矿岩不稳固急倾斜极薄矿体采矿方法优化实例

林荣平，李 真

(1.山西紫金矿业有限公司，山西 忻州市 034302；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

义兴寨金矿是山西省最大的一座黄金矿山，属于矿岩不稳固急倾斜极薄矿体，矿体平均厚度0.44 m，倾角85°左右，矿体及周围3～4 m围岩完整性较差，属较软岩。

矿山现主要采用分层采矿法进行矿体开采，存在劳动强度较大，损失、贫化较大，采场通风效果差等问题，且随着矿体开采深度的增加，地压作用对于生产安全的影响越来越大。

1 现有采矿方法概述

矿区内含金石英脉带主要赋存于太古代斜长角闪岩包体、黑云角闪斜长片麻岩中，现存主要矿脉为0(m0)，1，2，3，5(5-Ⅰ)，6，22(m22)等7条矿脉。矿体群总体走向355°，上部矿体倾向东，倾角80°左右，中部向东陡倾，倾角88°，深部倾向西，倾角89°或直立，矿体平均厚度为0.44 m。矿体及其围岩呈陡倾状，矿体及周围3～4 m围岩岩石完整性差，属较软岩；远离矿体围岩，为坚硬或较硬岩体，完整程度为较完整。矿区水文地质条件中等，工程地质条件中等，环境地质条件复杂。

矿山目前主要采用分层采矿法开采(见图1)。

(1) 矿块布置与结构参数。矿块沿走向布置，阶段高度50 m，矿块长度50 m，采幅宽为0.8 m，每分层高度为6～7 m。留设顶柱6 m，间柱6 m，不留底柱。

(2) 采准、切割工程。采场沿矿体走向布置，沿脉运输巷道位于矿体下盘，断面规格为2.3 m×2.4 m。在采场两侧掘进人行通风天井，断面规格为1.5 m×2.0 m，沿每个分层向人行通风天井掘进人行联络道，断面规格为0.8 m×2.0 m。沿外运输平巷向矿体内切割巷道掘进出矿进路，断面规格为2.0 m×2.3 m，出矿进路间距为6 m。

图1 分层采矿法

(3) 回采工艺。采准切割工程完成后，自上往下开采，从每分层拉底层空间开始，凿岩采用YT-28型气腿式凿岩机凿上向浅孔，每分层一次性凿岩，孔深4.5～5.0 m。采场爆破采用2#岩石乳化炸药，非电导爆管起爆。

(4) 主要技术经济指标。矿块生产能力：50 t/d；矿石损失率：18%；矿石贫化率：50%。

(5) 生产过程中存在的问题。一是矿石的运搬主要采用人力小推车运至采场溜井，溜井放矿也主要依靠人力进行，采矿劳动强度较大，劳动效率较低；二是矿石回采在空场下进行，且矿岩稳固性较差，采场作业面安全性较差；三是分层采矿法实际损失率约为15%～20%，贫化率约为40%～60%，损失贫化较大。

2 采矿方法优化

根据矿体的产状、赋存条件、顶底板的稳固性及采矿技术水平，结合矿山生产实际，参考国内外同类矿山生产经验及发展趋势，初步选择适合义兴寨金矿开采的采矿方法有：削壁充填采矿法、浅孔留矿采矿法(嗣后充填)、分层采矿法(嗣后充填)和上向水平分层充填采矿法[1]。

2.1 采矿方法优选

比较分析初选的削壁充填采矿法(方案1)、浅孔留矿嗣后充填采矿法(方案2)、分层采矿嗣后充填法(方案3)和上向水平分层充填采矿法(方案4)4个方案，得到各采矿方法主要经济技术指标(差异部分)如表1所示。

表1 初选采矿方案各指标统计

由表1可知，上向水平分层充填采矿法(方案4)生产能力较大，矿石的贫化、损失率低，采用尾砂对采场进行充填可以保障矿体回采的安全。因此，对于厚度≥0.40 m的矿岩不稳固急倾斜极薄矿体选择上向水平分层充填采矿法进行开采。

2.2 采矿方法优选结果论证

对于初选的4种采矿方法，采用层次分析法和模糊数学理论进行优选结果论证[2]。

(1) 模糊综合评价步骤。运用模糊数学原理优选采矿方法的步骤如图2所示。

图2 模糊数学原理优选步骤

(2) 方案集的建立。本次采矿方法优选的4个方案为：削壁充填采矿法(方案1)、浅孔留矿嗣后充填采矿法(方案2)、分层嗣后充填采矿法(方案3)上向水平分层充填采矿法(方案4)，由此确定方案集为A：A={方案1、方案2、方案3、方案4}。

