含夹层或软弱破碎带难采矿体协同开采技术研究

解联库 万串串 熊代余 王建文

（1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819；2.北京矿冶科技集团有限公司，北京100160；3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京100160）

受成矿期不同阶段地质条件影响，矿体接触交代、分支复合现象较为普遍［1-2］，局部经常伴有夹层或者软弱破碎带等介质，主要表现为上盘破碎带、下盘破碎带或中间夹层等。此类矿体开采通常面临作业条件恶劣、采切工程量大、生产效率低下、损失贫化严重、资源浪费严重等诸多问题，极大限制了矿体的安全高效开采［3-6］。为此很多学者在含夹石矿体或软弱破碎矿体开采理论、工艺技术以及稳定性分析等方面进行了大量研究，取得了很多成果。周科平等［7］基于对采矿工程系统复杂性、动态性和非线性特性的深刻认识，提出了“采矿环境再造”理念，即突破传统采矿方法设计思想的限制，应用新的理论、方法和技术，营造一个良好的矿岩开采环境，最终实现软破矿体的高效回采。周骥［8］根据夹石层在矿体中的不同赋存条件，推荐采用分采分运、混采分运以及弃之不采等开采方案。李朝辉［9］根据凹地苴矿区双层矿体赋存特点，提出了上层矿房柱法、下层矿中矿浅孔组合开采方案，取得了理想的效果。杨立根［10］结合夹层难采矿体、松软难采矿体的开采技术条件，系统性提出了各类矿体安全高效低贫损、低成本采矿设计的创新技术思路，突破了“以法套矿”的陈旧观念和习惯的束缚，提高了矿山的经济效益。马春华等［11］、金鹏等［12］针对倾斜厚大的破碎矿体，提出了一种空场嗣后充填与水平分层充填法相结合的开采方案，减小了上盘围岩暴露面积，提高了矿石回采率与开采强度。夏建波等［13］针对梁花阱铜矿Ⅲ号急倾斜厚矿体顶板局部破碎情况，提出上盘2 m 厚分层浅孔留矿法回采、下盘矿体阶段矿房法回采的开采方案，相比于原分段凿岩阶段矿房法，提高了回采率与出矿品位。罗周全等［14］针对传统缓倾斜多层矿体，提出了一种深孔合采井下矿废分离连续采矿法，采用大直径深孔合采矿岩、矿岩集中分离、连续采矿等技术，有效克服了传统采矿方法的弊端。吴爱祥等［15］、韩斌等［16］针对汤丹铜矿体及围岩松散、破碎的基础条件，采用化学注浆预加固方式，提高了岩体强度及矿体完整性，实现了软弱破碎矿体的安全高效开采。

综上分析，针对含夹层或软弱破碎带等难采矿体，虽然部分矿山在一定程度上实现了对该类矿体的安全高效开采，取得了较为理想的经济效益，但现阶段大部分矿山生产仍缺乏“协同性”考虑，即未能从含夹层或软弱破碎带等难采矿体的时空关系或者地压协同管理角度进行系统性研究，对采矿工艺进行深度优化。因此亟需创新软破难采矿体安全高效协同性开采理论与方法，以更好地指导矿山生产作业。

1 含夹层或软弱破碎带难采矿体协同开采技术思路

2011年 12 月国内学者陈庆发等［17-21］正式提出了“协同开采”理念，根据该理念，拟开采矿床可能存在影响有序开采的灾害因素（如空区、破碎带、地下水、粉尘、瓦斯、高硫）或者想要实现其他工程目的，可采取合理的技术措施（如优化采矿方法及工艺参数、灾害安全防控技术与措施等），实现资源开采与灾害防控协同高效处理，促进矿产资源低损失贫化、安全高效、绿色生态综合开发利用。任凤玉等［22-23］、李海英［24］针对露天转地下过渡期安全条件差、产量衔接困难等问题，提出了挂帮矿地下诱导冒落法开采、坑底矿露天延深开采的连续转接过渡模式，提出了挂帮矿诱导冒落法开采理论与露天地下安全协同开采技术，改善了挂帮矿安全生产条件，提高了矿山露天转地下过渡期的生产能力。聂兴信等［25］针对地下急倾斜薄矿脉群，基于“协同开采”理念，设计了集群连续化充填协同开采方法，试验取得了良好效果。陈阳等［26］考虑到矿山使用崩落法和充填法协同开采，同时顾及到技术经济、采场稳定性等因素，通过比较协同开采系统协同度的大小来优选采矿方法。本研究认为，“协同开采”就是基于系统思维，优化彼此关系，实现资源开采、灾害防控及其他工程行为之间的合作、协调，促进矿山开采系统输出最佳的协同效应。

