業安全系數，極大改善回采工作面作業條件。成為了可以在非煤礦山地下開采中得到大力推廣的一種新型崩落采礦方法。

1 礦體開采條件

陜西華源礦業有限責任公司千家坪釩礦一期開采礦段西起撞子溝西溝腦，東到亮子溝東溝東坡，礦體分布于撞子溝西溝—亮子溝之間。礦體呈層狀，傾向北，傾角65°～86°，平均傾角∠71°。開采礦脈東西長2 400 m，厚度(水平)1.30～28.76 m，平均12.70 m，平均品位V2O51.04%[9-10]。

礦體底板巖石為中-薄層含炭灰巖夾泥巖或黃褐色泥巖組成，直接圍巖為炭質灰巖，V2O50.27%，體重：2.5 t/m3；松散系數：1.5；抗壓強度：干燥(Rd)：80.03 MPa；飽和(Rw)：50.30 MPa。頂板巖石由白云巖、(鈣屑)砂巖、薄層炭硅質巖組成，直接圍巖為白云巖，V2O50.34%，體重：2.7～2.9 t/m3；松散系數：1.5～1.7；抗壓強度：干燥(Rd)：74.05 MPa；飽和(Rw)：68.56 MPa。礦石類型主要為炭硅質板巖與泥巖互層型，次為泥質巖；松散系數：1.3～1.4；安息角：60°～70°；抗壓強度：40～60 MPa；礦石體重：2.27 t/m3[9-10]。

2 礦體開采存在的主要問題

陜西華源礦業有限責任公司千家坪釩礦儲量大(探明V2O5儲量90萬t)，為典型的石煤型釩礦，建有日處理原礦2 000 t規模的采、選、冶生產線，從事石煤型釩礦開發近十年時間，在采礦方面先后采用水平扇形深孔階段礦房法及分段空場法，分段崩落法，但目前仍存在許多問題，主要有：

(1)采礦回采率低(約25%～75%)、貧化率高(約10%～25%)，不能充分利用礦產資源，造成大量資源被浪費。礦山生產結果表明：階段礦房法回采時，礦石回采率僅25%～45%；采用分段空場法和分段崩落法回采時，礦石回采率也只有30%～75%，采礦貧化率大多在10%～25%。

(2)采空區管理難度大，風險高。空場采礦方法所形成的采空區地壓顯現明顯，時常產生較大冒落，采、掘作業安全風險較高。

(3)工程施工難度大，安全性差。由于礦、巖穩固性均差，近礦體工程和鑿巖巷道穩定性差，作業安全風險高，片幫冒頂時有發生，鑿巖巷道也常常發生塌方冒頂現象，甚至因垮塌而無法鑿巖。

(4)回采難度大。礦體以泥質成分為主，已完工的中深孔變形、縮孔、塌孔、堵孔現象普遍存在；礦體松軟裂隙發育，可爆性差，每噸礦石的炸藥消耗量超過0.8 kg,部分采場甚至超過1.2 kg；崩落礦石由于含泥量大而固結、板結于采場中無法運出。

(5)采礦方法機械化程度低、工人勞動強度大、生產效率低、生產不連續。

3 采礦方法研究

3.1 采礦方法選擇原則

(1)提高開采的安全性；

(2)提高作業機械化程度，降低工人勞動強度；

(3)降低貧化率、損失率，提高出礦品位；

(4)礦塊生產能力大，勞動生產率高。

3.2 采礦方法選擇依據

分層崩落采礦法將礦體劃分為礦塊，自上而下分層進行回采。分層回采時隨著回采工作的推進，在分層回采進路底板上鋪設金屬網假底，然后進行移柱放頂，把上部假底及覆蓋圍巖層放下，使其充滿采空區，作為下一分層回采時的假頂[8]。分層崩落法能適用于礦石松軟破碎，礦體頂部覆蓋巖石或上盤圍巖穩固性差，易于自然崩落，地表允許崩落的開采技術條件[1]，與我礦開采條件相匹配。分層崩落法的回采是在人工假頂的保護下進行，分層回采巷道暴露面積較小，回采較為安全；人工假頂可以將礦石與崩落圍巖隔開，可以有效降低損失率和貧化率，最大限度的回收有限資源[11]。

綜合機械化下向分層崩落采礦法配套使用單體液壓支柱和金屬網假頂，可以將普通分層崩落采礦方法的炮采炮掘工藝改為機械化落礦工藝，將木支護更換為支護效率高且可重復利用的單體液壓支柱和金屬網假頂，解決了普通分層崩落采礦法坑木消耗大、生產能力低、勞動生產率低、機械化程度低、勞動強度大、產量小等缺點，順應了分層崩落采礦法發展方向，實現了機械化換人，自動化減人的科技強安目標。根據千家坪釩礦開采技術條件和研究分析，本次試驗選擇綜合機械化下向分層崩落法進行回采。

