宜昌緩傾斜中厚層磷礦開采技術(shù)研究

王國均

摘 要：宜昌磷礦作為全國五大磷礦基地之一，資源儲量位居全國第二，有近50年的開采歷史，以往開采的主要是礦區(qū)中部及南部區(qū)域的殷家坪、桃坪河、鹽池河、樟村坪、店子坪等礦段，礦層為下磷層，厚度穩(wěn)定均衡，基本在4米以下，采用一次性全層開采法。隨著南部資源逐漸消耗，北部杉樹埡、云臺觀、江家墩、孫家墩、挑水河能及興神、?？档鹊V段逐漸得到開發(fā)。然而北部礦層以中磷層為主，礦層厚度變化較大，常有厚達(dá)6-12米以上的中厚礦層，以往的開采方法不再適用于這部分中厚礦的開采，這部分中厚礦體對采礦技術(shù)提出了新的要求，對中厚礦體的研究十分必要。

關(guān)鍵詞：宜昌；磷礦；開采技術(shù)

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.06.085

1 項(xiàng)目研究的目的、意義

湖北杉樹埡礦業(yè)有限公司杉樹埡磷礦位于樟村坪磷礦區(qū)內(nèi)，是最早進(jìn)行宜昌中磷層開采的大型礦山，礦區(qū)面積7.8781平方公里，地質(zhì)儲量1.31億噸。主要工業(yè)礦層Ph22和次工業(yè)礦層Ph12均為晚震旦世淺海相磷塊巖與白云巖沉積建造，主要成分為CaO、P2O5、MgO、SiO2、Al2O3、FeO等。礦層頂板為薄至中厚層狀白云巖，泥質(zhì)含量較重，裂隙非常發(fā)育，東南部鄰近河床部分滴水嚴(yán)重，導(dǎo)致頂板結(jié)構(gòu)差，容易在開采過程中隨之冒落，底板為厚層狀粉晶白云巖，穩(wěn)定性良好。

通過鉆探和坑探揭露，杉樹埡磷礦四采區(qū)西部和北部、以及二采區(qū)中部Ph22礦層磷塊巖中厚礦體特別發(fā)育，西部礦體平均厚度6米，北部礦體平均厚度約為8m，面積12.6萬平方米，總地質(zhì)儲量約為238.7萬噸，礦體賦存總體上呈三分性：上部為1-2米的上貧礦，中部為3-5米的中富礦，下部為1.5-3米的下貧礦組成。其中中富礦極為破碎，礦柱尺寸不合理或爆破方法不當(dāng)容易造成礦柱劈裂從而導(dǎo)致礦柱喪失承載力，可能引發(fā)山體大面積塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

然而，目前中厚礦體、尤其中水平、近水平、緩傾斜（礦層傾角小于30度）的開采技術(shù)存在較多不足，主要表現(xiàn)在：

第一，采礦方法的選擇存在較多限制條件。相對高額的充填費(fèi)用來說磷礦價值較低，水平或近水平空場中，充填料難于自流，不能很好接頂，難于選擇充填法采礦。

第二，設(shè)備的適應(yīng)性比較差。對于中厚礦體，小型設(shè)備在鑿巖方面難于同時控制頂?shù)?，不能一次性全層打眼，同時不好裝藥，大型設(shè)備受巷道空間限制，難于進(jìn)入工作面。

第三，安全管理難度大。采場高度在4米以上時，難以對頂板浮石進(jìn)行檢查，不能及時發(fā)現(xiàn)處理安全隱患，即使一小塊浮石可能造成大的傷害。分層采礦時，下部平臺采礦對礦柱破壞性大，頂板支護(hù)不好操作 。

第四，資源的回采率低。如果不能一次回采完全層，而又不分層回采，勢必造成一定資源的浪費(fèi)。另外，由于礦層較高，礦柱高度大，要保證礦柱在受力狀下保持穩(wěn)定，必須加大礦柱，視礦石本身穩(wěn)固性呈下大上小臺型留設(shè)礦柱，降低了回采率。

第五，地壓管理及地質(zhì)災(zāi)害防治困難。水平中厚礦體對應(yīng)地表面積大、憑頂板巖層垮落松散充填采空區(qū)達(dá)到安全狀況困難。

通過對緩傾斜中厚礦體磷礦開采技術(shù)研發(fā)，解決緩傾斜中厚礦體磷礦開采中的困難，可以探索中厚礦體、尤其中近水平狀況下的中厚礦體磷礦的采礦方法、成一套成熟實(shí)用的回采工藝，為類似礦體的回采提供指導(dǎo)與借鑒，提高類似礦山的資源回收率；探索開拓、采準(zhǔn)工程布置及礦房構(gòu)成要素及參數(shù)，減少脈外廢石巷道，節(jié)省工程投入；提高設(shè)備的適用性；探索頂板管理及支護(hù)方式，提高作業(yè)過程中的安全性；形成地壓管理及空區(qū)監(jiān)測辦法，有效防范或前海地質(zhì)災(zāi)害影響。

2 本項(xiàng)目研究現(xiàn)有科技水平

中厚礦體采礦，尤其是近水平、緩傾斜中厚礦體地下開采，是公認(rèn)的地下開采一大難題，目前國內(nèi)外沒有比較完善的開采技術(shù)和采礦方法。對于急傾斜（傾角大于）中厚礦體，部分礦山（如貴州開磷集團(tuán)）采用脈外開拓，分段空場法、中深孔爆破，重力搬運(yùn)方式取得一些進(jìn)步。但其局限性非常明顯，最主要是要求礦層傾角較大，要求38度以上，礦渣能憑自身重力搬運(yùn)，對緩傾斜中厚礦體無能為力，不適合宜昌絕大部分礦山；另一局限就是脈外開拓量大，主要巷道及采準(zhǔn)巷道全部布置在脈外，成本較高。

