地下矿山采矿方法设计思维

杨世明

(内蒙古苏尼特右旗安全生产监督管理局， 内蒙古苏尼特右旗 011200)

以往，国内一些矿山惯用或套用一些典型而单一的空场法、充填法和崩落法方案，结果在开采地质构造复杂，矿岩松软破碎的矿体时，经常发生巷道和采场垮冒严重，矿石损失大，资源回收率很低，作业不安全，经济效益差，无法正常生产等现象。导致采富丢贫，采厚丢薄、采易丢难等问题。为此，从1990年代以来，国内冶金矿山和有色金属矿山开展了各类难采矿体采矿法的研究，产生多种新型采矿法。这既大幅度降低了回采成本和损失贫化率，同时使我国的难采矿体开采技术达到较高水平，也为采矿方法设计提供了新思路、新经验和新方向。这些采矿方法的设计思维方法，值得深入学习和推广。因此，笔者对现行采矿方法设计思维进行了系统的总结和梳理。

1 采矿方法的基本原理

金属非金属地下矿山采矿方法，是根据回采时地压的管理方法不同，将采矿方法划分为空场采矿法、充填采矿法和崩落采矿法3大类。3大类采矿方法之间的差别主要是地压管理中回采采空区处理方法不同，3类采矿方法是按结构特点和工作面形状划分为组，再根据落矿方法和工作面推进方向，将组划分为若干个典型方案。

(1)空场采矿法的特点。将矿块划分成矿房和矿柱，先采矿房、后采矿柱或不采矿柱两步骤回采。回采矿房时采空区主要依靠矿石和围岩自身的稳定性和矿柱维护。矿房回采后，有计划地回采矿柱和处理采空区。适用各类金属非金属矿山，矿体和围岩稳固是其应用的基本条件。

(2)充填采矿法的特点。分两步回采，随着回采工作面的推进，用充填材料填充采空区。充填采空区的目的主要是利用充填体进行地压管理，以控制围岩崩落和地表沉陷并为回采工作创造安全和方便的条件。充填采矿法可在工作面内手选矿石，矿柱可以用充填体代替，矿石损失，贫化较低。主要适用于有色、贵重、稀有金属矿山。不论矿岩是否稳固，均可以采用。

(3)崩落采矿法的特点。一步骤回采，以崩落围岩来实际地压管理的采矿方法，即随着矿石的崩落，强制或自然崩落围岩充填采空区，以达到控制地压之目的，这是崩落采矿法共有的基本特征。适用前题是地面允许崩落和没有自然性的矿床，围岩不稳固也可以采用。

根据3类采矿方法的特点，可以得知，采矿方法设计包括采场结构和回采工艺两大方面的内容。地压与采场结构密切相关，而地压管理则是决定采场能否顺利安全生产的关键。因此，地下矿采矿方法设计的核心是地压管理，而地压管理往往是通过采场结构、回采工艺、以及井巷工程的布置与支护来实现。

2 采矿方法的设计

2.1 采矿方法设计的基本原则

采矿设计方案要符合“安全高效、低成本、低贫损”要求。具体内容主要有以下5点。

(1)安全和良好的工作条件。保证工人在开采过程中安全生产和良好的作业条件，防止井下和地表的建筑物、主要设施和各种设备遭到破坏，防止地下水灾，自然火灾，及其他重大灾害的发生。

(2)充分、合理地开采地下矿产资源。特别对于富矿、稀缺矿床开采，要设计回收率高的采矿方法。在分期开采矿床时，要设计使后期开采的矿岩条件不遭破坏的采矿方法，有效地保护矿产资源。

