铁矿缓倾斜厚大矿体采矿技术的分析

王青文

（河钢集团矿业有限公司承德黑山铁矿，河北 承德 067412）

金属矿山有三种比较常用的采矿方法，包括空场法、崩落法、充填法等，当然这些方法都是相对比较传统的方法。中国工程院院士指出在当前全球经济恢复缓慢、中国经济结构深度调整的态势下，全球和中国矿业都进入一个相对困难的时期，开拓先进的、非传统的采矿新理论、新技术，是振兴金属采矿业的必由之路。

1 典型开采方法

1.1 崩落法

如引言部分所述，金属矿山采矿技术中有三种非常常用的技术方法，崩落法是其中之一。崩落法是一种回采过程当中不划分矿房和矿柱，随着回采工作面的推进，用强制或自然崩落围岩填充采空区，以实现采场地压管理的采矿技术方法。

在崩落法采矿中，需要沿着矿体边界开挖环形运输巷道，在矿体的上或下盘开挖切割空间，并在堑沟中向上凿钻炮孔，并进行爆破，后退回采。采场结构相对简单，一条航道多种用途，采掘工作量较少，采矿成本优势较好。

就崩落法而言，目前形成了多种类型的技术方法，如单层崩落法、分层崩落法等，这些方法都有共同的特点，即不再将矿块划分为矿房矿柱，而是以整个矿块为一个单元，按照一定的顺序开采。回采过程中围岩自然或强制崩落，直接在覆盖岩石的直接接触下放矿，因而存在矿石损失贫化大的不利影响，需要对放矿进行科学的管理。该方法对矿山的影响较大，因为采取崩落法必须要允许地面塌陷。

1.2 空场法

空场法一般需要将回采单元划分出矿房矿柱，且分两步回采，先采矿房，再采矿柱，矿房采空区一般先不处理，依靠矿柱和围岩的稳固性来维护。

空场法设计中需要按矿石、围岩特性、回采工艺以及设备等，确定矿块的结构尺寸以及回采顺序，如此才能有利地压管理和安全生产。

其中结构尺寸主要包含顶柱高度、间柱宽度、底柱高度、阶段高度、矿房长度与宽度，一般矿体厚度20m以内，矿房宽度可设计为矿体的厚度，若矿体厚度在20m以上，则矿房长度可设计为矿体的厚度。回采方面包括落矿（爆破方式），矿石搬运两个环节，一般要求从中央向两端开采，或从两端向中央开采，但顺序不同结果会不一样，需要借助数值分析。矿房采空后需要及时回采矿柱，并且有效处理采空区，这种方法工艺简单，生产能力较强，作业条件相对较好，但需要留设大量矿柱，矿石损失率较大，而且必须要及时跟进采空区处理，否则将造成矿柱承受压力巨大，一旦超过极限就会导致破坏，地表塌陷成必然。

1.3 充填法

充填法是根据回采工艺要求，用充填料将采空区回填，进而控制采场地压，支撑围岩，控制采空区围岩破坏和移动，同时充填体保护采区，进行回采作业。

充填法需要按照矿床开采技术条件和回采方案确定充填料回填工艺，一般包含分层充填、嗣后充填。该方法可以有效回收矿柱，矿石损失率较低，且废料可以直接回填，顶板相对稳定，对地表影响较小。

2 铁矿缓倾斜厚大矿体采矿技术

2.1 缓倾斜厚大矿体采矿技术思考

埋藏浅、质量好品位高的铁矿资源随着开采的日趋深入而减少，开发并利用深埋藏、条件差的铁矿资源成为关键点。近期我国开发的铁矿矿山大多数都是厚大第四系下的矿床，比如安徽霍邱地区的铁矿床、山东莱芜地区、固家台、淮北地区等等。据相关资料的不完全统计，厚大第四系下的矿床拥有50亿t的铁矿储量。厚大第四系下铁矿床通常具备如下一些特点，缓倾斜～急倾斜，矿体厚度薄～厚大同存，矿体资源量一般在几千万吨至数亿吨。矿床的上部覆盖物巨厚，且基本都是第三、第四系松散沉积物，地表地形平坦，通常多数都开发出来作为农田，明显若按照崩落法来开采这些矿体，很可能造成地表沉降，甚至塌陷。实际上不管是崩落法还是其他方法，缓倾斜厚大矿体的开采都必须要确保地表不塌陷、不沉降或减缓沉降，因而对于这类矿体的开采必须要选择合理的采矿技术方法。

基于缓倾斜厚大矿体的特点，从近些年国内开发的矿场所采取的采矿方法以及相关的研究来看，这一类采场环境差，安全程度低，国内比较常用的缓倾斜矿体主要采取房柱法、全断面法、长臂式崩落法、短壁式崩落法等，这些方法都有一些典型特点，如需要凿岩、需要爆破、需要支护、需要有效运输，但这些环节必须要在采场大面积暴露的顶板下进行，稍有不慎就会出现落石、冒顶或垮顶事故，尤其是开采缓倾斜厚大矿体时，采矿人员需要在高空区下作业，无法检查并排除顶板上的浮石，作业环境非常差，安全程度很低。同时不论采取何种方法，目前都要遇到顶板管理上的难题，包括采场合理跨度如何确定，采场顶板、底矿柱、矿石点柱参数不好确定，一般采取保守参数，矿石容易损失，而且采空区该如何处理也是个难题。

