復雜多空區(qū)破壞礦體的采礦方法

常 帥 任鳳玉 李 楠

(1.遼寧科技大學礦業(yè)工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

復雜多空區(qū)破壞礦體的采礦方法

常 帥1任鳳玉2李 楠3

(1.遼寧科技大學礦業(yè)工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3.中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

針對復雜多空區(qū)破壞礦體存在的資源難以回收、回采安全性差、回收混巖率偏高等問題，以西石門鐵礦多空區(qū)礦體開采為依托，在分析原有采礦方法及平底結(jié)構(gòu)不適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，考慮頂板圍巖的穩(wěn)定性以及下盤矽卡巖的特點，提出了將矽卡巖作為貧礦開采以及斜進路與平底塹溝結(jié)構(gòu)相結(jié)合的回采方案，并針對不同傾角與厚度條件，形成了雙塹溝與單塹溝等多種不同的底部結(jié)構(gòu)布置方式，適應(yīng)了不同的礦體回采需求。此外，對塹溝平底結(jié)構(gòu)方案的特點進行了分析，提出了適宜的配套措施，以保證回采方案的順利實施。

多空區(qū)礦體 平底結(jié)構(gòu) 塹溝 斜進路

在我國現(xiàn)有開采技術(shù)可獲得的鐵礦資源中，復雜難采礦體的開采比例逐漸增大[1]，其中，受無序開采遺留采空區(qū)破壞的礦體占有相當大的比例。上世紀80、90年代以來，我國礦產(chǎn)資源開發(fā)經(jīng)歷跨越式發(fā)展，礦業(yè)開采秩序混亂[2]，在國有大型礦山周圍出現(xiàn)了大量的民采小礦點，它們中的多數(shù)依存于對國有大礦主礦體的盜采，亂采濫挖現(xiàn)象十分嚴重[3-6]。這些盜采活動不僅破壞了富礦資源的綜合開采條件，而且遺留了大量不明采空區(qū)，對礦山的正常生產(chǎn)造成了極大的安全威脅。這些被破壞后的礦體包含空區(qū)數(shù)量多，而且空區(qū)形態(tài)、賦存狀態(tài)也各不相同，與一般礦體相比，在資源有效開采、回采安全、回采混巖等方面具有復雜性。而現(xiàn)有采礦方法不能很好地適應(yīng)這類礦體的開采條件，導致多空區(qū)礦體在開采過程中容易出現(xiàn)回采難度大、產(chǎn)量銜接困難、安全性低等問題。因此，依托西石門鐵礦，針對復雜多空區(qū)破壞礦體的采礦方法開展研究。

西石門鐵礦礦體總體呈似背斜狀，脊部礦體厚大，傾角趨于平緩，兩翼傾角為緩傾斜～傾斜，厚度為中厚～厚。頂板灰?guī)r屬碎裂結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較差；底板閃長巖中等穩(wěn)定；位于閃長巖與礦體之間的矽卡巖，巖性松軟，極不穩(wěn)定。上世紀90年代初，該礦周邊開始出現(xiàn)民采礦點，受此影響，礦山淺部開采水平幾乎都揭露出遺留的民采空區(qū)，部分深部礦體也遭破壞。這些民采活動不僅造成礦量損失，而且遺留的大量采空區(qū)增加了礦體的開采難度，嚴重影響了鐵礦資源的綜合開采利用。為此，必須積極尋求此類復雜空區(qū)破壞礦體的有效開采方法，實現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)資源的綜合開采利用，避免礦量損失。

1 原有采礦方法適應(yīng)性分析

西石門鐵礦曾試驗過有底柱分段崩落法、房柱法、垂直平行密集束狀孔有底柱崩落采礦法等多種采礦方法[7-8]，后期逐步以無底柱分段崩落法開采為主，并在此基礎(chǔ)上，采用“自落頂、設(shè)置回收進路”的采場結(jié)構(gòu)，擴大了無底柱分段崩落法的適用范圍[9-10]。但針對復雜多空區(qū)礦體，該法在生產(chǎn)中仍不能保證礦體的有效開采，形成大量殘留。為此，結(jié)合回采經(jīng)驗，礦山依據(jù)無底柱分段崩落法以及原有底柱采礦方法的回采方式，設(shè)計試用了“平底結(jié)構(gòu)”回收礦石。該結(jié)構(gòu)具體布置方式如圖1所示。該結(jié)構(gòu)以3條進路為1個小單元，其中，分布于兩側(cè)的1、3進路只落礦，不出礦，中間的2進路只出礦，不落礦，出礦工作全部由設(shè)計布置的一系列與1、3進路相聯(lián)通的斜岔小聯(lián)巷完成，待回采結(jié)束后，將2進路作為出礦巷永久保留。該結(jié)構(gòu)中進路間距采用與上分層進路間距相對應(yīng)的10 m或12 m，斜岔小聯(lián)巷的垂直間距一般也取10 m或12 m，其與2進路的夾角為45°～60°。

