复杂多空区破坏矿体的采矿方法

常 帅 任凤玉 李 楠

(1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

复杂多空区破坏矿体的采矿方法

常 帅1任凤玉2李 楠3

(1.辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

针对复杂多空区破坏矿体存在的资源难以回收、回采安全性差、回收混岩率偏高等问题，以西石门铁矿多空区矿体开采为依托，在分析原有采矿方法及平底结构不适应性的基础上，考虑顶板围岩的稳定性以及下盘矽卡岩的特点，提出了将矽卡岩作为贫矿开采以及斜进路与平底堑沟结构相结合的回采方案，并针对不同倾角与厚度条件，形成了双堑沟与单堑沟等多种不同的底部结构布置方式，适应了不同的矿体回采需求。此外，对堑沟平底结构方案的特点进行了分析，提出了适宜的配套措施，以保证回采方案的顺利实施。

多空区矿体 平底结构 堑沟 斜进路

在我国现有开采技术可获得的铁矿资源中，复杂难采矿体的开采比例逐渐增大[1]，其中，受无序开采遗留采空区破坏的矿体占有相当大的比例。上世纪80、90年代以来，我国矿产资源开发经历跨越式发展，矿业开采秩序混乱[2]，在国有大型矿山周围出现了大量的民采小矿点，它们中的多数依存于对国有大矿主矿体的盗采，乱采滥挖现象十分严重[3-6]。这些盗采活动不仅破坏了富矿资源的综合开采条件，而且遗留了大量不明采空区，对矿山的正常生产造成了极大的安全威胁。这些被破坏后的矿体包含空区数量多，而且空区形态、赋存状态也各不相同，与一般矿体相比，在资源有效开采、回采安全、回采混岩等方面具有复杂性。而现有采矿方法不能很好地适应这类矿体的开采条件，导致多空区矿体在开采过程中容易出现回采难度大、产量衔接困难、安全性低等问题。因此，依托西石门铁矿，针对复杂多空区破坏矿体的采矿方法开展研究。

西石门铁矿矿体总体呈似背斜状，脊部矿体厚大，倾角趋于平缓，两翼倾角为缓倾斜～倾斜，厚度为中厚～厚。顶板灰岩属碎裂结构，稳定性较差；底板闪长岩中等稳定；位于闪长岩与矿体之间的矽卡岩，岩性松软，极不稳定。上世纪90年代初，该矿周边开始出现民采矿点，受此影响，矿山浅部开采水平几乎都揭露出遗留的民采空区，部分深部矿体也遭破坏。这些民采活动不仅造成矿量损失，而且遗留的大量采空区增加了矿体的开采难度，严重影响了铁矿资源的综合开采利用。为此，必须积极寻求此类复杂空区破坏矿体的有效开采方法，实现矿区内资源的综合开采利用，避免矿量损失。

1 原有采矿方法适应性分析

西石门铁矿曾试验过有底柱分段崩落法、房柱法、垂直平行密集束状孔有底柱崩落采矿法等多种采矿方法[7-8]，后期逐步以无底柱分段崩落法开采为主，并在此基础上，采用“自落顶、设置回收进路”的采场结构，扩大了无底柱分段崩落法的适用范围[9-10]。但针对复杂多空区矿体，该法在生产中仍不能保证矿体的有效开采，形成大量残留。为此，结合回采经验，矿山依据无底柱分段崩落法以及原有底柱采矿方法的回采方式，设计试用了“平底结构”回收矿石。该结构具体布置方式如图1所示。该结构以3条进路为1个小单元，其中，分布于两侧的1、3进路只落矿，不出矿，中间的2进路只出矿，不落矿，出矿工作全部由设计布置的一系列与1、3进路相联通的斜岔小联巷完成，待回采结束后，将2进路作为出矿巷永久保留。该结构中进路间距采用与上分层进路间距相对应的10 m或12 m，斜岔小联巷的垂直间距一般也取10 m或12 m，其与2进路的夹角为45°～60°。

图1 “平底结构采场”横剖面示意Fig.1 The cross section of flat bottom structure

该结构在矿山多个采区的采场得到应用，在部分采场取得了一定的应用效果，但仍存在以下几个主要问题。

(1)“平底结构”中进路间距大多数为10 m，斜岔巷与进路夹角为45°～60°，造成铲运机运行过程中磨损变形大，而且斜岔巷长度明显不足，不能满足铲运机作业需求。同时，顶板灰岩流动性好，流出时可能出现人、车来不及后退而被埋的危险。

(2)部分采场斜岔巷虽布置在闪长岩内，但由于闪长岩厚度薄(如南二区72 m分层2#采场3#进路顶板闪长岩仅1 m厚)，造成斜岔巷顶板稳定性差，工人作业安全性不足，巷道变形速度较快。