针对含夹层或软弱破碎带等难采矿体的开采，一般采用两类不同的采矿方法进行适应性开采，或者通过注浆预加固等方式固化矿体达到合一开采的目的。但大部分矿山受地质特征、作业安全、采矿成本等因素制约，通常采用采易弃难的回采方式，造成了矿产资源的永久损失。基于此，本研究提出了一种含夹层或者软弱破碎带难采矿体协同开采技术，即预先回采夹层或软弱破碎带，实现回采工序协同作业以及地压协同管理，从源头上消除安全隐患，为后续矿体开采创造安全的技术条件，突破复杂难采矿体传统采矿设计思路的制约，最大化发挥协同开采的技术价值。以国内某磷矿与某铜多金属矿为例，围绕含夹层或软弱破碎带难采矿体协同开采技术的实际应用进行分析。

2 协同开采技术应用实例

2.1 某磷矿开采技术方案

2.1.1 开采技术条件

某磷矿是一个矿体边界平整、厚度负变小、岩体相对稳固的大型磷块岩矿床，属于急倾斜中厚至厚大矿体。矿体走向NE27°左右，总体倾向SE。矿段水文地质条件中等偏简单，岩溶发育较为微弱，以溶蚀裂隙充水为主，涌水量较少。

区内矿层走向长约3 km，同时赋存a、b两层矿。a层矿平均厚11.48 m，平均品位25.34%，坚固性系数f=6～8。b层矿平均厚17.35 m，平均品位23.29%，坚固性系数f=8～10。两矿层之间赋存一稳定夹层，主要由含磷白云岩、硅质团块磷块岩等组成，总厚1.38～5.25 m，平均厚2.59 m。区内矿层顶板为含磷硅质团块白云岩，矿层底板是含磷白云岩，坚固性系数f=11～13，稳固性较好。由于顶底板围岩及夹层中含有MgO、CO2等杂质，对P2O5选矿回收指标有较大影响，因此矿石开采过程中需严格控制贫化指标［27］。

2.1.2 协同开采技术思路

考虑到区内矿体为两层急倾斜中厚矿体，中间夹层厚度为1.38～5.25 m，平均厚2.59 m，基于系统工程思维和协同开采理念，通过夹层剔除与切割槽作业协同实施，以及a层矿与b层矿协同开采，有利于减少采切工程投入，提高开采效率，降低矿石贫化。具体思路为：①厚度L≤2 m 的夹层，与a、b层矿直接混采，夹层不剔除；②厚度2 m＜L≤4 m 的夹层，首先在夹层内施工切割井，再利用布置在切割井附近的大直径深孔进行高分段爆破成槽，对夹层进行预剔除，破顶层夹层混采；③厚度L＞4 m 的夹层，直接利用大直径深孔进行VCR 爆破成槽，对夹层进行预剔除，破顶层夹层混采。