3.3 綜合機械化下向分層崩落采礦法

3.3.1 盤區結構參數

盤區沿礦體走向布置，盤區長200 m，寬度為礦體的厚度(礦體平均厚度為12.7 m)，中段高度為50 m，分層高度4 m，分層回采巷道高3 m，上下兩分層間留1 m護頂礦石，上下兩中段之間不留頂底柱，兩相鄰礦塊中間留5 m間柱，防止圍巖混入相鄰采場詳見圖1。

圖1 綜合機械化下向分層崩落采礦法示意圖

3.3.2 采準切割工程布置

如圖1所示，在盤區中央距礦體下盤邊界10～15 m，從下中段運輸巷道向上中段運輸巷之間掘進礦體下盤脈外斜坡道及斜溜礦井，從上中段向下自首分層起，自上而下每4 m劃分一個回采分層，分層與分層之間以及分層與中段之間采用斜坡道聯通，斜坡道坡度15%，為了減少采準工程量，溜礦井傾角與礦體傾角相同(取71°)，溜礦井與分層之間采用溜井聯絡道聯通。斜坡道用作通風、行人、材料運輸、設備通行等，溜礦井及溜礦井聯絡道用作礦石運輸。分層回采巷道布置在礦體內靠近礦體下盤位置，由盤區中央掘進到盤區兩翼邊界，分層回采巷道掘進采用掘進機施工，斷面3 m×3 m，分層回采巷道綜合機械化掘進機進刀方式見圖2。

圖2 分層回采巷道掘進方式圖

3.3.3 回采工藝

3.3.3.1 盤區設備配置

試驗盤區主要配備的設備有：EBZ120型掘進機1臺(見圖3)，外注式單體液壓支柱300根(見圖4)，3 m長π型鋼梁300根，BRW40/20乳化泵站1套。

圖3 配有臨時支護支架的EBZ120型掘進機

圖4 外注式單體液壓支柱

3.3.3.2 落 礦

懸臂式綜合掘進機是集切割、裝載、運輸、于一身的掘進裝備，掘進機通過截割頭將礦體從巷道掌子面截割下來完成落礦工作[8]，如圖1所示，在礦體內順礦體下盤邊界沿礦體走向用EBZ120型掘進機掘進分層回采巷道達盤區兩側間柱邊界，從回采間柱邊界在分層回采巷道內與礦體走向成20°～50°夾角(可根據礦體厚度變化及穩定性確定分層回采進路與分層回采巷道的夾角)掘進回采進路到礦體上盤邊界依次后退到采場中央完成本層礦體落礦工作，采取“采1留1放1”的放頂管理模式組織放頂，分層回采巷道與分層回采進路寬、高均為3 m，留1 m護頂礦石以便減少礦石貧化和回采過程中的施工誤差[11]。

3.3.3.3 出 礦

出礦作業是在單體液壓支柱的支護巷道內進行，作業條件相對較安全。掘進機不僅是落礦設備還是裝礦運輸設備，截割頭將截割下來的礦體經掘進機自身的裝載運輸功能裝載到緊跟掘進機的可伸縮皮帶上，經皮帶通過分層回采巷道、溜井聯絡道運輸至采場溜礦井完成盤區回采分層出礦工作[8]。

3.3.3.4 頂板管理

頂板管理包括回采工作面支護、假頂鋪設和放頂。

(1)回采工作面支護。

如圖2所示，分層回采巷道、回采進路采用外注式單體液壓支柱配合π型鋼梁進行支護，支護高度、寬度均為3 m，兩架支柱之間的間距為1 m，支架上方相鄰支架之間空頂位置鋪設連續金屬網，防止兩架支架之間的礦石冒落。對礦體破碎、礦巖壓力集中或隨著開采深度的增加地壓較大時可以采取加密支架間距的方式來應對。

(2)假頂鋪設

人工假頂由兩層金屬網(隔絕廢石)、預留護頂礦石和覆巖層組成。金屬網為14號鐵絲編織而成，網孔為30～40 mm，金屬網長根據礦體厚度由回采進路長度確定，寬度為回采進路寬度3 m。回采進路礦石出干凈后開始在回采進路底板鋪設金屬網假底，兩相鄰進路間金屬網用12號鐵絲編接成一整體，隨著移柱放頂與液壓支柱上方的金屬網合為一組，共同組成兩層金屬網的人工假底，作為下一分層回采的人工假頂。金屬網人工假頂可以使回采工作面頂板有一定的暴露面積，以保證回采工作的安全，有效隔離廢石，防止礦石貧化。預留護頂礦石厚度為1 m，可以防止覆蓋圍巖進入采礦空場，能有效防止礦石貧化。覆巖是位于護頂礦石之上的自然崩落圍巖，首分層回采時如果上盤圍巖未發生自然冒落，可采用深孔強制崩落采空區圍巖形成8～10 m的覆蓋圍巖。

