缓倾斜多层复杂沉积型磷块岩矿体采矿方法研究

董凯程，陈 何，黄 丹，胡建军

（北京矿冶研究总院，北京 100160）

缓倾斜多层复杂沉积型磷块岩矿体采矿方法研究

董凯程，陈 何，黄 丹，胡建军

（北京矿冶研究总院，北京 100160）

根据某磷矿矿区缓倾斜复杂多层沉积型磷块岩矿体的具体特点以及矿山生产情况，对其进行采矿方法研究，提出了几种适合此类矿体开采的采矿方法，经比较优选出适用于矿体开采的预控顶机械化高效分层掘进式房柱采矿法，为国内其他类似开采技术条件的矿体提供借鉴。

沉积型磷块岩；缓倾斜矿体；房柱法；预控顶机械化分层掘进

中国磷矿资源非常丰富，截至2012年年底，我国磷资源总量接近500亿t，基础储量30.74亿t，占世界探明储量的5.52%，居世界第2位。我国磷矿探明储量中，沉积型磷块岩（胶磷矿）占总储量的85%，且大部分成矿时代久远，岩化作用强，矿石胶结致密，约有75%以上的矿层为薄至中厚层分布，通过倾斜至缓倾斜方式采出，开采与选矿难度大，往往造成贫损率高，资源回收率低，难以实现机械化、大型化开采。随着露天可采的近地表资源日渐枯竭，磷矿开采逐步转向地下；但是缓倾斜多层薄至中厚矿体开采技术难度大，且我国磷矿资源品位低，岩体赋存条件复杂，亟待研究安全高效、经济合理的采矿方法，为更好地开发我国磷矿资源和维持行业稳定快速发展提供技术保障［1－4］。

1 矿床地质及水文地质条件

1.1 矿床地质条件

该磷矿呈层状赋存于寒武系下统麦地坪组中下部，开采深度为＋1335～＋880m标高，矿层连续稳定，呈缓倾斜西倾，倾角10～24°。工业矿床主要有Ⅱ矿层（上层）和Ⅰ矿层（下层）两层矿，Ⅰ、Ⅱ层间夹石厚5～7m。Ⅱ矿层：结构单一，区内矿层延长2000余米，沿倾斜最宽达800余米，均厚约2.65m，厚度变化系数48.73%。Ⅰ矿层：为多层结构中厚矿体，沿走向延长3500 m，沿倾向最宽处达1000 m。根据矿体赋存状态及矿石类型，Ⅰ矿层又分为上层矿体（厚4～5m）、夹矸层（中层，均厚1.5m）、下层矿体（均厚4m），各矿层连续稳定。夹矸层为含磷水云母黏土岩，遇水软化，且SiO2（47.17%）含量高，对选矿作业及生产成本影响极大。通过岩石力学实验，综合考虑地下水、结构面产状、应力状态等主要因素对岩体质量的弱化，岩体质量级别分别为：Ⅰ矿层为Ⅳ级岩体，岩体质量较差，Ⅱ矿层及夹层岩组为Ⅲ级岩体，属中等质量岩体，顶板及底板岩组为Ⅱ级岩体，岩体质量较好。

1.2 水文地质条件

矿床主要充水含水层为矿层直接顶底板含水层，属以溶蚀裂隙及溶洞为主的岩溶充水矿床，含水层赋水性中等～强。矿区地质构造条件简单，属单斜构造，地形地貌条件有利于自然排水，区内无大的地表水体分布，最低侵蚀基准面标高930m。绝大部分矿层位于最低侵蚀基准面以上，矿床属地下平硐开采，矿坑水可自行排泄，矿床水文地质条件属简单～中等类型。

2 矿床开采技术条件

Ⅱ层薄矿体连续稳定，顶板较稳固，与Ⅰ层矿间隔层状连续夹石。Ⅰ层矿岩体破碎，黏土岩软弱夹矸层为采掘工作带来了安全隐患，且开采空高＞10m；受制于资源禀赋及市场经济条件，Ⅰ矿层回采过程中要求剔除该软弱夹矸层，矿体被夹石层及夹矸层纵向打断，所以中厚磷矿体要作为多层薄矿体进行回采。可见Ⅰ矿层回采受制于自身岩体条件、资源禀赋、Ⅱ矿层及夹矸的存在，为采矿方法研究形成了更为苛刻的技术条件。综合考虑，确定Ⅰ、Ⅱ矿层双系统回采，重点研究Ⅰ矿层在多层复杂岩体条件下的采矿方法。

矿体属于海相沉积磷块岩缓倾斜中厚矿体，其采矿方法在国内外都是一个技术难题。采矿方法不仅满足上下矿层安全协同开采，同时生产能力达到200万t/a。采矿新方法如何提高单矿块生产能力，提高上下开采稳定性，与矿石运输提升系统有效衔接也是采矿工艺研究的重点与难点。