湖北杉樹埡礦業(yè)有限公司杉樹埡磷礦位于宜昌市夷陵區(qū)樟村坪鎮(zhèn)黃家臺村與董家河村之間，成立于2006年1月，注冊資金為1.02億元?，F(xiàn)在礦山基建工程已經(jīng)結(jié)束，2008年底取得采礦許可證，并通過了安全驗(yàn)收，具備了年產(chǎn)150萬噸磷原礦的生產(chǎn)能力。

杉樹埡磷礦賦存的多樣性特點(diǎn)，使得進(jìn)行中厚礦體研發(fā)有資源及技術(shù)基礎(chǔ)，從2010年5月杉樹埡磷礦在開拓揭露出礦區(qū)的四采區(qū)西部和北部Ph22礦層磷塊巖中厚礦體，及時聘請武漢工程大學(xué)專家進(jìn)行理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)，已經(jīng)取得了一定的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，為項(xiàng)目規(guī)模開展積累了經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

3 研究內(nèi)容

3.1 項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容為：緩傾斜中厚礦體錨網(wǎng)護(hù)頂雙通道運(yùn)輸分層采礦法。

（1）在劃定的回采單位內(nèi)，分別采用先將頂部礦石采完形成切頂再進(jìn)行降底的方式或先拉底后挑頂方式，比較兩方法安全性確定基本可行的回采方法。

（2）比較無支護(hù)狀態(tài)下空場法礦房頂板垮落跨度與錨網(wǎng)噴狀態(tài)下空場法礦房頂板垮落跨度，確定合適的支護(hù)密度與跨度。

（3）對比不同幾何尺寸下的礦柱支撐效果與資源回收率確定合適的礦房參數(shù)。

（4）觀察地壓顯現(xiàn)情況與空區(qū)面積、頂板冒落與采空時間關(guān)系，摸索規(guī)律，確定地壓防治方法。

3.2 主要的技術(shù)創(chuàng)新之處

3.2.1 純脈內(nèi)采準(zhǔn)工程布置

中段運(yùn)輸、通風(fēng)及回風(fēng)巷道、分層開采的上、下分層運(yùn)輸通道、硐室等采準(zhǔn)工程全部布置在礦層之中，減少脈外的廢石巷道，減少工程投入、降低生產(chǎn)成本。目前國內(nèi)開采中厚礦體基本上是在礦體的上、下盤脈外掘進(jìn)施工主要運(yùn)輸通道后掘進(jìn)石門與礦體連接形成采準(zhǔn)布置，然后施工切割、拉底巷進(jìn)行中深孔爆破實(shí)施礦房回采，例如開陽磷礦，在開采中厚礦體時，受到地質(zhì)賦存條件和開拓系統(tǒng)等的影響，為了后期采礦的需要，均將采準(zhǔn)巷道布置在脈外，導(dǎo)致采準(zhǔn)脈外工程量大，施工周期長，投資費(fèi)用高，費(fèi)工耗時，經(jīng)濟(jì)上極不劃算。杉樹埡礦中厚礦體均為水平-緩傾斜礦層，借助傳統(tǒng)的薄礦體脈內(nèi)布置的思想，將采場運(yùn)輸通道沿脈布置，杉樹埡礦在開采這類中厚礦體時，采用無軌開拓，利用無軌運(yùn)輸設(shè)備較強(qiáng)的機(jī)動性能，采準(zhǔn)巷道全部布置在脈內(nèi)，有效避免了施工脈外巷道帶來的采準(zhǔn)工程量大，投資費(fèi)用高，巷道布置復(fù)雜等不利局面。

3.2.2 雙通道解決上下分層運(yùn)輸和連續(xù)施工

雙通道可有效避免第一分層之后的施工作業(yè)長期暴露于空場之下，可解決兩分層同時遵循回采順序的問題，上、分層出礦運(yùn)輸通道相互獨(dú)立且回采工作面相互聯(lián)系而不混亂，減少兩層兩層回采時間間隔。若采用全層開采或單一通道混合運(yùn)輸分層開采。全層開采中厚礦體由于設(shè)備作業(yè)高度有限，安全得不到保證等一系列因素，往往只對其中3-4m高的富礦層進(jìn)行了開采，回采率極低，存在嚴(yán)重的采富棄貧，浪費(fèi)資源現(xiàn)象。采用單一通道混合運(yùn)輸分層開采，由于上分層切頂回采和下分層降底回采的礦石都需經(jīng)過同一切割運(yùn)輸?shù)肋\(yùn)出，導(dǎo)致切頂回采和降底回采不能同時進(jìn)行，功班功效較低，同時整個回采戰(zhàn)線過長，切頂回采形成的空區(qū)暴露相當(dāng)長一段時間后才能進(jìn)行降底回采，導(dǎo)致降底回采時極不安全。針對上述采礦方法存在的缺陷，杉樹埡礦在開采中厚礦體時，采用雙通道建設(shè)分層開采、連續(xù)施工工藝，即先切頂，后降底，在礦房內(nèi)分別布置切頂、降底兩條運(yùn)輸通道，上部切頂層的礦石由切頂回采，沿上部運(yùn)輸通道運(yùn)出，下部降底層的礦石由降底運(yùn)輸通道運(yùn)出，這樣可以保證上部切頂回采和下部降底回采同步進(jìn)行，保證施工的連續(xù)性，最大程度提高了功班功效，同時降底回采線緊挨切頂回采線，兩者之間間隔距離短，頂板暴露時間短，保證了降底回采時的安全。

