白音哈尔矿薄及中厚破碎倾斜矿体开采技术研究

刘树新 邢杰 宋德林 张娣 高旺

摘要：赋存于构造蚀变破碎带中的薄及中厚复杂倾斜矿体，具有蚀变较强，近矿围岩破碎，稳固性差等特点。针对白音哈尔矿的开采条件选择分段留矿崩落采矿法开采。根据随机介质放矿理论对矿体流动参数进行了试验测试与计算，结合放矿相似模拟试验对采场结构参数进行了分析。在岩石力学试验和现场结构面调查基础上，对破碎岩体质量指标进行了评价和岩体力学参数分析，并对回采巷道支护效果进行了数值模拟。结果表明：采用分段留矿崩落采矿法开采时，回采炮孔最小边孔角选择45°，分段高度13m时崩矿步距为2m;回采时应逐分段回采，避免多分段同时开采。研究结果可为白音哈尔矿安全高效开采提供理论支撑。

关键词：薄及中厚矿体;倾斜矿体;破碎带;分段留矿崩落采矿法;随机介质放矿理论;采场结构参数

中图分类号：TD353文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）03-0037-06doi：10.11792/hj20210307

引言

薄及中厚破碎倾斜矿体是金属矿山的难采矿体之一，由于采准工程难以形成或形成后塌冒严重等，导致采场事故率高，采矿损失贫化大[1-2]。苏尼特金曦黄金矿业有限责任公司白音哈尔矿（下称“白音哈尔矿”）2号矿脉属于薄及中厚破碎倾斜矿体，该矿体赋存标高911～1257m（地表标高1300～1400m），倾角57.0°～63.0°，平均倾角60.2°;1120m以上平均水平厚度1.80m，金平均品位3.83g/t;1120m以下，平均水平厚度4.00m，金平均品位6.86g/t。矿体产于二叠纪石英闪长岩的构造破碎带中，顶底板围岩为二叠纪石英闪长岩，蚀变较强，近矿围岩破碎强烈，大部分呈疏松土状，稳固性极差，破碎带平均厚度5.51m。对于上部薄矿体，矿山采用浅孔留矿采矿法开采，而下部矿体开采时巷道冒落事故频发，安全性差，巷道利用率低，亟需一种安全性好且适合破碎矿体开采的采矿方法。本文在对比目前该类矿体开采方法的基础上，结合白音哈尔矿开采条件选取了分段留矿崩落采矿法作为下部矿体的开采方法，并根据放矿相似模拟试验结果对采场结构参数和回采方式进行了确定，同时制定了巷道支护措施并对回采巷道支护进行了数值模拟，以期为白音哈尔矿薄及中厚破碎倾斜矿體的安全高效回采提供理论支撑。

1采矿方法选择

矿体属薄及中厚破碎倾斜矿体，赋存于北东向构造蚀变破碎带中，近矿围岩破碎，稳固性差，根据国内外该类破碎矿床开采技术现状调查[3-6]，除上向水平分层充填采矿法外，部分矿山采用静态留矿采矿法和低分段凿岩阶段空场采矿法开采。在充分考虑安全开采和节约采矿成本的基础上，根据目前相关采矿方法的应用情况、破碎矿体开采的技术难题及矿山生产组织管理现状，针对该矿山破碎难采倾斜中厚矿体提出了7种可行的采矿方案，相关采矿方法及主要技术经济指标见表1。

由于矿区周边不具备充填料供应条件，无法建立充填料生产系统，因此将充填采矿法方案排除。综合考虑安全性及采场生产能力、采矿损失贫化、采切比等关键指标，方案七——分段留矿崩落采矿法相对较优。

2分段留矿崩落采矿法

采场沿矿体走向布置，按一定分段高度划分若干回采分段，沿矿体下盘在矿体内掘进凿岩巷，在最低分段水平下盘施工出矿进路，与凿岩巷贯通。各分段水平通过下盘脉外设备井连接，排险支护在落矿的脉内巷内进行，铲运机阶段出矿，依次将上分段矿石全部崩落，矿石充满整个分段采场，部分暂不出矿，下分段回采方式与上分段相同，矿石崩落后，通过下分段出矿进路将整个阶段矿石全部运出。如此，既对采场上部围岩起到诱导冒落作用，又能对围岩产生一定的支撑作用，同时也可减弱空场下矿岩冒落产生冲击地压的危害，在覆岩下放矿。分段留矿崩落采矿法见图1。

2.1散体流动参数测定及采场结构参数

放出体形态试验是研究矿石散体移动规律的重要手段，可用来确定散体流动参数，以优化采场结构参数。根据放出体定义，达孔量的等值面即为放出体的外表面，测定散体堆体内达孔量场，就可以绘制放出体的形态。在放矿试验模型（见图2）中，逐层（间隔5cm）放置标志颗粒，每一层借助定位板固定标志颗粒的位置，由达孔量曲线确定每一层面达孔量相等的点，将这些点用光滑曲线连接起来，便可得放出体的纵剖面形态。如此绘制每个方位的放出体纵剖面图，再由这些纵剖面图绘制横剖面图，即可完整地揭示放出体形态。