3 采矿方法选择

3.1 采矿方法初选

纵观国内外缓倾斜矿体采矿方法，主要为房柱法、底盘漏斗法、充填法以及爆力运搬、电耙留矿法［5－6］。此类矿体开采朝着大型化、机械化的方向发展，大部分矿山采用了充填法开采［9－11］。根据该磷矿体地质赋存特征和开采技术条件：赋存角度在10～24°之间，不具备大规模采用爆力运搬采矿方法的条件；矿山现建设阶段没有建设充填系统，处于开采初期未形成大面积采空区，地表允许堆存尾矿及废石，所以现阶段暂不考虑充填采矿法；采区范围为多层矿体，Ⅱ层矿较薄，与Ⅰ层矿夹石层厚度平均5～7m，Ⅰ层矿由于需要全面剔除软弱夹矸层，形式上要分为上下两层矿体开采，各矿层间隔不足以布置底盘漏斗，对多层矿整体采矿工艺实施要求苛刻、难度大；矿层间隔较小，对电耙硐室的布置也非常不利，结合矿山设计产能要求，以及现有伪倾斜开拓系统，确定铲运机＋卡车运搬作为出矿方式，所以底盘漏斗法、电耙留矿法及电耙出矿方式不宜采用。

从房柱法角度分析［7－8］，软弱夹矸暴露后极不稳固，且必须剔除，所以切底（拉底）上向中深孔后退式房柱法和上向倒台阶回采不宜采用，Ⅰ矿层回采顺序必须是自上而下分层回采。在矿房内回采单元的划分采用沿走向条带式分采；若采用沿伪倾斜方向划分条带，凿岩爆破特别是矿石运搬作业都需要在倾斜底板上实施，故不宜采用。在调研国内外类似矿体采矿方法的基础上，针对该Ⅰ矿层的开采初选如下3种房柱法采矿方案：方案1，预控顶沿走向条带式分层掘进式房柱法；方案2，超前剔矸预控顶沿走向分条阶梯式全断面掘进房柱法；方案3，限制地压小范围沿走向分条整体推进房柱法。

3.2 Ⅰ矿层采矿方法比较分析

3.2.1 预控顶沿走向条带式分层掘进式房柱法

如图1所示，在矿块内划分矿房、矿柱，矿柱尺寸均为6m×7m，矿柱间跨度均为7m。在矿房靠近阶段运输平巷一侧设置2.5m宽间柱，靠近伪倾斜运输平巷一侧预留3m宽间柱。矿块内在倾向方向，自上而下划分沿走向的回采条带；在同一条带由两头向中间，双工作面相向全断面掘进式回采。矿块内在垂直倾向方向，自上而下先回采上层矿，再依次剔矸和回采下层矿。由于需要在暴露顶板下作业，且不进行嗣后充填，采场顶板需要进行永久性支护。

为了减少采场作业范围，控制采场地压显现，在同一矿块内最大限度的增开作业面同时合理安排作业循环。如图1所示，以两条矿为单元同步回采；考虑到采场回采宽度较小，因此采用掘进式回采。当沿倾向上部回采单元超前完成一个矿层的回采作业时，下部回采单元便可以进行作业。沿伪倾斜运输巷道底板，在矿块两侧的下方分别掘进坡度15%～17%的巷道通达上部矿体，靠近间柱掘进断面11.7m2的伪倾斜切顶上山，为上部矿体高效开采提供作业条件。

3.2.2 超前剔矸预控顶沿走向分条阶梯式掘进房柱法

超前剔矸预控顶沿走向分条阶梯掘进房柱法如图2所示。方案2与方案1类似，本方案优先考虑剔除夹矸。开采作业在受爆破采动影响的上层矿体下作业，所以超前剔矸控制在落矿工作面20～25m范围内，以便于有效控制地压活动。沿走向条带式回采，如图2所示，在矿体一侧沿伪倾斜运输巷底板掘进17°斜坡通达夹矸层，在夹矸层内布置2.5m×

2.5m沿走向的采切平巷，用于夹矸层预剔除作业；夹矸废石通过铲运机倒入卡车运搬。采场沿走向推进式回采，崩落的上下层矿石均通过沿底板的铲运机出矿。

3.2.3 控制地压小范围沿走向分条整体推进房柱法控制地压小范围沿走向分条整体推进房柱法如图3所示。方案3采用自上而下的回采顺序。本方案Ⅰ层矿体整体以8m为进尺沿走向整体掘进式推进，最小范围内控制采动影响。在矿体一侧沿伪倾斜运输巷底板施工坡度15～17°巷道至上层矿体，在上层矿体内布置3m×3m沿走向的采切平巷，后退式回采上层矿体；矿石通过铲运机在斜坡侧溜槽倒入卡车运搬。上层矿体崩落后，对顶板进行支护后，利用浅孔剔除夹矸，夹矸废石通过伪倾斜斜坡道运至废石溜井。最后掘进式回采下层矿体，通过沿底板的铲运机出矿至矿石溜井。