圖1 “平底結(jié)構(gòu)采場”橫剖面示意Fig.1 The cross section of flat bottom structure

該結(jié)構(gòu)在礦山多個采區(qū)的采場得到應(yīng)用，在部分采場取得了一定的應(yīng)用效果，但仍存在以下幾個主要問題。

(1)“平底結(jié)構(gòu)”中進路間距大多數(shù)為10 m，斜岔巷與進路夾角為45°～60°，造成鏟運機運行過程中磨損變形大，而且斜岔巷長度明顯不足，不能滿足鏟運機作業(yè)需求。同時，頂板灰?guī)r流動性好，流出時可能出現(xiàn)人、車來不及后退而被埋的危險。

(2)部分采場斜岔巷雖布置在閃長巖內(nèi)，但由于閃長巖厚度薄(如南二區(qū)72 m分層2#采場3#進路頂板閃長巖僅1 m厚)，造成斜岔巷頂板穩(wěn)定性差，工人作業(yè)安全性不足，巷道變形速度較快。

(3)平底結(jié)構(gòu)中的雙側(cè)進路在崩不透的情況下，容易引起地壓集中，破壞工程穩(wěn)定性，而且在兩側(cè)崩不透的情況下還容易引起進路間脊部體過大，殘留礦量多。

針對以上平底結(jié)構(gòu)存在的問題，本著盡可能提高礦石回采率以及改善采準巷道穩(wěn)定性條件的原則，提出從以下2個方面改進原有回采工藝。

(1)將矽卡巖作為貧礦開采。一般靠近頂板部位的礦體品位較高、穩(wěn)定性較好；靠近底板矽卡巖的品位較低、穩(wěn)定性較差；矽卡巖極不穩(wěn)固，但含鐵；底板閃長巖穩(wěn)固。將采準工程布置在穩(wěn)固的閃長巖里，穩(wěn)定的底部結(jié)構(gòu)可降低支護成本，放出矽卡巖礦石，并有足夠的時間接收上部不容易崩落的高品位礦石，可提高金屬回收率。

(2)改變現(xiàn)有進路布置形式，采用斜進路與平底出礦底部結(jié)構(gòu)有機結(jié)合的方式，以適應(yīng)礦體條件。斜進路能夠有效適應(yīng)緩傾斜層狀礦體條件，同時，通過靈活設(shè)置出礦橫穿形成底部結(jié)構(gòu)，適應(yīng)空場出礦條件，以此滿足復雜空區(qū)破壞礦體的回采要求。

2 復雜空區(qū)破壞礦體采礦方法

依據(jù)以上改進方向，同時考慮原有結(jié)構(gòu)的不足，針對厚度相對較大、傾角較小的礦體，提出了以下幾種改進型塹溝平底結(jié)構(gòu)。

2.1 斜角聯(lián)接雙側(cè)塹溝法

雙塹溝斜橫穿平底結(jié)構(gòu)采礦方案見圖2。在圖2所示方案中，1#塹溝、2#塹溝逐排炮孔爆破退采，直到鏟運機司機不進空場不再出礦為止，崩入空場內(nèi)的礦石和懸頂后冒落的礦石，從出礦橫穿放出。2條塹溝同時回采，形成連續(xù)采空區(qū)的跨度，誘使頂板圍巖隨礦石冒落而自然冒落，形成覆蓋層。懸頂完全冒落后，從出礦橫穿放出的礦石達到截止品位后即停止出礦，再按進路退采方式逐排崩落中間的出礦巷道，回收脊部殘留體。出礦橫穿與出礦巷道的夾角取45°～60°，為保障鏟運機出礦地順利進行，采用斗容2.0 m3鏟運機出礦時，出礦橫穿的長度不宜小于11 m，為此，塹溝巷道與出礦巷道的間距取12～15 m為宜。