3.2.3 錨網(wǎng)噴預(yù)控頂

合理有效的護(hù)頂是保證全層安全回采的前提，本技術(shù)采礦用根據(jù)頂板及圍巖自身穩(wěn)固情況，采用錨桿、掛網(wǎng)、混凝土噴漿綜合預(yù)先控制頂板及礦柱穩(wěn)連帶，保證后續(xù)作業(yè)的安全。杉樹埡磷礦在本項(xiàng)目正式啟動之前，與武漢工程大學(xué)專家、教授一起進(jìn)行了采礦方法的理論研究，研究采取錨桿掛網(wǎng)支護(hù)、錨桿噴漿支護(hù)、噴漿支護(hù)等方式，存在掛網(wǎng)以后不能很好地控制頂板浮石，浮石風(fēng)化后和錨桿、網(wǎng)片整體脫落，形成險情；同時由于支護(hù)離施工爆破作業(yè)面較近，爆破后將支護(hù)破壞重新支護(hù)等情況。單純錨桿噴漿支護(hù)存在重復(fù)爆破后對頂板震動形成頂板局部冒落。單純噴漿支護(hù)更是如此。中厚礦體開采過程中，護(hù)頂是非常關(guān)鍵的一步，直接關(guān)系到整個礦山的安全生產(chǎn)管理。下部開采過程中頂板超過4米后無法用人工準(zhǔn)確對頂板進(jìn)行有效檢查和及時支護(hù)控制，造成頂板處于失控狀態(tài)，安全管理風(fēng)險大。目前宜昌周邊地區(qū)中厚礦體開采時，在護(hù)頂方面經(jīng)驗(yàn)不足，采取的措施欠妥，一般采用錨桿支護(hù)或錨網(wǎng)支護(hù)，且錨桿呈平行布置，長度不夠，打注角度較低，一般在45°以下，整體支護(hù)質(zhì)量較差，支護(hù)后仍有頂板大面積垮落的現(xiàn)象，導(dǎo)致安全事故頻發(fā)。有時為了避免安全管理上的難題，開采時只將中部的富礦一次性回采結(jié)束，將上、下貧礦棄于空區(qū)。 杉樹埡礦在開采中厚礦體時，摸索總結(jié)周邊礦山先前的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在護(hù)頂時采用錨桿掛網(wǎng)噴漿支護(hù)，在斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，巖層比較破碎的地段，采用錨桿連接筋掛網(wǎng)噴漿支護(hù)，以提高對頂板的支護(hù)質(zhì)量，錨桿呈扇形布置，長度達(dá)到3m，角度達(dá)到70°，打注到穩(wěn)定巖層內(nèi)，兩側(cè)錨桿要求由幫壁打注到頂板內(nèi)，提高幫壁與頂板的整體性，網(wǎng)片網(wǎng)度要求達(dá)到0.1m×0.1m，噴漿厚度要求達(dá)到10cm以上，通過噴漿后，讓錨桿、網(wǎng)片和頂板連接成一個整體，提高了支護(hù)強(qiáng)度。

3.2.4 采用先進(jìn)的多點(diǎn)位位移計和鉆孔應(yīng)力計進(jìn)行礦柱受力和頂板位移變化進(jìn)行檢測

總結(jié)礦柱受力變化和頂板變化規(guī)律控制地壓的破壞作用。中厚礦體礦層高，形成空區(qū)后，頂板來壓大面積垮落產(chǎn)生的沖擊波很大，不進(jìn)行科學(xué)觀測和采取有效的工程措施將空區(qū)隔離，將對人員和物資是一個非常大的安全隱患，因此中厚礦體采空區(qū)管理十分重要。但很多礦山在開采厚礦體時，對地壓管理這項(xiàng)工作都不太重視，只是象征性的采取木滑尺等傳統(tǒng)監(jiān)測手段進(jìn)行地壓監(jiān)測或根本置之不理，傳統(tǒng)的木滑尺監(jiān)測，由于受外在因素影響大，人為誤差及監(jiān)測點(diǎn)有限，可信程度不高，同時每次監(jiān)測，監(jiān)測人員必須深入空區(qū)，監(jiān)測人員的安全得不到保證。

杉樹埡礦通過采用鉆孔式多點(diǎn)位移計和鉆孔壓力傳感器對采空區(qū)頂板的位移變形及礦柱承受的壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，其監(jiān)測點(diǎn)多，監(jiān)測范圍廣，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，精度高，大大提高了采空區(qū)地壓監(jiān)測的可信程度，能夠及時有效監(jiān)測采空區(qū)頂板的受力變性程度，準(zhǔn)確判斷采空區(qū)來壓情況和頂板大面積冒落的時間段，為保證鄰近采區(qū)人員設(shè)備的安全提供了有效保證。另外在空區(qū)形成前將礦山施工中產(chǎn)生的廢石分階段充填到采空區(qū)，降底空區(qū)的高度，對頂板的冒落起到部分緩沖的作用，當(dāng)空區(qū)面積達(dá)到1萬㎡左右時，采用毛石漿砌隔離帶，將采空區(qū)隔離封閉，防止頂板冒落產(chǎn)生的沖擊波對鄰近采礦區(qū)的人員和設(shè)備造成危害。

3.3 主要的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

該項(xiàng)目計劃于2011年2月開始實(shí)施，項(xiàng)目總投資1470萬元，建設(shè)期一年。

項(xiàng)目建成實(shí)施后，通過采用水平中厚礦體錨網(wǎng)噴漿護(hù)頂雙通道分層開采法對杉樹埡磷礦中厚礦體進(jìn)行開采，與傳統(tǒng)的一次全層開采方法相比，礦體下部約4m厚的礦層能夠得到開采，合計約可多采出1.26×105㎡×4m×2.8t/m3×78%=110萬噸磷礦石，從而讓中厚礦體得到充分的開采和利用，并實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價值和社會效益。