(3)生产能力大，劳动生产率高。要尽可能设计生产能力大和劳动生产率高的采矿方法，减少多阶段作业，以利于生产管理和实施强化集中开采。

(4)生产成本低、经济效益高。设计采矿方法时，不仅要考虑矿石回采成本，还要考虑矿石加工成本，使采选成本低，综合经济效益好。

(5)矿山实际技术装备与管理水平。设计采矿方法时，要充分考虑矿山实际技术装备与管理水平。

2.2 采矿方法设计要素

采矿方法设计主要包括采场结构和回采工艺2大部分。

(1)采准工程设计。采准巷道按其作用不同分为阶段运输巷道、穿脉运输巷道、天井(上山)、人行材料天井、通风巷道、电耙道、采场溜井、采场充填井、凿岩井巷，等等。

(2)切割工程设计。用掘进的手段开辟回采的最初工作面和补偿空间，如切割天井、切割上山、切割平巷、拉底巷道、切割槽、漏斗，等等。

(3)凿岩爆破设计。金属非金属矿山一般均使用凿岩爆破方式进行落矿。凿孔形式有:浅孔、深孔。炮孔布置形式有:扇形孔、束状孔，水平孔、垂直孔等。

(4)回采顺序设计。根据对地压管理的需求，在回采工作中，可以采用前进或后退式回采，同时或梯次式回采。

(5)地压管理设计。主要有采切工程和矿房地压管理两个方面。一是通过留设矿柱、充填空区、崩落顶板来管理地压。二是利用各类支护方法、人工假顶来管理地压。三是利用采切工程的布置、以及采切和回采顺序来管理地压。

2.3 采矿方案设计方法

采矿方法方案设计主要有:选择性设计和创造性设计2种方法。

(1)选择性设计。依据矿床地质条件和开采技术经济条件，直接在3大类采矿方法典型方案中选择。选择性方法只适用于易采矿体的采矿方法的设计。

(2)创造性设计。首先分析和评价现行一般采矿方法，继而作深入研究，改进或革新现行采矿方法，它与国内外长期惯用的“以法套矿”的观点和体系截然相反，是根据矿山实际“因矿生法、因矿创法”。创造性设计方法多用于难采矿体采矿方法的设计。

3 采矿方法设计思维方式

笔者对地下采矿方法技术专著进行详细的研读，并对各类采矿方法的结构特点和设计思维进行整理、分析和总结，认为采矿方法的设计一般有以下38种设计思维方法。

(1)地质条件设计思维。根据矿床各类地质条件进行采矿方法设计。一是根据矿山和围岩的物理力学性质;二是根据矿体产状，如倾角、厚度和形状等;三是根据矿石的品位及价值;四是根据有用矿物在矿体和围岩中的分布;五是根据矿体赋存深度，矿石和围岩的自燃性与结块性，等等。

(2)技术经济设计思维。采矿方法的设计必须考虑企业的资金实力、技术装备和管理水平等。一是地表是否允许陷落;二是加工部门对产品的技术要求;三是技术装备与材料供应;四是采矿方法所要求的技术管理水平，等等。

(3)顺势与逆势设计思维。根据矿岩的稳固性，对矿房的顶板管理主要分为顺势与逆势2种管理方式。一是利用矿岩不稳固的特点，随着矿石的崩落，自然或强制崩落围岩充填采空区，以达到控制地压之目的，这就是顺势管理地压的思维，如崩落采矿法;二是随回采工作面的推进，用充填材料填充采空区，防止矿岩冒落，这就是逆势管理地压的思维，如充填采矿法;三是利用矿岩稳固的特点，回采矿房时采空区主要依靠矿石和围岩自身的稳定性和矿柱维护，这是先顺势后逆势管理地压的综合思维，如空场采矿法。

(4)合并与分别设计思维。在相邻矿脉、平行矿脉和极薄矿脉开采中，往往存在合采与分采的区别。一是相邻矿脉和平行矿脉开采时，矿脉的合采与分采;二是极薄矿脉的矿岩开采时，在开采矿脉的同时需要采下部分围岩，但开采过程中需要对矿和岩进行分采，等等。

(5)机械化轻重设计思维。采掘设备可分为轻型与重型设备，各自有其适用条件。一是薄矿体易采用轻型采掘设备，厚矿体采用重型采掘设备;二是采矿作业人员在矿房内进行回采作业的，一般采用轻型采掘设备，采矿作业人员在矿房外进行回采作业的，一般易采用重型采掘设备;三是大规模采矿，一般采用重型采掘设备，等等。

(6)分层与分条设计思维。在难采矿体采矿方法设计中，为管理地压，在布置回采平巷时广泛使用分层与分条的方法:一是水平和缓倾斜矿体多采用分条布置回采平巷;二是倾斜和急倾斜矿体多采用分层布置回采平巷，等等。

(7)连续与间隔设计思维。在采矿生产过程中为管理地压，在爆破和支护方面采取的一些措施。一是矿房中的矿柱布置一般可分为连续矿柱和间隔矿柱两种方式;二是在木支护棚架中可分为密集型支护和间隔型支护;三是在光面爆破时，装药可以采用连续或间隔的方式;四是连续开采技术，等等。