(3)平底结构中的双侧进路在崩不透的情况下，容易引起地压集中，破坏工程稳定性，而且在两侧崩不透的情况下还容易引起进路间脊部体过大，残留矿量多。

针对以上平底结构存在的问题，本着尽可能提高矿石回采率以及改善采准巷道稳定性条件的原则，提出从以下2个方面改进原有回采工艺。

(1)将矽卡岩作为贫矿开采。一般靠近顶板部位的矿体品位较高、稳定性较好；靠近底板矽卡岩的品位较低、稳定性较差；矽卡岩极不稳固，但含铁；底板闪长岩稳固。将采准工程布置在稳固的闪长岩里，稳定的底部结构可降低支护成本，放出矽卡岩矿石，并有足够的时间接收上部不容易崩落的高品位矿石，可提高金属回收率。

(2)改变现有进路布置形式，采用斜进路与平底出矿底部结构有机结合的方式，以适应矿体条件。斜进路能够有效适应缓倾斜层状矿体条件，同时，通过灵活设置出矿横穿形成底部结构，适应空场出矿条件，以此满足复杂空区破坏矿体的回采要求。

2 复杂空区破坏矿体采矿方法

依据以上改进方向，同时考虑原有结构的不足，针对厚度相对较大、倾角较小的矿体，提出了以下几种改进型堑沟平底结构。

2.1 斜角联接双侧堑沟法

双堑沟斜横穿平底结构采矿方案见图2。在图2所示方案中，1#堑沟、2#堑沟逐排炮孔爆破退采，直到铲运机司机不进空场不再出矿为止，崩入空场内的矿石和悬顶后冒落的矿石，从出矿横穿放出。2条堑沟同时回采，形成连续采空区的跨度，诱使顶板围岩随矿石冒落而自然冒落，形成覆盖层。悬顶完全冒落后，从出矿横穿放出的矿石达到截止品位后即停止出矿，再按进路退采方式逐排崩落中间的出矿巷道，回收脊部残留体。出矿横穿与出矿巷道的夹角取45°～60°，为保障铲运机出矿地顺利进行，采用斗容2.0 m3铲运机出矿时，出矿横穿的长度不宜小于11 m，为此，堑沟巷道与出矿巷道的间距取12～15 m为宜。

在上述方案中，2条堑沟可以独立回采，从而能够缩短采场的落矿时间，有利于减小软弱岩层炮孔的变形破坏，容易保证落矿质量，但落矿堑沟的间距大，若爆破不好，容易在出矿巷道顶部形成支撑矿柱，使出矿巷道承受较大的压力，极易遭受破坏。为此，出矿巷道需布置在稳定性较好的底板基岩里，同时，2条堑沟的高差不能过大，矿体底板倾角以小于10°为宜。此外，双侧堑沟平底结构中，当堑沟在覆盖层下回采时，出矿横穿几乎不起作用；在空场下出矿时，斜横穿出矿的出矿口间距大，造成出矿口之间的脊部残留量大。因此，为保证回采率，矿体适宜厚度为25 m以上。

图2 双堑沟斜横穿平底结构采矿方案示意Fig.2 The flat bottom structure of double trenches and oblique ore-drawing drift

总体来说，斜角联接双侧堑沟法适合用于倾角小于10°，厚度在25 m以上的矿段。根据西石门铁矿矿体形态，此种布置方式适合用于矿体背斜形态的山脊部分。

2.2 直接联接串联堑沟法

当矿体厚度小于25 m、倾角小于10°、单个堑沟回采的空区跨度即可诱导顶板围岩自然冒落时，可采用图3所示的串联堑沟的平底结构。

图3 串联堑沟平底出矿采矿法示意Fig.3 The flat bottom structure of trenches in series connection

在图3中，当堑沟巷道1回采时，崩入空场的矿石由出矿横穿铲装，经出矿巷道1运出；在堑沟1出矿结束后，堑沟巷道2凿岩，同时将出矿巷道2与出矿巷道1贯通。在堑沟2回采时，从出矿巷道2出矿，同时掘进新的出矿巷道。这样一条堑沟一条堑沟地投入回采，每回采一条堑沟巷道，就有一条出矿巷道变成堑沟巷道，随之新准备一条出矿巷道。在正常回采时，每条巷道都有出矿与落矿的功能，先作出矿巷，后作堑沟巷。

为便于出矿横穿出矿，图3所示底部结构也要求矿体倾角不大于10°。图3结构的优点是出矿横穿的长度大，便于铲运机出矿。此外，出矿横穿与出矿巷道呈直角联接，由此减小了出矿口间距，底板脊部残留少。但采场出矿不连续，且采准巷道存留时间较长，不利于地压管理。