由试验所得达孔量曲线确定的放出体形态见图3。

根据随机介质放矿理论，端部出矿时，由于出矿口有效流动尺寸与端壁面的双重影响，沿进路方向与重直进路方向的散体流动参数值不等，此时放出体曲面方程[7]为：

y 2β1z α1+（x-Kz α/2） 2βz α1=（ω+1）ln（h/z）（1）

式中：ω=（α+α1）/2;h为放出体高度（m）;x为放出体高度方向坐标;y为放出体水平方向坐标;z为崩矿步距（m）;α、β为沿进路方向的散体流动参数;α1、β1为垂直进路方向的散体流动参数;K为壁面影响系数。

根据式（1）对图3放出体回归拟合，可得端部放矿的散体流动参数值：沿进路方向α=1.5905，β=0.1939;垂直进路方向α1=1.1613，β1=0.3627;壁面影响系数K=0.0841;放出体流轴与端壁的夹角（θ）为5°。α<1/ln2，α1>1/ln2，表明沿进路方向放出体下部较宽、上部较窄。采用低贫化放矿方式时，h=13m的进路间距合理值为12.2～13.4m，当分段高度变化时，需根据散体流动特性适当调整出矿进路的间距。根据矿石流动性，矿体开采时回采炮孔最小边孔角选择45°，计算得出分段高度13m时崩矿步距为2m。

2.2放矿相似模拟试验及回采方式

模型按1∶50的比例进行设计，主要由以下几部分组成：框架、炮孔边孔角挡板、步距插板及回采进路（见图4）。模型有2个出矿口，每个出矿口对应的进路分为18个步距，它的内部空间由前后两侧的板、上下盘边壁和底部整平板合围而成。上盘侧板按预先设计切细缝，插入薄钢板作为步距插板。进路口上方留有细缝，插入薄钢板作为进路挡板。将矿岩破碎筛分后，根据所示的矿石级配数据确定试验所需的最大矿石量和废石量，试验前保证模型底板水平，先装下分段矿石，装填前，将下分段进路放好并按要求将设计的步距插板插入。在装填过程中，先称量装入步距内的矿石，并记录其质量。待下分段矿石装满后，安装上分段可拆卸的进路，并插入进路盖板和上分段步距插板。将上分段矿石装至提前标记的高度后，再装入废石。根据上下分段放矿的顺序，设置了不同工况下的放矿模拟试验，对仅由一个分段放矿和上下分段在不同错开步距下开采的矿石回采率数据结果整理对比，结果见图5～7。

通过数据分析对比可知：仅由一个分段放矿时，分段高度20m比分段高度40m的矿石回采率明显增加，平均增加了20百分点，废石混入率明显降低，平均降低了6百分点;可见小分段高度回采指标要优于大分段高度，因此适宜采用小分段高度进行回采。当上下分段错开不同的步距同时开采时，随着上下分段错开步距的变小，上、下分段矿石回采率均降低，废石混入率均升高，而且对下分段的矿石回采率与废石混入率的影响更为显著，表明上下分段相错间距越小，废石引入下分段速度越快，致使下分段废石混入率越高，矿石回采率越低;和仅由上分段放矿对比，当上下分段错开不同的步距同时开采时，上分段矿石回采率和下分段矿石回采率均有所降低，但上下分段废石混入率变化不明显。因此，回采时应逐分段回采，避免多分段同时开采。

3巷道支护模拟

矿体顶底板蚀变较强，近矿围岩破碎强烈，大部分呈疏松土状，稳固性极差，对位于矿体中的巷道采用顶板注浆加固和锚杆支护，并配合金属网与拱形支架的支护方式。在岩石力学试验和现场结构面调查基础上，进行了破碎岩体质量指标评价和岩体力学参数分析，并对回采巷道支护进行了数值模拟。

3.1岩体力学参数

由于结构面的存在，试验测得的矿岩物理力学参数（见表2）比实际岩体的数值要大，所以要解决实际的工程问题，还需要對试验测得的岩石力学参数进行折算，以贴近实际的岩体力学参数。

采用岩体综合分类方法[8]，矿体总RMR评分值为35，围岩总RMR评分值为60，按总RMR评分值确定的矿体级别为Ⅳ级，评价为质量较差岩体;围岩岩体级别为Ⅲ级，评价为质量一般岩体。

3.2模拟及结果分析

矿体分类为Ⅳ级不稳定围岩，松动圈范围为200～300cm，属于大松动圈，应采取必要的支护，以保证在凿岩和出矿过程中的安全。

凿岩巷道断面为半圆拱形，跨度2.3m，高度2.8m，左侧巷道位于靠近下盘围岩的矿体中，右侧巷道位于距左侧巷道水平距离15m处的下盘围岩中。数值计算模型见图8。

巷道开挖后未进行任何支护时，巷道顶板及两帮受到较大的应力，发生较大的位移，由于矿体的内聚力和强度较低，所以巷道顶板变形较严重，以至于在计算过程中由于变形大，网格畸变导致计算无法收敛。底板发生的位移较小，巷道开挖后整体垂直方向应力与位移模拟结果见图9、图10。