2.1.3 推荐的开采方案

根据国内外类似矿体安全高效开采技术现状，同时结合选矿工艺对矿石贫化指标的要求，当矿体为急倾斜厚大矿体时，矿块垂直于矿体走向布置，划分矿房、矿柱二步骤回采，采场宽15 m，长度为矿体厚度（含夹层），阶段高度为70 m。a、b层矿与夹层协同开采时，采用下行式大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法，夹层预先剔除，可以满足绿色矿山建设与可持续发展要求。上部中段布置深孔凿岩硐室，选用潜孔凿岩台车从凿岩硐室底板向下凿大直径深孔至受矿硐室顶板。按照上述协同开采技术思路，在不增加工程的前提下，进行夹层预剔除与切割槽作业同步实施，可有效降低采出矿石的贫化率，保证入选矿石品质。切割槽形成后，a、b层矿采用倒梯段侧向爆破协同回采，铲运机在下部受矿硐室集中装矿。出矿完毕后，矿房采场用全尾砂胶结充填，矿柱采场用废石或尾砂非胶结充填。开采方案如图1 所示。上下中段采场回采结束后，此时底柱等被上下矿房充填体包裹，可考虑进行底柱、三角柱等残矿回收。底柱回收采用小分段空场法嗣后充填采矿方案，上向中深孔爆破落矿，铲运机出矿；三角柱主要采用进路充填法回采。

2.1.4 应用效果评价

为减少废石混入采出矿石，该矿原计划采用分采分运的分段空场嗣后充填采矿法，千吨采切比为132.3 m3/kt，矿块采准切割作业时间长，且增加了矿块采切工程费用。采用a、b层矿与夹层混采的大直径深孔空场嗣后充填采矿方案后，尽管可以有效增加矿块生产能力，但是矿石贫化率高达10%（夹层混入率为12.5%），同时降低了P2O5选矿回收指标。通过对原有开采方案进行改进，采用含夹层难采矿体协同开采技术方案，即夹层预剔除与切割槽作业协同实施，a层矿与b层矿协同开采。根据矿山生产数据统计，千吨采切比降为88.2 m3/kt，矿石贫化率降为5%（夹层混入率为6.3%），计充填时间的矿块综合生产能力为410 t/d，主要技术经济指标明显优于原方案。因MgO、CO2等杂质混入量减少，从而间接提升了P2O5精矿品质。

2.把好引种和繁殖关。一是在引进种兔时，要做好引种计划，应到有种兔经营许可证的正规种兔场引种，不可到疫区特别是患有兔球虫病严重的或饲养管理条件较差的种兔场引种；选种时应选择外貌符合该品种特征，系谱档案资料齐全，精神良好，行走姿势正确，耳朵转动灵活，被毛光洁，毛短齐密，无皮肤病等的种兔，种兔年龄应选择4～5月龄的青年兔。二是在配种繁殖时，要做好配种繁殖计划，配种时间宜选在1～4月份、8～12月份等阶段，气温较高时应安排在早晨和夜间的8～10点，气温低时可在上午9～10点或在晚上7～9点，配种时期还应避开高温多雨季节；此外，配种前最好先对种兔的粪便进行检测，患有球虫病的种兔不得用于配种繁殖。

2.2 某铜多金属矿开采技术方案

2.2.1 开采技术条件

某铜多金属矿床以矽卡岩型矿体为主，角岩型矿体为辅。矽卡岩型矿体特征表现为上陡下缓，较陡部分矿体为靠近地表的铅锌矿体，倾角为60°～70°；较缓部分矿体为深部隐伏铜钼矿体，倾角≤20°。该矿一期工程范围内较陡的矽卡岩型铅锌矿体进行露天开采；二期工程范围内较缓的深部矽卡岩型铜钼矿体采用地下开采方式，划分3 个标段同时开采，目前已转入地下大规模生产。

二期工程揭露表明：部分开采范围存在节理裂隙、小溶洞和软弱破碎氧化带等构造，破坏了矿体的完整性，现有的分段空场嗣后充填采矿法无法满足该软弱破碎氧化带的开采要求，因此，针对此种情况，本研究基于“协同开采”理念制定相应的开采方案［28-30］。

2.2.2 协同开采技术思路

基于“协同开采”理念，本研究发展了一种软弱破碎氧化带矿体协同开采方法，即一步骤采场使用尾砂高强度胶结充填，通过一步骤采场进路胶结充填与地压协同管理，为二步骤采场深孔分段空场嗣后充填开采提供安全的围岩条件，使得原本不具备使用分段空场嗣后充填采矿法的破碎矿体可以采用高效率采矿方法。该方法主要针对软弱破碎氧化带矿体回采，并可延伸回采氧化带两侧的稳固矿体，实现软弱破碎氧化带矿体安全高效回采，同时可选择与氧化带两侧的稳固矿体进行合采或分采，工程布置灵活性好。