在上述方案中，2條塹溝可以獨立回采，從而能夠縮短采場的落礦時間，有利于減小軟弱巖層炮孔的變形破壞，容易保證落礦質(zhì)量，但落礦塹溝的間距大，若爆破不好，容易在出礦巷道頂部形成支撐礦柱，使出礦巷道承受較大的壓力，極易遭受破壞。為此，出礦巷道需布置在穩(wěn)定性較好的底板基巖里，同時，2條塹溝的高差不能過大，礦體底板傾角以小于10°為宜。此外，雙側(cè)塹溝平底結(jié)構(gòu)中，當塹溝在覆蓋層下回采時，出礦橫穿幾乎不起作用；在空場下出礦時，斜橫穿出礦的出礦口間距大，造成出礦口之間的脊部殘留量大。因此，為保證回采率，礦體適宜厚度為25 m以上。

圖2 雙塹溝斜橫穿平底結(jié)構(gòu)采礦方案示意Fig.2 The flat bottom structure of double trenches and oblique ore-drawing drift

總體來說，斜角聯(lián)接雙側(cè)塹溝法適合用于傾角小于10°，厚度在25 m以上的礦段。根據(jù)西石門鐵礦礦體形態(tài)，此種布置方式適合用于礦體背斜形態(tài)的山脊部分。

2.2 直接聯(lián)接串聯(lián)塹溝法

當?shù)V體厚度小于25 m、傾角小于10°、單個塹溝回采的空區(qū)跨度即可誘導頂板圍巖自然冒落時，可采用圖3所示的串聯(lián)塹溝的平底結(jié)構(gòu)。

圖3 串聯(lián)塹溝平底出礦采礦法示意Fig.3 The flat bottom structure of trenches in series connection

在圖3中，當塹溝巷道1回采時，崩入空場的礦石由出礦橫穿鏟裝，經(jīng)出礦巷道1運出；在塹溝1出礦結(jié)束后，塹溝巷道2鑿巖，同時將出礦巷道2與出礦巷道1貫通。在塹溝2回采時，從出礦巷道2出礦，同時掘進新的出礦巷道。這樣一條塹溝一條塹溝地投入回采，每回采一條塹溝巷道，就有一條出礦巷道變成塹溝巷道，隨之新準備一條出礦巷道。在正常回采時，每條巷道都有出礦與落礦的功能，先作出礦巷，后作塹溝巷。

為便于出礦橫穿出礦，圖3所示底部結(jié)構(gòu)也要求礦體傾角不大于10°。圖3結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是出礦橫穿的長度大，便于鏟運機出礦。此外，出礦橫穿與出礦巷道呈直角聯(lián)接，由此減小了出礦口間距，底板脊部殘留少。但采場出礦不連續(xù)，且采準巷道存留時間較長，不利于地壓管理。

2.3 直角聯(lián)接雙側(cè)塹溝法

為使采場出礦連續(xù)進行，同時使出礦橫穿保持便于鏟裝礦石的長度，將圖2與圖3有機結(jié)合，形成圖4所示的采場結(jié)構(gòu)，即采用直角聯(lián)接的出礦橫穿，鏟運機抬起鏟斗到達出礦口后，先在出礦橫穿倒車，調(diào)直車身放下鏟斗，再鏟裝、運走礦石。

圖4 雙塹溝平底結(jié)構(gòu)示意Fig.4 The flat bottom structure of double trenches

在圖4的結(jié)構(gòu)中，在出礦橫穿與出礦巷道的聯(lián)接處，增加半徑3m的抹角，便于鏟運機的運行。在頂板暴露面積較大的十字口部位，為保障穩(wěn)定性，需作支護處理。此外，該結(jié)構(gòu)中塹溝與出礦巷道的間距可比圖2中的結(jié)構(gòu)間距略小，但考慮巷道穩(wěn)定性，取12 m為宜。

總之，在礦體厚度相對較大、傾角較小的情況下，可依據(jù)礦體變化條件在上述3種雙塹溝底部結(jié)構(gòu)中選取合適結(jié)構(gòu)進行回采。

2.4 單塹溝底部結(jié)構(gòu)

西石門鐵礦礦體脊部水平以下的礦體，厚度普遍變小，而且絕大部分傾角大于10°。若布置雙塹溝結(jié)構(gòu)回采，則雙塹溝形成上下布置結(jié)構(gòu)，間距過大，不利于礦體回采及出礦作業(yè)。因此，宜采用單塹溝平底結(jié)構(gòu)回采，回采方案如圖5所示。