巷道开挖后没有进行及时支护，左右两侧巷道周边在掘进后垂直方向都产生了一定的位移，其中拱顶处位移值最大，分别达到了24.84mm和12.08mm;从巷道拱顶到两侧，位移逐渐减小，且左侧巷道受到的应力也较大，需要对巷道顶板重点加以支护。

对位于矿体左侧巷道的顶板进行注浆加固和锚杆支护，并配合金属网与拱形支架，模型见图11、图12，支护后拱网所受应力与垂直位移见图13、图14。

由模拟结果分析可知：支护后，左侧巷道拱部转角处应力较大，其中拱顶处位移值最大，分别达到了10.41mm和5.17mm，从巷道拱顶到两侧，位移逐渐减小;左右两侧巷道周边垂直方向的位移明显减小，且左侧巷道支护后，同时改善了右侧巷道的受力状况。

4结论

1）结合工程实例中薄及中厚破碎复杂倾斜矿体的开采技术难题，分析对比了相关可行的采矿方案及技术经济指标，优选出适宜于白音哈尔矿开采的分段留矿崩落采矿法。

2）在散体流动参数测定试验和放矿相似模拟试验基础上，对矿体流动参数、采场结构参数和回采方式进行了分析论证，采用低贫化放矿方式，分段高度13m时，进路间距的合理值为12.2～13.4m，矿体开采时回采炮孔最小边孔角选择45°，崩矿步距为2m。回采时依次将上分段矿石全部崩落，部分出矿，下分段回采方式与上分段相同，矿石崩落后，通过下分段出矿进路将整个阶段矿石全部放出。

3）对矿岩质量进行了综合评价并分析计算了岩体力学参数，按总RMR评分值确定的矿体级别为Ⅳ级，评价为质量较差岩体;围岩岩体级别为Ⅲ级，评价为质量一般岩体;且相对于矿体岩石力学试验结果，其岩体力学参数明显降低。

4）模拟计算了脉内凿岩巷锚杆与金属支架联合支护效果，结果表明支护后拱顶处位移值由24.84mm降到了10.41mm，且左侧巷道支护后，同时改善了右侧相邻巷道的受力状况。

[参考文献]

[1]STAZHEVSKIISB.Featuresofflowofbrokenrockinextractionoforeswithsublevelcaving[J].JournalofMiningScience，1996，32（5）：403-416.

[2]刘少武，张宝，李永辉，等.分段留矿崩落法在破碎矿脉群开采中的应用[J].采矿技术，2016，16（2）：1-3，13.

[3]孫东东，张治强，常帅，等.大结构参数无底柱分段崩落法结构参数优化研究[J].中国矿业，2018，27（1）：105-108.

[4]易善华.低品位破碎矿体崩落法开采技术改进与应用[J].有色金属（矿山部分），2018，70（1）：10-13.

[5]任国义，李小民.静态留矿采矿法在二道沟金矿的应用[J].有色矿冶，2009，25（6）：13-15.

[6]安龙，李元辉，徐帅.急倾斜薄矿脉崩落法开采矿岩散体流动规律研究[J].中国矿业，2019，28（12）：104-109.

[7]任凤玉.随机介质放矿理沦及其应用[M].沈阳：冶金工业出版社，1994.

[8]韩现民，李晓，王红霞.基于GSI的节理岩体力学参数评价[J].矿业研究与开发，2010，30（1）：19-21.

[9]HOEKE，BROWNET.Practicalestimatesofrockmassstrength[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences，1997，34（8）：1165-1186.

Abstract：Thethinandmediumthickcomplexinclinedorebodiesoccurringinthestructuralalterationbrokenzonehavethecharacteristicsofstrongalteration，brokensurroundingrockneartheore，poorstabilityandsoon.OnthebasisoftheminingconditionsofBaiyinhaerMine，sublevelshrinkagecavingminingmethodisselectedformining.Theorebodyflowparametersaretestedandcalculatedaccordingtotherandommediumoredrawingtheory，andbasedonthesimilarsimulationtestoforedrawing，thestopestructureparametersareanalyzed.Onthebasisofrockmechanicstestandonsitestructuralplaneinvestigation，thequalityindexofbrokenrockmassisevaluatedandtherockmassmechanicalparametersareanalyzed，andthesupporteffectofminingroadwayisnumericallysimulated.Theresultsshowthatwhenthesublevelshrinkagecavingminingmethodisadopted，theminimumsideholeangleoftheblastholeis45°，andthecavingstepis2mwhenthesublevelheightis13m;thesublevelminingshouldbedonestepbysteptoavoidmultistagesimultaneousmining.TheresearchresultsprovidetheoreticalbasisforsafeandefficientmininginBaiyinhaerMine.

Keywords：thinandmediumthickorebody;inclinedorebody;brokenzone;sublevelshrinkagecavingminingmethod;randommediumoredrawingtheory;stopestructureparameters