4 研究試驗(yàn)方式及工藝方法

4.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域

根據(jù)杉樹埡中厚礦體分布情況，結(jié)合杉樹埡整個礦井的回采用順序以及當(dāng)前已形成井巷及基礎(chǔ)設(shè)施，選擇杉樹埡中厚礦體回采的試驗(yàn)區(qū)域。

杉樹埡中厚礦體主要分布在礦區(qū)北部、西部，北部中厚礦體相對厚度穩(wěn)定、中間可剔除夾石較少，適宜優(yōu)先實(shí)驗(yàn)；杉樹埡礦回采順序總體上是以主平硐為中心后退式回采，礦區(qū)劃分為四個采區(qū)，四個采區(qū)同時開采，一、二、三采區(qū)從南向北自上而下開采，四采區(qū)從北部邊界向南退采。北部中厚礦體位于四采區(qū)北部，是首期回采地方段；加之四采區(qū)通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)乳_拓巷道已經(jīng)形成，具備開始回采條件。所以，杉樹埡中厚礦體實(shí)驗(yàn)首先從礦區(qū)北部開始。

4.2 實(shí)驗(yàn)方式及研究內(nèi)容

（1）在劃定的回采單位內(nèi)，分別采用先將頂部礦石拿完形成切頂方式或先拉底后挑頂方式，比較兩方法安全性確定基本可行的回采方法。

（2）比較無支護(hù)狀態(tài)下空場法礦房頂板垮落跨度與錨網(wǎng)噴狀態(tài)下空場法礦房頂板垮落跨度，確定合適的支護(hù)密度與跨度。

（3）對比不同幾何尺寸下的礦柱支撐效果與資源回收率確定合適的礦房參數(shù)。

（4）觀察地壓顯現(xiàn)情況與空區(qū)面積、頂板冒落與采空時間關(guān)系，摸索規(guī)律，確定地壓防治方法。

4.3 工藝方法

根據(jù)杉樹埡礦中厚礦體賦存條件，礦層以水平—緩傾斜為主，礦體平均傾角在8°左右，平均厚度約8m，因此采用脈內(nèi)無軌開拓，分層開采，擬采用先切頂后降底分層空場法和先拉底后挑頂分層空場法對杉樹埡礦厚礦體開采進(jìn)行研究，同時鑒于杉樹埡礦中厚礦體頂板呈薄至中厚層狀，節(jié)理發(fā)育，頂板結(jié)構(gòu)較差，將先切頂后降底分層空場法作為厚礦體開采的主要研究方向，具體如下：

4.3.1 先切頂后降底分層空場法回采工藝

（1）礦塊構(gòu)成要素。

礦塊沿走向長100m，沿傾向100m。礦房寬5-8米、房間礦柱寬度4-6，間柱尺寸3*3-6*6，準(zhǔn)確尺寸須根據(jù)不同構(gòu)造及圍巖情況研究優(yōu)化。

（2）采準(zhǔn)切割。

①分段運(yùn)輸平巷：沿礦層頂板布置，沿傾向斜長每100m布置一條，掘進(jìn)斷面12.6m2（4.5m×2.8m），錨網(wǎng)噴支護(hù)。

②上分層切割、護(hù)頂：在礦房中央和礦房一側(cè)，沿礦層頂部分別由下中段向上中段掘進(jìn)割上山，切割上山作為礦房上部礦層（切頂）回采時的運(yùn)輸通道。

③下分層切割、護(hù)頂：對切割上山通過降底至底板（提前做好護(hù)頂工作），作為下部礦層回采時的運(yùn)輸通道。

④上山：垂直分段平巷在每個礦塊中央布置一條，長度100m。掘進(jìn)斷面12.6m2，錨網(wǎng)噴支護(hù)。

⑤出風(fēng)口：在礦塊的兩端，布置2條出風(fēng)口，每條長4m，斷面12.6m2，錨網(wǎng)噴支護(hù)。

所有采切巷道均為脈內(nèi)布置。

采準(zhǔn)切割工程具體布置見采礦方法圖以及采切巷道斷面。

（3）回采。

上分層回采、護(hù)頂：先對上部礦層切頂（切頂高度3米），預(yù)留上部礦柱4米×4米（或5米×5米），礦房尺寸6米×6米（或5米×5米），當(dāng)遇特別破碎地段、礦柱中節(jié)理裂隙特別發(fā)育且容易劈裂時礦柱尺寸可適當(dāng)放大。對上分層切頂?shù)耐瑫r采取頂板藥卷錨桿掛網(wǎng)支護(hù)，錨桿長2米，直徑20mm，端部焊接“T”形鋼筋將100×100mm專用網(wǎng)片緊貼頂板，錨桿采用“扇形”布置，網(wǎng)度1×1米，施工滯后不超過斷面3米；預(yù)留下部礦柱5×5米（或6米×6米），礦房尺寸5×5米（或4米×4米），當(dāng)遇特別破碎地段、礦柱中節(jié)理裂隙特別發(fā)育且容易劈裂時礦柱尺寸可適當(dāng)放大。