(8)开创空间设计思维。矿房回采必须在矿体或岩体中开凿人员作业和爆破落矿的空间。一是为矿房的回采开创自由面和提供补偿空间，崩落采矿法的切割槽，房柱采矿法的切顶、切底，留矿法和阶段矿房法中的拉底;二是为回采提供作业空间，在凿岩爆破作业中，为保证作业人员的安全，当开采矿岩不稳固或厚大矿体时，采矿人员大多在凿岩巷道和硐室内作业，当开采矿岩稳固或薄矿体时，采矿作业人员大多在回采空间(矿房)内作业，等等。

(9)沿走向与垂直走向设计思维。采矿工程可分为沿走向和垂直走向布置。一是根据矿体的厚度沿走向或垂直走向布置矿房;二是依据采用的采矿方法沿走向或垂直走向布置采准切割巷道，等等。

(10)脉内外布置采切工程设计思维。根据矿岩的稳固性和采矿方法的结构，采准和切割工程可分为脉内和脉外2种布置形式，等等。

(11)有无底部结构设计思维。矿房结构可分为有底部结构和无底部结构，矿井运输可分为有轨与无轨装运。一是有底柱和无底柱崩落采矿法;二是有底柱和平底留矿法;三是在布置采切工程时，要考虑是采用有轨还是无轨装运设备，等等。

(12)上与下设计思维。在采切工程布置和回采方向上，往往有上下之分。一是上向充填采矿法、下向充填采矿法;二是上向凿岩、下向凿岩;三是开采水平极薄矿体时，回采巷道可以布置在矿体的上、中、下部位;四是房柱采矿法中切割工程可分为上部切顶巷道和下部切底巷道两种，等等。

(13)前进与后退设计思维。矿房开采顺序和回采作业顺序，有前进式回采和后退式回采2种方式，等等。

(14)水平与垂直设计思维。在采矿设计中，一些回采巷道和爆破炮孔布置，往往采用水平或垂直布置。一是回采巷道布置，缓倾斜矿体有水平和垂直分条堑沟式采矿法，急倾斜矿体有水平分段凿岩采矿法;二是中深孔爆破设计中的水平和垂直孔爆破方法，等等。

(15)全部与局部设计思维。在采掘工程中的井巷支护、锚杆锚固、矿房回采都存在全部与局部的设计方法。一是崩落采矿法，有以矿房为回采单元和以进路为回采单元之别。二是井巷掘进中的有整体支护和局部支护之别。三是各类工程中的描杆支护的锚固方式有全长锚固和点锚固之别，等等。

(16)临时与永久设计思维。采矿工程和设施按其用途可分为临时性和永久性的。一是矿房中矿柱有临时矿柱和永久矿柱;二是井巷工程按照用途也可分为永久性工程和临时性工程;三是井巷工程支护，也可分为临时性和永久性的支护方式，等等。

(17)避开与控制设计思维。采矿工程的布置，一般要避开不稳固的矿岩，而布置在较稳固的矿岩中。当无法避开不稳固的矿岩时要采取对地压的应对控制措施，主要使用光面控制爆破，锚喷支护，超前支护，预应力描杆支护，金属U型可缩性钢架支护措施，等等。

(18)及时与暂缓设计思维。在采矿工程施工中，为有效管理地压而采取的及时与暂缓施工和支护措施，从而达到有效管理地压的目的。一是在井巷掘进中，为避免应力集中致使井巷破坏，在“T”字和“十”字巷道处留下几米暂时不掘通;二是在井巷掘进中，采用的事前支护和事后支护，事前支护有超前描杆支护，事后支护有钢木支架支护和混凝土支护，等等。

(19)直接与间接设计思维。在采矿设计中有些工程布置和地压管理，使用直接的方式无法达到预期效果，而使用间接的方式可以达到较好的效果。如，水平矿体当矿房直接顶板不稳固，而间接顶板(老顶)稳固，为有效管理地压，往往利用去掉直接顶板来充填采空区，而使用间接顶板做为矿房永久顶板，等等。

(20)遗留与回收设计思维。空场采矿法中为管理地压，往往需要留一些永久性或临时性矿柱。一是空场采矿法中留永久矿柱;二是空场采矿法中利用人工假矿柱置换矿柱;三是空场采矿法中回采结束后，部分间柱和顶柱可以回收，等等。