3.3 采矿方法优选

研究初选的采矿方法均为房柱法，由于矿体中赋存软弱废石夹矸，其对选矿回收率影响较大，因此三种采矿方案都考虑剔除夹矸。采矿方法选择主要考虑开采安全性及开采效率，满足矿山开采及选矿技术要求。

1）方案1采用分条整体推进机械化回采，多个分条矿段协同出矿，设备利用率较高；多工作面平行作业的布置，可以在走向及倾向方向交替作业，实现多个工作面同时开采。

2）方案2考虑超前剔矸，最大限度降低贫化。但可同时开采工作面相对较少，矿块生产效率低；另外夹矸层要掘进凿岩平巷，采切比略高。

3）方案3沿矿体全断面整体小范围推进，最大限度的控制采矿地压活动。缺点是工作面偏少，没有发挥台阶回采的优势，采切比较高。

结合生产实际，综合比较三种方法（表1），推荐采用方案1预控顶沿走向条带式分层掘进式房柱法。

图1 预控顶沿走向条带式分层掘进式房柱法

图2 超前剔矸预控顶沿走向分条阶梯掘进房柱法

图3 控制地压小范围整体推进沿走向分条

表1 开采方案综合比较

4 结论

针对缓倾斜多层复杂沉积型磷块岩矿体开采技术，结合某磷矿山复杂地质和开采技术条件，综合研究分析国内外缓倾斜采矿方法，提出适用于多层矿体的机械化高效分层掘进式房柱采矿法，优化了回采顺序和房柱法落矿出矿方式。采用台车掘进式开采，综合提升了采矿技术与装备的适应性。采场走向与倾向方向的交错式开采，有效增加回采作业面，提高采矿效率。

［1］王运敏.现代采矿手册［M］.北京：冶金工业出版社，2012.

［2］芮文桐，徐德诚.认真做好磷矿采矿方法的试验研究［J］.化工矿物与加工，1984（2）：1－2.

［3］魏鹏.我国磷矿分布特点及主要开采技术［J］.武汉工程大学学报，2011，33（2）：108－110.

［4］吴彩斌，段希祥.我国磷矿石的处理工艺研究［J］.云南冶金，2000，29（4）：19－22.

［5］尹升华，吴爱祥.缓倾斜中厚矿体采矿方法现状及发展趋势［J］.金属矿山，2007（12）：9－13.

［6］王发清，刘志国.缓倾斜中厚矿体采矿方法优化选择［J］.采矿技术，2009（5）：4－5.

［7］穆江.分层开采的切顶房柱法在磨坊矿的应用［J］.矿业研究与开发，2009（6）：1－2，21.

［8］范有才.浅孔房柱法在大红山的灵活应用［J］.采矿技术，2011（5）：5－6，51.

［9］刘哲，金晓刚，刘培正.缓倾斜中厚至厚矿体采矿方法探讨［J］.现代矿业，2012（4）：20－21.

［10］肖振凯，陶柱群，张文成，等.金山金矿缓倾斜中厚难采矿体采矿方法试验研究［J］.黄金，2012，33（6）：33－35.

［11］章清涛.堑沟受矿空场采矿嗣后充填法在缓倾斜中厚矿体中的应用［J］.现代矿业，2012（8）：10－12.

Study on mining method for complicated slightly inclined multi－layer sedimentary type of phosphate ore bodies

DONG Kai－cheng，CHEN He，HUANG Dan，HU Jian－jun
（Beijing General Research Institute of Mining ＆ Metallurgy，Beijing 100160，China）

According to the specific characteristics of the complicated slightly inclined multi－layer phosphate ore bodies and the present production status，the mining method for one troublesome phosphate ore－body was studied in this paper.On the basis of the comparison of several suitable mining methods for this kind of ore－body，the paper recommends the efficient multi－layer tunneling room and pillar mining method with pre－control roof and mechanization，which can provide references for other ore－body with the similar mining technical conditions.

sedimentary type of phosphate rock；slightly inclined ore body；room and pillar method；multi－layer tunneling with pre－control roof and mechanization

贵州省科研重大专项资助（编号：20116023）；2013BAB－07B03－中低品位磷矿清洁充填与加工关键技术研究及示范项目资助

董凯程（1985－），男，工程师，主要从事金属矿山采矿工艺与岩石力学方面的研究。

TD853.34

A

1004－4051（2014）S2－0178－04

2014－10－09