下分層回采：為防止下分層回采暴露在空場之下時間過長期，在上部切頂推進(jìn)15米之內(nèi)，必須對下分層進(jìn)行回采，下分層回采和上分層回采同步進(jìn)行，采用潛孔鉆鑿巖，炮眼布置近豎直方向（與水平面夾角呈85°），沿拉底巷一次性鑿巖30m左右，采用淺孔V字微差爆破法爆破，集中出礦，礦石由于下部切割運(yùn)出?；夭上路謱訒r，如果遇到點(diǎn)柱，必須在開采上分層所留點(diǎn)柱截面的基礎(chǔ)上，適當(dāng)放大點(diǎn)柱截面，建議下部臺階礦柱尺寸擴(kuò)大到6（6米，臺階礦柱示意圖見圖2）。

礦柱規(guī)格選擇：

①影響礦柱穩(wěn)定性的主要因素。

礦柱尺寸的確定，應(yīng)保證開采過程中礦房及礦柱的穩(wěn)定。從杉樹埡礦過去3年薄礦體采礦經(jīng)驗(yàn)和觀測情況表明影響礦柱穩(wěn)定性的主要因素有：礦柱荷載、礦柱的高寬比、礦房與礦柱的尺寸、構(gòu)造因素、礦體自身的強(qiáng)度。對采礦活動可控制的因素來說，礦柱寬度的影響最為明顯，礦體強(qiáng)度次之，應(yīng)按設(shè)計要求嚴(yán)格控制礦柱的尺寸，采取控制爆破技術(shù)盡量保持礦柱的完整性以提高礦柱的承載能力。

②礦柱尺寸的確定。

從維護(hù)采場穩(wěn)定性方面考慮，礦柱的間距應(yīng)小于礦房極限跨度，而礦柱本身的橫截面尺寸應(yīng)能滿足承載力要求，因此，礦柱尺寸根據(jù)其抗壓強(qiáng)度確定。根據(jù)面積承載力理論，假設(shè)上覆巖層的重力按面積均勻分布，礦柱支撐其上覆巖柱的重力，該巖柱的底面積為按巖柱分?jǐn)偟拈_采面積與礦柱自身面積之和。則礦柱的平均應(yīng)力σP為：

礦柱承載力主要取決于礦柱的單軸抗壓強(qiáng)度，且與礦柱的形狀和尺寸等有關(guān)，根據(jù)前人的研究，礦柱承載力可采用以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算：

礦房跨度及礦柱間距根據(jù)以上分析選取礦房凈跨度為12m，礦柱凈距8m，礦柱尺寸分別采用3m、4m、5m、6m幾種情況進(jìn)行計算，求得各種條件下礦柱的平均應(yīng)力及相應(yīng)的安全系數(shù)如表。

從表中可知，對于礦房凈跨度為12m，礦柱凈距8m的情況，礦柱尺寸應(yīng)不小于4×4m。

上面的計算是在礦體全部回采后，已形成大面積空區(qū)的情況下的礦柱應(yīng)力及安全系數(shù)，考慮到礦柱的穩(wěn)定只要能保證礦體在回采過程中采場的安全，而回采中上覆巖層應(yīng)力尚未充分顯現(xiàn)，應(yīng)力并未全部作用于回采礦房的礦柱上，故礦柱的實(shí)際應(yīng)力比上述計算值要小。根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)查與分析，建議采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為：礦房凈跨度不超過12m，礦柱凈距不超過8m，礦柱尺寸采用4×4m。當(dāng)?shù)V體厚度超過4m后，礦柱尺寸需適當(dāng)增加。

（4）工藝設(shè)備：采用淺孔鑿巖臺車或潛孔鉆鑿巖，斜眼掏槽，炮孔深度2～3m，2#巖石炸藥全層爆破，人工裝藥，非電雷管起爆。采用2.0m3鏟運(yùn)機(jī)裝礦、坑內(nèi)卡車運(yùn)輸至放礦溜井篩分后溜放至膠帶上輸入地表礦倉，錨桿臺車護(hù)頂。

（5）頂板管理：回采過程中要認(rèn)真檢查頂板，處理浮石，局部破碎地段采用錨桿支護(hù)或錨網(wǎng)支護(hù)；在回采礦房內(nèi)留間柱，在分段巷道兩側(cè)留頂、底柱，在礦塊間留連續(xù)礦柱，保證作業(yè)安全。

4.3.2 先拉底后挑頂分層空場法

（1）采準(zhǔn)：運(yùn)輸巷道、硐室布置在中厚礦體下部，垂直走向布置近底板拉底切割與上中段貫穿。

（2）落礦：以拉底切割為自由面，向兩邊擴(kuò)巷；向上挑頂，爆落上部礦石。

（3）搬運(yùn)：一部分?jǐn)U巷的礦渣采用電耙搬運(yùn)至中段，坑內(nèi)卡車運(yùn)至井口或中段溜井，另一部分留在礦房內(nèi)，作為挑頂?shù)墓ぷ髌脚_。

（4）頂板管理：采礦過程頂板不斷變動，無法錨網(wǎng)護(hù)頂，要求礦石及頂板均較穩(wěn)固。

（5）回采順序：與先切頂后降底分層空場法類似。

4.3.3 地壓監(jiān)控與采空區(qū)處理

（1）地壓監(jiān)控。

開掘分段平巷期間，在平巷和切割上山口各安裝一組巖層形變傳感裝置，并按規(guī)定程序測取巖層形變數(shù)據(jù)。巷道掘進(jìn)期間用于測定巖層變形情況，回采期間用于監(jiān)測采場頂板，當(dāng)頂板變形下沉達(dá)到一定形變值，下沉加速度超過一定值時，表明采場頂板即將崩落，監(jiān)測裝置則發(fā)出聲光警報信號。另外，在開掘巷道期間，還在具有代表性的礦柱中央安裝巖石壓力計，以觀測礦柱壓力值，采用便攜式聲波監(jiān)測儀監(jiān)測。