該方案將單塹溝布置在穩(wěn)定的下盤閃長巖內(nèi)，同時，將矽卡巖當做貧礦一起崩落回采。這樣不僅利于工程穩(wěn)定，而且采用崩落法將矽卡巖與礦體一起回采，利于提高生產(chǎn)效率。當?shù)V體傾角較小時，采用圖5(a)所示回采方案；當?shù)V體傾角較大時，采用塹溝崩落法回采(圖5(b))。當某段塹溝落礦后懸頂?shù)V石冒不下來時，照?；夭上乱环侄蔚膲q溝，利用多分段回采的空間誘導頂部礦石自然冒落。冒落的礦石從出礦橫穿放出，對于每一分段的出礦橫穿，沒礦時等待冒落，有礦時隨時放出。

圖5 單塹溝平底結(jié)構(gòu)采礦方案示意Fig.5 The flat bottom structure of single trench

此外，當?shù)V體傾角較小時，分段高度可取為8～10 m；當?shù)V體傾角較大時，分段高度可取為12～16 m。不同分段高度的沿脈聯(lián)巷用小斜坡道聯(lián)接。

3 塹溝平底結(jié)構(gòu)方案特點分析

以上(斜)岔聯(lián)巷與平底結(jié)構(gòu)有機結(jié)合的方式包括雙塹溝平底方案以及單塹溝平底方案。其中，雙塹溝平底方案通過塹溝落礦拉開誘導空間，誘導上部圍巖自然冒落形成覆蓋層，或是誘導上部礦體與圍巖一起冒落。崩入空場的礦石與誘導冒落的礦石主要從出礦橫穿放出，待塹溝巷道回采結(jié)束并形成足夠厚度的覆蓋層時回采出礦巷道，以回收塹溝之間的脊部殘留體。

雙塹溝平底采礦方案的技術(shù)要點是確保塹溝落礦時在采場內(nèi)形成連續(xù)采空區(qū)，即2條塹溝的采空區(qū)互相崩透，中間不留支撐礦柱，卸掉出礦巷道的壓力，否則，若在出礦巷道上部留下礦柱，將會引起應(yīng)力集中，使出礦巷道容易遭受地壓破壞。為在落礦時保護出礦巷道的穩(wěn)定性，塹溝炮孔的邊孔角不宜過小，在西石門鐵礦條件下，以不小于50°為宜。此時，為完整崩落采場內(nèi)礦體，需要礦體具有足夠的厚度，以厚度不小于25 m為佳。

而單塹溝平底結(jié)構(gòu)采礦法適宜于傾角較大礦體，此時可根據(jù)礦體厚度與傾角條件靈活選取分段高度，并可根據(jù)落礦與出礦條件靈活選取該結(jié)構(gòu)中的2種布置回采方案。

此外，塹溝平底出礦采礦法，將落礦巷道布置在底板閃長巖里，將底板矽卡巖層當作貧礦開采，增大了落礦炮孔的長度，需完整崩落采場內(nèi)的礦石層，因此需要大功率鑿巖設(shè)備。同時，由于采準系數(shù)較大，適宜選用小型出礦設(shè)備，以減小巷道斷面與出礦橫穿的合理長度。

總結(jié)來說，新方案的優(yōu)點包括以下幾個方面：①將空場法與崩落法結(jié)合，利于提高出礦品位；②將崩落與誘導冒落相結(jié)合，利于回采成本的降低；③下盤工程布置在穩(wěn)定的閃長巖內(nèi)，利于采準工程穩(wěn)定；④采場可靠性得到提高；⑤生產(chǎn)安全條件變好。

4 結(jié) 論

(1)依據(jù)原有平底結(jié)構(gòu)的特點，結(jié)合復雜空區(qū)破壞礦體的賦存特征，提出將矽卡巖作為貧礦開采以及(斜)岔進路與平底塹溝底部結(jié)構(gòu)有機結(jié)合的改進方向。

(2)結(jié)合西石門礦體條件，針對不同的礦體傾角與厚度條件，分別提出了雙塹溝底部結(jié)構(gòu)與單塹溝底部結(jié)構(gòu)的回采方案，適應(yīng)了不同條件下多空區(qū)破壞礦體的回采要求。

(3)(斜)岔進路與平底塹溝結(jié)合的方式形成了適合復雜空區(qū)破壞礦體條件的新型采場結(jié)構(gòu)，能夠較好地解決這類難采礦體的安全開采問題。