所以不管采取何种采矿技术，都需要明确以下几个要求。其一，安全。所选采矿技术方法应当能够改善作业环境，提高安全性。

其二，尽量使用无轨采掘设备，提高生产能力，因而在采切工程布置时需要考虑相应的便利条件。

其三，建设少废甚至零废矿山，因为缓倾斜厚大矿床赋存的位置，地表很多都是农田，开采活动会对周边造成巨大影响，因而选择的采矿方法必须要满足废石回填采空区的要求。

其四，地表不能塌陷或沉降。一般而言需要采矿方法合适而且回采顺序合理。例如矿床隐伏在厚大第四系松散岩层下，且地表存在村庄、农田不能使用崩落法。而缓倾斜厚大矿体所属矿山规模通常都比较大，也不宜采用工艺复杂的充填采矿方法。空场采矿方法相对来说也不是最合适的，但却拥有最大的优化空间，可以设计空场法，矿房采空后，用废石嗣后充填到采空区，这种方法是空场法和充填法各自优势的结合。同时要注意回采的顺序一般而言从上至下是比较常用的顺序，但是缓倾斜厚大矿体显然不能按照此种顺序，因为会影响地表，且采区容易发生事故，在开采过程中必须要对采空区进行及时处理，用废石或尾砂充填，回采顺序应当转变为由下到上，因为矿体上下盘围岩一般都比较稳固，因而下层采空后立即用尾砂、废石胶结充填，错动范围不会影响上盘的开采和采准巷道，但需要根据具体地质情况做支护。

2.2 适合缓倾斜厚大铁矿开采的技术分析

基于前述思考，本节列举部分适合缓倾斜厚大铁矿的开采技术。

其一，分段空场采矿嗣后充填方法。这种方法比较适合矿体倾角在20°～40°，8m以上厚度，顶板围岩稳定，底板围岩稳固的矿体。矿块按照矿体走向进行布置，长度可设定为100m，并划分两个采场，并布置6m宽矿石间柱，间柱内开路上山，同时该路与矿房、矿柱采场的沟相连，作为通风通道。采场设定44m净长度，高度50m，按4矿房、4矿柱标准布置。巷道按由下到上的回采顺序依次布置，每12.5m可布置一条沿走向的运输巷道，这条巷道要与斜坡道连接，巷道内每8m设置出矿进路并与矿房、矿柱的凿岩巷道连通，凿岩巷道宽度3m。按无轨运输水平，抬高10m，便于放矿，回采与运输水平之间设置矿石溜井与人行天井。回采时结合矿体倾斜角度从下向上回采，然后先采相邻矿柱，采后空场立即回填，充填体养护结束，回采矿房。回采中利用凿岩台车配合凿岩机打深孔，利用乳化油炸药爆破。安全爆破后铲运机在出矿进路铲矿运走。矿柱采空后可使用1：6尾砂胶结料，从上山路铺设充填管深入矿柱采空区进行充填，充填养护时间需要1个月～2个月。合格后开采矿房，并处理矿房采空区，可用1：12灰砂比的尾砂胶结料填充。

其二，对于倾角0°～10°，8m～20m厚度，顶板、底板围岩稳固的矿体可采用矿房采空嗣后充填方法。具体是先沿矿体走向布置盘区，长度100m为宜，并划分4矿房、4矿柱。盘曲沿矿体的倾向长度宜为100m，端部应当预留8m矿柱。矿柱围岩内需要布置一条运输巷道，该巷道需要与采区贯通，矿柱顶板下矿体内需要设置回风、充填的巷道，该巷道要与运输巷道平行，处于其正上方。一对矿房矿柱采区设置一条共用联络巷道，两侧布置出矿进路，该进路需要与矿房矿柱凿岩巷道贯通。凿岩巷道中部位置需要设置切割井，用作回采作业的初始作业面。回采时先以矿体倾向方向为基准，先采下盘，下盘采空并填充废石、尾砂后再采上盘。沿走向的回采则要求后退回采，盘区内隔一采一，即先采矿柱，再采矿房。回采工艺则与上一个方法相当。采空区充填需要设置充填巷道，充填料与上一个方法的相当。

2.3 仿真分析

基于上述几个针对缓倾斜厚大铁矿开采技术的分析，为了进一步明确其合理性，采取仿真分析方法，选取某铁矿山为例进行研究，该矿山早期使用的是崩落法，因为不够安全，崩落法逐步被取消，需要一些新的方法来开采缓倾斜厚大矿体。该矿山主矿体垂直厚度20m～40m，最厚位置达到63.58m，最薄位置进2.61m，平均厚度为27.07m，较稳定，因为无底柱分段崩落法已经不适应矿山要求，因而变更采矿方法，因此模拟盘曲分段凿岩空场嗣后充填、盘曲无矿柱分段凿岩空场嗣后充填、盘区大直径深孔空场嗣后充填和盘区无矿柱大直径深孔空场嗣后充填四种方法进行仿真分析。经过仿真分析盘曲分段凿岩空场嗣后充填方法是该矿山最优化的缓倾斜厚大矿体开采技术方法，数值分析上位移的变化量受采区宽度的影响，不过选对方法后总体唯一变化值小，在相同的100m长度下，矿柱宽度8m，采区宽度设置13m、15m、17m分别仿真，三种宽度均能保证安全，但最安全的是13m，但空间相对狭窄，环境较差，15m是一个合适范围，同时这个宽度范围也能保证塑性破坏区范围小，稳定性有保证。

3 结语

综上所述，金属矿的开采方法有多种，这些方法各有优劣，但单纯的崩落法、空场法、充填法都不是很适合缓倾斜厚大矿体的开采，因此采取综合性的方法，一般为空场法与充填法优势的综合，经过本文的分析，目前综合采矿方法，是最优势的方法，既能保证安全，也能保证生产能力。