沿破碎氧化带矿体走向依次划分盘区、盘区间柱，在每个盘区内垂直走向依次划分一步骤矿柱采场、二步骤矿房采场。其中一步骤矿柱采场水平方向由两个并行进路构成，竖直方向的进路数量由分段高度决定，采完即充，形成充填体置换条柱；盘区内一步骤矿柱采场采充完毕之后，转为二步骤矿房采场回采，由于采场两侧为一步骤尾砂胶结充填体，开采环境得到改善，因此二步骤矿房采场采用长锚索预加固的下向平行深孔嗣后充填的高效采矿方法，采场高度提高至一个分段高度，采场顶部施工凿岩硐室，采场底部施工拉底硐室。在采场拉底的同时，采用全长注浆锚索对破碎矿体进行全加固，施工凿岩硐室时留点柱，与长锚索共同支撑凿岩硐室顶板的安全。采用大孔径下向深孔进行拉槽、侧崩，遥控铲运机出矿，尾砂非胶结充填。开采方案如图2所示。

2.2.4 应用效果评价

该矿新建了40 000 t/d 选矿厂，为保障选矿厂充足供矿，矿山需要满负荷生产，故目前主要开采Ⅰ标段矿体和Ⅱ、Ⅲ标段的稳固矿体，破碎氧化带矿体尚未正式开采。目前基于环境再造理念的破碎氧化带矿体协同开采技术方案已得到矿山认可，正在进行回采工业试验。经测算，破碎氧化带矿体协同开采方案相比进路胶结充填采矿法，损失贫化指标会稍有增加，采场综合生产能力将由65 t/d 提高至90 t/d，开采成本由230 元/t 降低至200 元/t。该协同开采技术方案有望突破传统的、低效率的破碎矿体上向或下向进路充填采矿法开采制约，为破碎难采矿体开采创造出一种新的协同开采技术方案。

综上所述，针对软弱破碎氧化带矿体的地质赋存特征，基于地压协同或环境再造理念，提出了软弱破碎氧化带矿体协同开采方法，即一步骤采场使用进路尾砂胶结充填开采，为二步骤采场分段空场嗣后充填开采提供安全的围岩条件，使得原本不具备使用分段空场嗣后充填采矿法的破碎矿体可以采用高效率采矿方法，可有效解决软弱破碎氧化带矿体的安全高效开采难题。

3 结 论

（1）针对广泛存在的含夹层或者软弱破碎带矿体的开采难题，提出了一种含夹层或软弱破碎带难采矿体协同开采技术，即预先回采夹层或软弱破碎带，实现回采工序协同作业以及地压协同管理，为后续矿体开采创造安全的技术条件，突破了传统的、低效率的难采矿体采矿方法制约，最大化发挥了协同开采的技术价值。

（2）以国内某磷矿与某铜多金属矿为例，系统阐述了含夹层、软弱破碎氧化带难采矿体协同开采的技术思路，以夹层剔除与切割槽作业协同实施为核心，制定了矿体内含不同厚度夹层与上下盘矿体的协同开采方案；同时发展了一种软弱破碎氧化带矿体协同开采方法，为软弱破碎氧化带难采矿体开采提供了切实可行的方案。回采工业试验表明，减少了采切工程量，降低了矿石贫化指标，满足了绿色矿山建设与可持续发展的要求。

（3）未来将围绕协同开采理论与工艺技术、深井开采应力协同基础理论、复杂难采矿体协同开采技术等方面，进一步丰富与提升协同开采的理论体系和实践价值，促进采矿工艺的变革与创新。

致 谢

本研究在现场调研及实施过程中，得到了瓮福（集团）有限责任公司甄云军、杨胜波和西藏华泰龙矿业开发有限公司陈国良等同志的支持，在此一并表示感谢！