[1] 郭金峰．我國復雜難采礦床開采的問題與對策[J].金屬礦山，2005(12)：10-13． Guo Jinfeng.Problems in exploitation of China's complicated hard-to-mine ore deposit and counter measures[J].Metal Mine,2005(12):10-13．

[2] 廖國禮，彭 欣，王云海,等．大型復雜采空區(qū)隱患治理工程安全性評價技術(shù)實踐[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2008，4(1)：15-20． Liao Guoli,Peng Xin,Wang Yunhai,et al.Practice about evaluation technology in disposing the hidden trouble in large complicated group mined-out stope[J].Journal of Safety Science and Technology,2008,4(1):15-20．

[4] 董玉書，徐友寧．廠壩鉛鋅礦區(qū)民采開發(fā)引發(fā)的問題思考[J].華南地質(zhì)與礦產(chǎn)，2002(4)：23-27． Dong Yushu,Xu Youning.Some problems resulted from disorder mining of lead-zinc ores in Changba Orefield[J].Geology and Mineral Resources of South China,2002(4):23-27．

[5] 任鳳玉，李 楠．團城鐵礦多空區(qū)礦體開采技術(shù)研究[J].金屬礦山，2008(3)：32-34． Ren Fengyu,Li Nan.Research of mining techniques for orebodies with multi-mined-out areas in Tuancheng Iron Deposit[J].Metal Mine,2008(3):32-34．

[6] 彭 欣．復雜采空區(qū)穩(wěn)定性及近區(qū)開采安全性研究[D].長沙：中南大學，2008． Peng Xin.Study on Stability of Complex Cavity and Safety in Near Cavity Excavation[D].Changsha:Central South University,2008.

[7] 李清望，任鳳玉．西石門鐵礦南區(qū)難采礦體的安全回采研究[J].中國礦業(yè)，2000，9(6)：26-28． Li Qingwang,Ren Fengyu.Study on safe extraction of difficult orebody in South Mining Zone of Xishimen Iron Ore Mine[J].China Mining Magazine,2000,9(6):26-28．

[8] 連民杰．上向簇狀孔有底柱崩落采礦法在西石門鐵礦的試驗研究[J].金屬礦山，1997(12)：8-13． Lian Minjie.The experimental research on floor pillar caving mining method with upward bundle holes in Xishimen Iron Mine[J].Metal Mine,1997(12):8-13．

[9] 任鳳玉，陶干強，王家寶．西石門鐵礦自落頂設(shè)回收進路的無底柱分段崩落法試驗研究[J].采礦技術(shù)，2001，1(2)：38-41． Ren Fengyu,Tao Ganqiang,Wang Jiabao.Study on sublevel caving including roof falling naturally and recycling drifts in Xishimen Iron Mine[J].Mining Technology,2001,1(2):38-41．

[10] 任鳳玉，陶干強，李清望,等．西石門鐵礦南區(qū)崩落卸載采礦法試驗研究[J].中國礦業(yè)，2003，12(1)：39-41． Ren Fengyu,Tao Ganqiang,Li Qingwang,et al.Pilot study on sublevel caving and off-load mining method in The South Area of Xishimen Iron Ore Mine[J].China Mining Magazine,2003,12(1):39-41．

(責任編輯 石海林)

Mining Method of Ore-body with Multiple Mined-out Areas

Chang Shuai1Ren Fengyu2Li Nan3

(1.SchoolofMiningEngineering,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning,Anshan114051,China;2.CollegeofResourceandCivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China;3.CCTEGShenyangEngineeringCo.,Ltd,Shenyang110015,China)

In view of some problems in exploitation of ore-body with multiple mined-out areas,such as hard recycling,weak security in mining,and high rock mixing,Xishimen iron mine is adopted as engineering basis to study the exploitation of ore-body with multiple mined-out areas.Based on analysis of inadaptability of original mining methods and flat bottom structure,and considering the stability of roof surrounding rocks and the features of skarns at footwall,a new scheme that combines inclined drift with flat bottom trench structure and treats skarns as low grade ore is proposed.Several different bottom structures layout,such as double trenchs,and single trench,etc,are formed for different dip angle and thickness,which are suitable for recovery of different orebodies.In the end,the characteristics of the flat bottom trench structure is analysed,and an appropriate supporting measure is proposed for ensuring the scheme going on smoothly.

Orebody with multiple mined-out areas,Flat bottom structure,Trench,Inclined drift

2014-05-26

常 帥(1981—)，男，講師，博士。

TD853

A

1001-1250(2014)-10-013-05