對于形成時間較長的采空區(qū)通過放置巖音儀聽取空區(qū)里面冒頂前的巖石破裂、撞擊、碎塊掉落等發(fā)出的聲響，通過地面報警儀報警的頻繁程度和聲響強(qiáng)度，預(yù)測可能冒頂?shù)目諈^(qū)，及時撤離人員和設(shè)備等。

對于正在形成的采空區(qū)通過頂?shù)装鍎討B(tài)報警儀、直讀式測力錨桿、鉆孔應(yīng)力計、多點(diǎn)位移計、巖音儀等綜合手段監(jiān)測采空區(qū)的穩(wěn)定情況，每萬平方米采空區(qū)內(nèi)選擇合適的地點(diǎn)分別布置2臺DSB頂?shù)装鍎討B(tài)報警儀、2臺LMC直讀式測力錨桿、1臺ZYJ鉆孔應(yīng)力計、1套多點(diǎn)位移計和1個巖音儀。

（2）采空區(qū)處理。

采用自然崩落法與封堵相結(jié)合的方法處理采空區(qū)。礦塊回采過程中，保留規(guī)則的間斷礦柱和連續(xù)間柱，達(dá)到臨時支護(hù)頂板的目的，以保證作業(yè)安全，當(dāng)上一中段礦塊回采結(jié)束后，用廢石分階段充填到采空區(qū)，降底空區(qū)的高度，對頂板的冒落起到部分緩沖的作用，當(dāng)采空區(qū)面積逐漸增大，達(dá)到一定值時，在近空區(qū)的采礦巷道內(nèi)或礦柱間砌筑毛石封堵墻，分隔空區(qū)與未采區(qū)。毛石封堵墻的主要作用就是阻擋大面積采空區(qū)冒落形成的沖擊氣流對下部工作面作業(yè)人員和設(shè)備的傷害和損壞。毛石封堵墻應(yīng)采用全密閉形式，其形式與結(jié)構(gòu)見圖8。

毛石封堵墻總厚度為2.5～3.0m，墻體采用夾心結(jié)構(gòu)，即兩側(cè)平行砌筑0.5m的墻體，中間填筑碎石、沙土等散體材料。墻體應(yīng)盡可能布設(shè)在與空區(qū)連通的巷道內(nèi)或礦柱之間，砌筑時墻體與頂?shù)装搴偷V柱或巷道壁接觸面砌筑緊密，增強(qiáng)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

為了避免生產(chǎn)期間沖擊氣浪災(zāi)害，采用疏和堵相結(jié)合的方法，一方面封閉空區(qū)，堵塞空區(qū)通往生產(chǎn)區(qū)的所有通道，另一方面為沖擊氣流開通逸散通道，引導(dǎo)氣流向無害處泄流。即在封閉空區(qū)的同時，選取與空區(qū)連通通暢，距離近、人員、車輛活動稀少的地表開設(shè)“泄壓天窗”，以疏導(dǎo)沖擊氣流，解決沖擊氣流危害。在環(huán)境條件允許的情況下，應(yīng)盡量多開出口，增大壓氣的有效泄流面積，使壓氣快速充分泄放。

5 現(xiàn)有研究條件和工作基礎(chǔ)

5.1 資源條件

杉樹埡磷礦中厚礦體在厚度、賦存狀況、礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造及頂?shù)装逄匦陨铣尸F(xiàn)多樣性，為中厚礦體開采技術(shù)研究提供了較好的自然條件，為中厚礦體開采技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了良好的資源平臺。

杉樹埡磷礦段地處揚(yáng)子準(zhǔn)地臺鄂中褶斷區(qū)黃陵背斜北翼，位于宜昌磷礦北部。地質(zhì)勘探報告提供資料顯示，區(qū)域上出現(xiàn)的六個磷（礦）層（Ph1、Ph2 、Ph3、Ph4 、Ph5、Ph6）。Ph3～Ph6因厚度小、品位低、變化大而不具工業(yè)利用價值，礦段內(nèi)賦存Ph22、Ph12、Ph31三個工業(yè)磷礦層。

Ph22是本礦段主要工業(yè)磷礦層，分布于胡集段下部，呈層狀產(chǎn)出。Ph12礦層為勘探新劃分出的礦層，賦存在胡集段下部Ph22礦層之下，呈透鏡狀～似層狀產(chǎn)出。Ph31屬次要工業(yè)磷礦層，賦存在樟村坪段中亞段上部，呈似層狀產(chǎn)出。

中磷層（Ph22）為區(qū)內(nèi)主要工業(yè)磷礦層，大致具三分結(jié)構(gòu)。上部為磷塊巖夾條帶狀云巖，屬貧礦層；中部為泥晶磷塊巖，夾或不夾微量云巖，屬富礦層；下部磷塊巖夾云巖或硅質(zhì)巖，屬貧礦層。

Ph22礦層結(jié)構(gòu)，依據(jù)礦石自然類型，在礦層結(jié)構(gòu)發(fā)育齊全時，具有明顯的三分結(jié)構(gòu)，即：Ph2-32（上分層）白云巖條帶狀磷塊巖、Ph2-22（中富礦）致密條帶狀（塊狀）磷塊巖、Ph2-12（下分層）薄層白云巖夾磷塊巖，分述如下：

Ph2-32（上分層）：由亮泥晶砂（礫）屑磷塊巖夾白云巖條帶和白云巖條帶與磷塊巖條帶互層組成，白云巖條帶局部地段含泥質(zhì)。厚度0～3.26m，平均0.69m，P2O5品位0～29.89%，平均品位24.15%。較穩(wěn)定分布于礦段南部、礦段北部和礦段東部等地段，呈層狀～透鏡狀產(chǎn)出，其它地段分布零星。