(3)放 頂

采用回柱放頂方式進行放頂組織，放頂前保證所有已采完的進路底板或放頂區底板都必須鋪上金屬網假底。將與正在回采的進路間隔一條進路空間的進路內的單體液壓支柱泄壓后用移柱絞車由遠至近拆除假頂下的單體液壓支柱和π型鋼梁，使假頂依次緩慢地均勻陷落，對于局部無法自然崩落的護頂礦石，在支架支護下安全地點用YT-28風鉆進行打眼爆破、強制崩落護頂礦石以免形成空洞。保證正在回采的進路與已完成放頂的區域之間留一條進路的空間，防止空頂空間范圍過大，同時防止放落的廢石混入正在回采的進路內，實現“采1留1放1” 頂板管理模式[8]。

3.3.4 采場通風

回采工作面的通風方式為獨頭式通風，需要在分層平巷下方的斜坡道內新鮮風流側架設11 kw軸流式礦用通風機輔以阻燃風筒，將新鮮風流壓入回采工作面，沖洗工作面后污風經分層回采巷道、斜坡道，經上中段回風平巷經主風機排出地表。具體風流線路是：下中段運輸平巷—斜坡道—11kw礦用軸流式風機—風筒—分層回采巷道—回采進路—分層回采巷道—斜坡道—上中段運輸平巷—回風井—主風機—地表。

3.4 主要技術經濟指標及成本概算

3.4.1 投資概算

根據機械化下向分層崩落采礦方法使用的主要設備，概算采礦方法投資，見表1。

表1 主要設備投資概算表

3.4.2 采礦成本概算

本次成本概算中主要對設備折舊、人工成本、截齒消耗、配件消耗、電量消耗費用進行概算，不包括隨地質條件變化而變化的支護材料和支護人工成本。

3.4.2.1 設備折舊費

主要設備投資見表1，根據企業稅法相關條例，按設備使用年限為5年，殘值率為10%，則設備的折舊費見表2。

表2 設備折舊費

3.4.2.2 截齒和其他配件消耗

根據巖石硬度系數和工程經驗，本方案中回采進路每m3截齒消耗0.02把；截齒月消耗費用為9×500×0.02×500=4.5萬元。

油脂接頭等其他配件按每月2萬元計算。

3.4.2.3 人員工資

采用三班工作制，其中一個生產班人員配備：掘進機司機1人，輔助司機1人。一個檢修班配備：電工1人，檢修工1人。共計8人(不含支護工及運輸維護工)，人員工資按照每月6 000元計算。考慮人員輪休，取系數1.2，則月人工費為5.8萬元。

3.4.2.4 電量消耗費用

(1)掘進機功率190 kW+二運皮帶電機11 kW=201 kW，每天工作時間20 h，全負荷運作系數0.6，每度電0.7元。

1×201 kW×20 h×0.6=2 412 kW·h;

(2)風機電機2×11 kW，每天工作時間24 h。

2×11 kW×24 h=528 kW·h;

總電量消耗費用=5.1萬元/月。

3.4.2.5 采礦直接成本概算

進路回采直接成本估算結果見表3。月成本費用共計19.97萬元，回采進路月進尺500 m，礦石體重2.27 t/m3，月采礦石量1.02萬t，折合噸礦成本26.58元/t。

表 3 采礦月成本估算

根據實驗方案采準工程布置方式概算主要技術經濟指標，見表4。

表4 主要技術經濟指標表

4 經濟效果分析

從國內外應用分層崩落采礦法的礦山生產實踐看，由于礦體條件和應用采礦方案不同，使用的主要回采工藝和設備及勞動組織各有差異，該采礦方法的技術經濟指標變化很大，詳見表5。

由表5可以看出，普通分層崩落采礦方法的礦塊生產能力為28～60 t/d，采準比為19～35 m/kt，坑木消耗為8～45 m3/kt，礦石損失率為5%～24.4%，礦石貧化率為3%～17.5%，采礦工勞動生產率為1.6～4.88 t/工班。綜合機械化落礦的分層崩落采礦方法礦塊生產能力可以達到400 t/d，采準比可以降到7.3 m/kt，采礦工勞動生產率為25.5 t/工班。大大提高了礦塊生產能力和采礦工工班工作效率，使得采礦作業實現了機械化和規模化，避免了坑木消耗，減少了爆破有害效應，使得采礦方法朝著綠色、環保、高效的方向發展。

表5 我國應用分層崩落法礦山的技術經濟指標

5 結 語

通過對機械化下向分層崩落采礦法系統綜合研究，提出了一種適用于礦巖松軟、破碎開采技術條件的機械化落礦下向分層崩落采礦方法。該方法大幅度地提高了金屬、非金屬地下礦山機械化程度和生產效率，降低了采礦成本和貧化率，提高了回采率，最大限度地回收有限資源，降低了安全風險。機械化下向分層崩落采礦法的應用將為分層崩落法開辟一種新模式和新思路，同時也為松軟破碎礦床的開采提供參考和借鑒。