2.3 直角联接双侧堑沟法

为使采场出矿连续进行，同时使出矿横穿保持便于铲装矿石的长度，将图2与图3有机结合，形成图4所示的采场结构，即采用直角联接的出矿横穿，铲运机抬起铲斗到达出矿口后，先在出矿横穿倒车，调直车身放下铲斗，再铲装、运走矿石。

图4 双堑沟平底结构示意Fig.4 The flat bottom structure of double trenches

在图4的结构中，在出矿横穿与出矿巷道的联接处，增加半径3m的抹角，便于铲运机的运行。在顶板暴露面积较大的十字口部位，为保障稳定性，需作支护处理。此外，该结构中堑沟与出矿巷道的间距可比图2中的结构间距略小，但考虑巷道稳定性，取12 m为宜。

总之，在矿体厚度相对较大、倾角较小的情况下，可依据矿体变化条件在上述3种双堑沟底部结构中选取合适结构进行回采。

2.4 单堑沟底部结构

西石门铁矿矿体脊部水平以下的矿体，厚度普遍变小，而且绝大部分倾角大于10°。若布置双堑沟结构回采，则双堑沟形成上下布置结构，间距过大，不利于矿体回采及出矿作业。因此，宜采用单堑沟平底结构回采，回采方案如图5所示。

该方案将单堑沟布置在稳定的下盘闪长岩内，同时，将矽卡岩当做贫矿一起崩落回采。这样不仅利于工程稳定，而且采用崩落法将矽卡岩与矿体一起回采，利于提高生产效率。当矿体倾角较小时，采用图5(a)所示回采方案；当矿体倾角较大时，采用堑沟崩落法回采(图5(b))。当某段堑沟落矿后悬顶矿石冒不下来时，照常回采下一分段的堑沟，利用多分段回采的空间诱导顶部矿石自然冒落。冒落的矿石从出矿横穿放出，对于每一分段的出矿横穿，没矿时等待冒落，有矿时随时放出。

图5 单堑沟平底结构采矿方案示意Fig.5 The flat bottom structure of single trench

此外，当矿体倾角较小时，分段高度可取为8～10 m；当矿体倾角较大时，分段高度可取为12～16 m。不同分段高度的沿脉联巷用小斜坡道联接。

3 堑沟平底结构方案特点分析

以上(斜)岔联巷与平底结构有机结合的方式包括双堑沟平底方案以及单堑沟平底方案。其中，双堑沟平底方案通过堑沟落矿拉开诱导空间，诱导上部围岩自然冒落形成覆盖层，或是诱导上部矿体与围岩一起冒落。崩入空场的矿石与诱导冒落的矿石主要从出矿横穿放出，待堑沟巷道回采结束并形成足够厚度的覆盖层时回采出矿巷道，以回收堑沟之间的脊部残留体。

双堑沟平底采矿方案的技术要点是确保堑沟落矿时在采场内形成连续采空区，即2条堑沟的采空区互相崩透，中间不留支撑矿柱，卸掉出矿巷道的压力，否则，若在出矿巷道上部留下矿柱，将会引起应力集中，使出矿巷道容易遭受地压破坏。为在落矿时保护出矿巷道的稳定性，堑沟炮孔的边孔角不宜过小，在西石门铁矿条件下，以不小于50°为宜。此时，为完整崩落采场内矿体，需要矿体具有足够的厚度，以厚度不小于25 m为佳。

而单堑沟平底结构采矿法适宜于倾角较大矿体，此时可根据矿体厚度与倾角条件灵活选取分段高度，并可根据落矿与出矿条件灵活选取该结构中的2种布置回采方案。

此外，堑沟平底出矿采矿法，将落矿巷道布置在底板闪长岩里，将底板矽卡岩层当作贫矿开采，增大了落矿炮孔的长度，需完整崩落采场内的矿石层，因此需要大功率凿岩设备。同时，由于采准系数较大，适宜选用小型出矿设备，以减小巷道断面与出矿横穿的合理长度。

总结来说，新方案的优点包括以下几个方面：①将空场法与崩落法结合，利于提高出矿品位；②将崩落与诱导冒落相结合，利于回采成本的降低；③下盘工程布置在稳定的闪长岩内，利于采准工程稳定；④采场可靠性得到提高；⑤生产安全条件变好。

4 结 论

(1)依据原有平底结构的特点，结合复杂空区破坏矿体的赋存特征，提出将矽卡岩作为贫矿开采以及(斜)岔进路与平底堑沟底部结构有机结合的改进方向。

(2)结合西石门矿体条件，针对不同的矿体倾角与厚度条件，分别提出了双堑沟底部结构与单堑沟底部结构的回采方案，适应了不同条件下多空区破坏矿体的回采要求。

(3)(斜)岔进路与平底堑沟结合的方式形成了适合复杂空区破坏矿体条件的新型采场结构，能够较好地解决这类难采矿体的安全开采问题。

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(责任编辑 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 帅(1981—)，男，讲师，博士。

TD853

A

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