(3) 采矿方法综合评价模型。选取影响采矿方法选择的13个因素作为评价指标，即：采矿直接成本(X1)、损失率(X2)、贫化率(X3)、生产能力(X4)、采切比(X5)、采矿工效(X6)、方案灵活适应性(X7)、工人熟悉程度(X8)、实施难易程度(X9)、作业安全程度(X10)、通风条件(X11)、劳动强度(X12)、爆破对充填体影响(X13)[3-5]。各方案评价指标体系层次结构模型见图3，评价定量指标值见表2。

图3 指标体系层次结构模型

表2 各方案评价指标值

(4) 指标权重及隶属度矩阵的确定。根据AHP基本原理，查阅相关文献，并与专家和现场技术人员协商，分析矿山已有的资料以及实际观测值，构造目标层对应于准则层和准则层对应于指标层的判断矩阵。确定了各准则和各指标的单排序权重后，对评价系统进行层次总排序和一致性检验。层次总排序结果见表3所示。

表3 层次总排序结果

本文中的评价指标既含有定性指标又含有定量指标。由于定性与定量指标隶属度的确定方式不同，故针对评价指标分为两部分进行分别确认。定量指标隶属度采用公式确定隶属度函数；定性指标隶属度采用二元比较法求其隶属度矩阵[6]。得到指标体系的隶属度矩阵R。

(5) 模糊综合评判。本文所采用的模糊综合评判的基本公式为：B=W•R。式中•代表合成算子。采用加权平均型合成方式，通过单因素评价得到的隶属度矩阵R和权系数W，选择乘与有界和算子得到：

由模糊综合评判的最终结果可知方案1～4的优选度分别为：73.3%、68.6%、59.5%、79.7%。由最大隶属度原则可知各方案选择优先次序为：方案4>方案1>方案2>方案3。模糊综合评判结果表明：对于厚度≥0.40 m的矿岩不稳固急倾斜极薄矿体推荐采用上向水平分层充填采矿法是合理的。

3 上向水平分层充填采矿法[1，7-8]

采矿方法图见图4。

图4 上向水平分层充填采矿法

(1) 矿块布置与结构参数。矿块沿走向布置，阶段高度50 m，矿块长度100 m，采幅宽为0.8 m，分层高度为2 m。不留间柱和顶柱，留底柱5 m，下一中段采场回采时同时回采。

(2) 采准切割工程。采准切割工程包括充填回风井、出矿平巷、泄水平巷、切割拉底平巷、溜矿井和人行泄水井。充填回风井位于采场中央，直径为2 m。出矿平巷位于采场中央，泄水平巷位于采场两侧布置，出矿平巷及泄水平巷断面规格均为2.0 m×2.3 m，溜矿井和人行泄水井为顺路架设，直径均为1.5 m。

(3) 回采工艺。采准切割工程完成后，从拉底层空间开始，凿岩采用YT-28型气腿式凿岩机凿上向炮孔，孔深2.2～2.4 m。采场爆破采用2#岩石乳化炸药，非电导爆管起爆。采场新鲜风流由采场两端的人行泄水井进入采场，清洗工作面的污风后经充填回风天井排至上中段回风巷。对于顶板不稳固的采场，采用锚杆加金属网的方式支护，确保采场的稳定与安全。

(4) 采场充填。采场进路出矿结束后进行充填作业。充填作业前顺路加高人行泄水井和溜矿井，并吊挂采场充填管。拉底平巷2 m高采用灰砂比1∶4，浓度为72%左右的分级尾砂胶结充填，作为人工假底；其他分层采用分级尾砂非胶结充填，上部0.2～0.3 m采用灰砂比1∶4，浓度为72%左右的分级尾砂胶结充填。

(5) 主要技术经济指标。矿块生产能力为45 t/d，矿石损失率为5%，矿石贫化率为50%。

4 结 语

上向水平分层充填采矿法不留顶柱和间柱，底柱也在下中段回采时进行回收，实现了无矿柱开采，大幅度提高了矿石回采率，有效降低了矿石的贫化损失；采用电耙出矿降低了采矿劳动强度，提高了采矿效率。且采用分级尾砂进行采场充填，对空区进行有效的治理，控制了采场地压，确保了生产安全。通过实践证明，上向水平分层充填采矿法技术先进、安全性好、经济较合理，为同类矿山开采提供了技术经验。