(21)构筑工程设计思维。为了充分回收矿产资源，某些采矿方法的采切工程不是在矿岩中开掘出来的，而是人工构筑出来的。一是单层和分层崩落采矿法中人工假顶;二是留矿法中的顺路天井和人工假底;三是胶结充填采矿法中的人工构筑的矿柱、溜井、行人和通风天井，等等。

(22)借鉴设计思维。在新型采矿方法设计过程中，往往要借鉴典型采矿方案的设计思路，不仅要从现行采矿科技论文中借鉴设计思维，同时还需要从各类采矿方法专著中借鉴设计思维，通过对采矿方法的追本朔源，常常会激发出意想不到的设计思路，等等。

(23)经验与监测试验设计思维。在采矿方法设计时，有些技术参数是依据工程类比选取的，有些却是依据试验室试验和理论计算获取的。一是最大暴露面积和最大安全跨度值的选取，以及顶柱厚度的确定，一般采用经验值选取和试验室试验与理论计算值;二是根据地压活动的监测，依据矿岩应力承载区和应力缷压区，设计采掘巷道和矿房回采顺序，等等。

(24)随变应变设计思维。在对一些走向或沿倾方向变化较大的矿体设计采矿方法时，要根据矿体的变化情况，随时调整采矿方案。一是当矿体发生复合与分支或矿体倾角发生显著变化时，在矿体复合与分支，以及倾角明显变化处都要设置矿柱;二是当矿体厚度发生明显变化时，采用不同的采矿方案，等等。

(25)先后设计思维。在开采极薄矿脉、相邻矿脉和地压复杂矿体时，回采时往往要区分开采的先后顺序。一是极薄矿脉开采顺序，先采石、后采矿，先采矿、后采石;二是在相邻矿脉开采时，先采富矿、后采贫矿，先采贫矿、后采富矿;三是缷压开采中的采掘方法有先用先掘、晚用晚掘，先拉底、后采准，先崩矿、后掘进电耙巷道;四是在矿房回采时，采用先采高应力区矿房，由从高应力区向低应力区回采，先采不稳固矿体，由不稳固地段向稳固地段开采，等等。

(26)常规与反向设计思维。常规设计思维是采切工程施工和矿房回采时一般都采用顺序的方式作业，而反向设计思维是不按常规顺序作业。一是缷压开采技术，先采矿、后掘进切割巷道;二是采矿法中先采矿柱、后采矿房;三是主动支护方法，采取先支护，后掘进的方法;四是预应力描杆、金属U型可缩性钢架支护的原理，与棚架支护和混凝土支护原理完全相反，等等。

(27)让与制设计思维。在矿山采切工程施工中，采取释放与控制地压应力相结合的手段，最终达到有效管理地压的目的。采用“先让后制”的支护方法，其原理是巷道掘进后不立即采取刚性措施来支承和控制地压，而是待地压应力得到一定程度释放后，再采取刚性措施来支承和控制地压，从而实现有效控制地压的目的。

(28)同时与梯次设计思维。在矿房回采和放矿时为管理顶板或避免应力集中，采取同时与梯次回采和放矿措施。一是无底柱崩落采矿法回采时，利用各进路梯次回采来实现有效管理地压;二是有底柱崩落采矿法和留矿采法，采用漏斗均匀放矿来实现管理地压;三是水平分段凿岩采矿法，在回采时上下分段之间保持超前距离来实现地压管理，等等。

(29)能简匆繁设计思维。采矿方案与采切工程设计，应做到“能简勿繁’。简化采切工程、提高机械化程度。例如，一是垂直平行密集束状孔落矿的有底柱崩落法，采场结构极为简单，采准工程量小，在耙矿道和斗穿中钻凿垂直向上的平行密集束状炮孔和劈漏炮孔，爆破时同时完成落矿，拉底和劈漏等项工作，大大简化了采切工程。二是在采矿方法设计时，从作业繁简和采矿成本的角度讲，首选空场采矿法，次选崩落法，最后选用充填采矿法。

(30)广泛适用设计思维。在实践中，利用垂直或水平分条堑沟式采矿法、水平分段凿岩采矿法、以及3大类典型采矿方法变形组合方案，创造出多种新的空场采矿法和崩落采矿法，而且还可以分别适用于水平、缓倾斜、急倾斜不同倾角矿体的开采。