Ph2-22（中富礦）：由灰黑色致密條帶狀（塊狀）亮泥晶粒屑磷塊巖，含少量白云巖礫砂屑及硅質(zhì)扁豆體，局部夾薄板狀～薄層狀白云巖。厚度0～4.00m，平均厚度1.45 m，P2O5品位28. 98～36.93 %，平均品位32.53%。主要分布于礦段南部、礦段北部及礦段東部富集地段，均呈層狀，展布方向主要為北西向，分布較為連續(xù)穩(wěn)定，厚度大品位高，構(gòu)成礦段內(nèi)三個工業(yè)富礦體。

Ph2-12（下分層）：由亮泥晶砂（礫）屑磷塊巖夾白云巖條帶和白云巖條帶與磷塊巖條帶互層組成，局部夾薄～中層狀白云巖透鏡體和硅質(zhì)團(tuán)塊。厚度0～5.96m，平均厚度1.17m。P2O5品位0～29.31%，平均品位21.32%。主要分布于礦段南部、礦段北部和礦段東部富集地段，呈層狀～透鏡狀產(chǎn)出，其它地段分布零星。

杉樹埡磷礦中厚礦體，面積122.6萬平方米，總地質(zhì)儲量約為2387萬噸，該厚礦體采用現(xiàn)有開采技術(shù)很難得到充分開采。

5.2 科研條件

湖北杉樹埡礦業(yè)有限公司系湖北宜化集團(tuán)下屬子公司。宜化集團(tuán)作為湖北省重要磷化工產(chǎn)業(yè)基地，磷復(fù)肥生產(chǎn)需求磷礦能力已突破300萬噸，是省內(nèi)重要的磷礦加工企業(yè)，宜化集團(tuán)下轄多家礦業(yè)企業(yè)，是最早開發(fā)宜昌磷礦的企業(yè)之一，擁有大批礦業(yè)地質(zhì)、采礦、選礦、機(jī)電設(shè)備及管理的專業(yè)技術(shù)人才。

湖北杉樹埡礦業(yè)有限公司是宜化集團(tuán)目前規(guī)模最大的磷礦采礦子公司，也是全國同類單系統(tǒng)生產(chǎn)能力最大礦山企業(yè)。公司設(shè)立有礦山技術(shù)部，配備專業(yè)人員負(fù)責(zé)礦山生產(chǎn)技術(shù)研究與攻關(guān)；公司具有資質(zhì)技術(shù)人員55人，高級職稱7人，中級職稱21人。

杉樹埡礦業(yè)公司礦山具有臺車鏟運(yùn)車、坑內(nèi)卡車等先進(jìn)的采掘設(shè)備，是機(jī)械化裝備較高的礦山企業(yè)；礦井基建工程已于09年底全部完工，形成了正常的排水系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、行人系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)，同時新建了部分生產(chǎn)、生活基礎(chǔ)設(shè)施，具有較好的生產(chǎn)生活條件，同時公司領(lǐng)導(dǎo)按照國家有關(guān)精神本著充分保護(hù)礦產(chǎn)資源對中厚礦體開采利用技術(shù)給予了大力關(guān)注和投入。

5.3 后期準(zhǔn)備工作

為了能夠順利應(yīng)用切頂房柱法對四采區(qū)中厚礦體進(jìn)行充分的開采和利用，后期還需準(zhǔn)備如下相關(guān)工作：

（1）采掘設(shè)備方面：購買1臺Boomer281臺車，1臺2m3電動鏟運(yùn)車，1臺錨桿臺車，3臺潛孔鉆機(jī)。

（2）輔材方面：購買網(wǎng)度100mm×100mm，Ф6mm的圓鋼網(wǎng)片9萬㎡，長度3.0m，Ф43 mm管縫錨桿9萬根，高壓電纜1400m，Ф80 mm水管500m，Ф40mm管900m ，Ф108 mm風(fēng)管200m，Ф40 mm風(fēng)管1200m。

（3）人員組織方面：還需增加鑿巖臺車操作工2人，電動鏟運(yùn)車操作工2人，錨桿臺車操作工2人，潛孔鉆機(jī)操作工9人，專業(yè)護(hù)頂撬毛人員12人。

（4）施工組織設(shè)計：根據(jù)項(xiàng)目的進(jìn)度目標(biāo)制定施工組織設(shè)計，確定專人組織專班，每天跟蹤進(jìn)度完成情況，針對存在的問題進(jìn)行修訂調(diào)整，保障工程大的時間節(jié)點(diǎn)按照進(jìn)度完成；出現(xiàn)問題及時采取強(qiáng)有力的措施來完成目標(biāo)。

（5）設(shè)計培訓(xùn)、技術(shù)交底和工作小結(jié)：本項(xiàng)目完成的好壞取決于培訓(xùn)總結(jié)的好壞。必須按照設(shè)計對項(xiàng)目施工人員進(jìn)行培訓(xùn)，讓每一個施工人員清晰工程目的和意義，進(jìn)行指標(biāo)分解保證目標(biāo)的落實(shí)，每月根據(jù)工程進(jìn)展情況總結(jié)施工組織、總結(jié)技術(shù)成果并存檔。

6 計劃進(jìn)度

目前該盤區(qū)處于開拓初期，本項(xiàng)目計劃工作期限為1年。具體進(jìn)度如下：

2011年2月-2011年6月對中厚礦體布置并實(shí)施開拓工程，完成1條運(yùn)輸大巷，4條中段和2條回風(fēng)巷。同時采用坑探和坑內(nèi)鉆探進(jìn)一步確定厚礦體的范圍、厚度和品級。

2011年7月至9月完成中厚礦體首采區(qū)礦房的上部運(yùn)輸通道、下部運(yùn)輸通道及拉底等備采工程，保持有3個礦房同時具備回采條件。

2011年10月至12月采用切頂房柱法對首采區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性回采，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，確定最佳采礦參數(shù)，并對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，編制報告。

7 經(jīng)費(fèi)概算及來源

7.1 項(xiàng)目預(yù)計總經(jīng)費(fèi)1470萬元

7.2 研究項(xiàng)目預(yù)算說明

（1）研發(fā)活動消耗的燃料和動力。共需400萬元，所占預(yù)算經(jīng)費(fèi)比例為27.21%。

材料250萬元，其中炸藥24.6萬發(fā)，按6.5元/發(fā)計算，需160萬元；導(dǎo)爆管36萬發(fā)，按2.5元/發(fā)計算，需90萬元。

電 250萬度，按0.6元/度計算，需150萬元。

（2）研發(fā)人員工資薪金。共需160萬元，所占經(jīng)費(fèi)預(yù)算比例為10.88%。主要用于支付直接參加項(xiàng)目研究人員的工資。

（3）研究設(shè)備的折舊。共需144萬元，所占經(jīng)費(fèi)預(yù)算比例為9.8%。

（4）專門用于中間試驗(yàn)和產(chǎn)品試制的模具、工藝裝備開發(fā)及制造費(fèi)。共需600萬元，所占經(jīng)費(fèi)預(yù)算比例為40.82%。主要用于項(xiàng)目研究所需設(shè)備的安裝費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、各種修理費(fèi)等。

（5）新產(chǎn)品設(shè)計費(fèi)。共需80萬元，所占經(jīng)費(fèi)預(yù)算比例為5.44%。

（6）與產(chǎn)品試制技術(shù)研究有關(guān)的其他費(fèi)用。共需86萬元，所占經(jīng)費(fèi)預(yù)算比例為5.85%。主要用于重點(diǎn)技術(shù)方案的咨詢、項(xiàng)目評估、審查、驗(yàn)收等發(fā)生的費(fèi)用。

8 項(xiàng)目研究預(yù)期成果及效益

通過對中厚礦體開采技術(shù)研發(fā)，解決中厚礦體開采中的困難，可以探索中厚礦體、尤其中近水平狀況下的中厚礦體的采礦方法、制成一套成熟實(shí)用的回采工藝，為類似礦體的回采提供指導(dǎo)與借鑒，提高類似礦山的資源回收率；探索開拓、采準(zhǔn)工程布置及礦房構(gòu)成要素及參數(shù)，減少脈外廢石巷道，節(jié)省工程投入；提高設(shè)備的適用性；探索頂板管理及支護(hù)方式，提高作業(yè)過程中的安全性；形成地壓管理及空區(qū)監(jiān)測辦法，有效防范或前海地質(zhì)災(zāi)害影響。

此項(xiàng)技術(shù)投入生產(chǎn)后，可產(chǎn)生良好的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

8.1 經(jīng)濟(jì)效益

工程的實(shí)施避免杉樹埡磷礦區(qū)磷礦資源的浪費(fèi)。預(yù)計可提高中厚礦體資源回收率10%，杉樹埡礦累計可多采出磷礦石283萬噸，延長礦山服務(wù)年限2年，為企業(yè)創(chuàng)造約2.8億元凈利潤。

8.2 社會效益

（1）為同類或條件類似的礦山厚礦體開采提供經(jīng)驗(yàn)和施工技術(shù)參數(shù)，也為宜昌貧礦開采利用提供技術(shù)支撐。

（2）厚礦體全面開采利用，為宜昌選礦廠提供大量的礦源，為選礦技術(shù)進(jìn)步提供大量的資源空間。

（3）礦產(chǎn)資源的節(jié)約和綜合利用提高礦區(qū)服務(wù)年限，保證了地方經(jīng)濟(jì)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

（4）厚礦體開采為礦山在后期開拓、探礦等產(chǎn)生的廢石提供了大量的充填空間，為打造“綠色礦山”提供寶貴的防治經(jīng)驗(yàn)。

（5）工程的實(shí)施，需要大量的人力、物力，可以增加部分當(dāng)?shù)鼐用窬蜆I(yè)，增加當(dāng)?shù)鼐用竦氖杖搿？蔀楫?dāng)?shù)鼐用裉峁┚蜆I(yè)機(jī)會，可安置農(nóng)民工就業(yè)110多名，在杉樹埡礦業(yè)公司快速發(fā)展的同時，礦區(qū)群眾經(jīng)濟(jì)收入、生活質(zhì)量得到同步改善和發(fā)展，帶動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著。內(nèi)聚合力，外樹形象，實(shí)現(xiàn)了企地共贏、和諧發(fā)展的可喜局面。

8.3 安全效益

（1）成熟的采礦工藝技術(shù)使得厚礦體開采處在有序推進(jìn)和全面掌控之中，讓技術(shù)來指導(dǎo)采礦的安全。

（2）此項(xiàng)技術(shù)投入應(yīng)用后，可改善中厚礦體回采過程中的安全生產(chǎn)條件，減少生產(chǎn)過程中來自頂板冒落的安全風(fēng)險，安全效益顯著。

（3）厚礦體采礦過程中對空區(qū)頂板檢測可以為其他類型空區(qū)的檢測和防治提供了有力的借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]采礦手冊編寫委員會.采礦手冊.第1卷[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1990.

[2]楊惠民，徐忠義，杜前進(jìn).采礦知識問答[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.