(31)单一与组合设计思维。在开采矿岩稳固的矿体时，一般选用单一典型的采矿方案;在开采矿岩不稳固的矿体时，一般采用几种典型采矿方法组合或变形方案，并且在方案设计、施工顺序和施工方法上有所创新。如，留矿全面采矿法、空场与充填采矿联合开采法、空场与崩落法联合采矿法、分段矿房法嗣后充填法，等等。

(32)管理设计思维。开采地质构造复杂，矿岩松软破碎的矿体时，在矿房采准、切割和回采作业中，使用“强掘、强采、强出”的管理手段来进行矿房地压管理，等等。

(33)安全设计思维。采矿设计必须考虑采矿作业人员的生命安全。矿房必须有安全出口，如专用行人天井等;必须对矿房顶板进行安全管理，如采取留矿柱和打锚杆等方法;必须保持矿房有良好的通风，如设置专用回风井巷等;矿房作业面必须使用安全电压，如使用36 V和127 V电压;开采硫化矿时需要采取措施防止自燃火灾;深井开采应考虑防岩爆措施等;开采水文地质复杂的矿体时，要采取技术措施防止水患。

(34)落矿设计思维。落矿主要有爆破法和机械切割破岩法。金属非金属矿山主要落矿方式是爆破法，爆破方式根据矿体赋存条件和矿房结构等，可采用浅孔爆破法、深孔爆破法和洞室爆破法等，如束状深孔崩矿技术、大直径侧向崩落技术、条形硐室爆破、浅孔爆破法，等等。目前，机械切割破岩法主要用于软岩开采，这种破岩方法可以实现连续采矿作业。在硬岩开采中机械切割破岩法仍处于试验阶段，如:连续采矿机、冲击式采矿机和钻孔射流采矿机切割破岩法，等等。

(35)连续采矿设计思维。连续采矿是在同一个开采单元中，落矿、出矿、运矿等工序各自具有相对独立的作业条件，各工序间相互协调地在不同作业空间内平行连续进行，由此组成高效连续采矿工艺系统。主要包括矿房的连续回采、矿体(床)的连续开采、矿石的连续运送和全工艺过程的连续化四方面的内容。如:无间柱连续开采、连续推进帷幕隔离跟随充填法，水压支柱顶连续采矿法，等等。

(36)环境再造设计思维。采矿工程所处环境包括水环境、应力环境、热环境、围岩环境等。环境再造设计是通过工程技术手段或模式，再造已有采矿环境或已有的采矿环境结构，使得原本不具备或较差开采条件的矿产资源得以安全高效开采。如，下向分层充填采矿法中使用的人工假顶和假底，分段空场嗣后充填采矿法中使用的钢筋混凝土假顶和假底，深孔诱导崩矿充填采矿法中使用的人工构筑的矿壁等都使用了采矿环境再造技术。

(37)二次开采设计思维。由于采选治技术进步，原来认为没有开采价值的表外矿、贫矿、矿化围岩与氧化矿等，现具有开采价值，所以需要对矿体再次开采。矿体经过一次开采后，二次开采对象复杂，开采环境恶化，安全条件差。为此，二次开采必须对采空区和矿岩的移动破坏范围进行探测，然后依据探测资料进行采场设计与施工，采矿方法多用崩落采矿法、充填采矿，以及直接放矿法等，开拓采准巷道尽可能使用原有巷道，需要重新掘进的采准巷道一般布置在脉外，矿房设计时要尽可能不用或少用天井。另外，对于埋藏不深的矿体，进行二开采时，也可以使用地下转露天的开采方式。

(38)创新设计思维。在尊重科学的基础上，要有创新精神，敢于尝试新方法、新技术，不能被现有的采矿方法和设计思维固化，要敢于突破传统思维和方法，不断创造出新的采矿方案。如，垂直分条崩落法、深孔诱导崩矿充填采矿法、无间柱连续采矿法等一些非传统采矿法。

4 结论

采矿工作者，在详细了解和掌握每一种采矿方法的基本原理，并全面理解和熟练掌握上述各种采矿方法的设计思维，基本上就具备了创造性设计的基本素质，在此基础上再有创新意识，进一步研究、试验和寻求更佳的新型采矿方法，在设计时就够做到有新思路、新方法、新方案，能够依据各类难采矿体复杂多变性，不断创新发明“安全高效、低成本、低贫损”的各类新型采矿方法，从而实现采矿方法设计的科学化。

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