上橫山緩傾斜多層釩礦合理采礦方法探討

林坤峰，柯麗華，馬志偉

（1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢，430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢430081）

1 上橫山釩礦開采技術條件

上橫山礦區(qū)位于江西省彭澤縣城南部約20km。礦區(qū)內(nèi)巖漿活動微弱，褶皺和斷裂構造較發(fā)育，以斷裂構造為主。

礦區(qū)圈定釩礦體12個，產(chǎn)狀極緩，既有直接露出地表或近地表礦體，又有埋藏于地下數(shù)十米的深部礦體，賦礦標高為＋92m～＋245m。礦體與區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀近于一致，總體向南緩傾，礦體多呈層狀、似層狀平行產(chǎn)出，少數(shù)呈透鏡狀產(chǎn)出，傾向150°～220°，傾角5°～25°，主礦體長約615～952m，傾向延深103～223m；厚度一般為0.81m～5.54m，最大厚度為7.27m，最小厚度為0.69m。賦礦巖石主要為灰黑、黑色炭質(zhì)頁巖、（含）炭質(zhì)頁巖和（含炭）硅質(zhì)頁巖。V3、V4、V5、V8和V11為5個主要釩礦體，有用組分分布均勻，V2O5平均品位為0.7%～0.89%。

礦體圍巖和夾石巖性主要為炭質(zhì)頁巖、頁巖、硅質(zhì)頁巖和硅質(zhì)巖，V2O5品位一般為0.12%～0.56%，最高可達0.67%，少數(shù)為0.02%～0.14%。圍巖和夾石中釩礦化較普遍，可回收利用。礦體圍巖和夾石為硅質(zhì)巖時，礦體與圍巖和夾石界線清晰，肉眼容易區(qū)分。

礦區(qū)水文地質(zhì)條件較簡單，但巖溶發(fā)育，對礦床充水有一定的影響，開采時應注意防止坑道涌水。礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬簡單—中等類型，但區(qū)內(nèi)部分地段山坡較陡，巖石裂隙較發(fā)育，易產(chǎn)生崩塌及滑坡，應注意預防地質(zhì)災害的發(fā)生。礦區(qū)賦礦巖石和頂?shù)装鍑鷰r均為頁巖類，少量圍巖為硅質(zhì)巖，薄層狀層理及頁理極發(fā)育，巖石易沿層理剝離。巖石松軟系數(shù)＜0.75，屬軟化巖石，易破碎，巖石天然單軸抗壓強度＞30MPa，巖石堅硬強度屬一般，坑道內(nèi)需用木材或水泥進行支護，防止塌頂。

2 上橫山釩礦開采中面臨的問題

上橫山釩礦體傾角5°～25°，厚度一般為0.81～5.54m，最大厚度為7.27m，最小厚度為0.69m，屬于緩傾斜薄－中厚礦體，礦體V2O5平均品位不高，為0.7%～0.89%。由于礦體的沉積賦存特征，礦體為多層排列分布，礦體的層理結構復雜和弱面發(fā)育，難以提高采礦強度和采場回采率，不易降低噸礦投資額、貧化率，采場地壓控制難度大、采礦成本高。為此，在上橫山多層釩礦高強開采過程中，應重視以下問題。

2.1 地壓控制

上橫山多層排列緩傾斜?。泻竦V體的礦層夾石厚度不一，故各礦層之間的間距變化大。同一階段中，各礦層開采的先后順序不同，礦層間的擾動影響程度必然各有差異，且隨其間距改變而變化。同時，若階段高度變化，礦層間距變化帶來的擾動影響也隨之改變，因而增加了地壓控制難度。此外，為實現(xiàn)高強開采，同時進行多個礦塊回采時，易形成大面積的空區(qū)。由于頂板及圍巖的穩(wěn)固性一般，開采后暴露的空區(qū)面積過大，若不及時采取有效的地壓控制措施，易出現(xiàn)頂板冒落等安全問題。

2.2 貧化與損失

根據(jù)礦體規(guī)模、礦體形態(tài)復雜程度、構造復雜程度和礦床有用組份分布均勻程度等，該釩礦的工業(yè)指標如下：V2O5的邊界品位為0.5%，V2O5的最低工業(yè)品位為0.7%，最小可采厚度為1m，夾石剔除厚度不小于2米。本區(qū)礦體圍巖和夾石巖性主要為炭質(zhì)頁巖、頁巖和硅質(zhì)頁巖，少數(shù)為硅質(zhì)巖，除硅質(zhì)巖外，礦體與圍巖和夾石大多界線不清晰，肉眼不易區(qū)分，但礦體圍巖和夾石中釩礦化較普遍，一般越接近礦體，釩的含量越高，其V2O5品位一般為0.12%～0.56%，最高可達0.67%，少數(shù)為0.02%～0.14%?？梢姡岸鄬优帕?、緩傾斜薄－中厚和層間距離的變化”等礦體賦存特征，以及礦床有用組份分布特點，使得貧化和損失的控制難度加大。

2.3 高強開采工藝的系統(tǒng)有效性

結合該礦生產(chǎn)要求，礦山生產(chǎn)能力需達到3000t／d，開采強度大，故機械化程度要求高、同時開采的礦塊數(shù)量增加。針對緩傾斜礦體的開采，崩落礦石不能自溜，礦石搬運設備的選擇成為高強開采工藝有效實施的關鍵環(huán)節(jié)之一。其次，同時開采的礦塊數(shù)量增加，地壓控制及采空區(qū)的處理成為安全生產(chǎn)的重要因素，故應針對該礦賦存特征合理選擇采礦方法和優(yōu)化開采順序。另外，由于礦層間距隨階段高度變化，使得礦層開采順序帶來的擾動影響也隨之改變，故采礦方法的確定應具有更大的適應性。

綜上所述，上橫山多層釩礦高強開采過程中，應妥善處理好地壓控制、損失與貧化和開采工藝的系統(tǒng)有效性等問題。為此，本文遵循安全高效、充分回收礦床資源的原則，針對上橫山釩礦的礦床賦存特點，提出一種分層連續(xù)分采嗣后充填采礦方法，以便提高該釩礦生產(chǎn)能力、降低損失和貧化、有效控制地壓、優(yōu)化開采順序、合理的控制礦層間相互影響的程度，最終有效地實現(xiàn)高強、安全、低貧化的開采過程。

3 上橫山釩礦采礦方案設計

3.1 上橫山釩礦采礦方法的初選

3.1.1 類似礦山采礦方法應用現(xiàn)狀及趨勢

通常采用房柱法、底盤漏斗采礦法和充填采礦法等方法［1］對緩傾斜多層礦床進行開采。其中，房柱法具有采準切割工程量小、坑木消耗少、安全靈活可靠、技術簡易可行等優(yōu)點，但由于礦柱礦量所占比重較大造成礦石大量損失，以及由于采場多以耙礦絞車出礦使得采場工作效率偏低、采場生產(chǎn)能力偏小等缺點。底盤漏斗采礦法具有生產(chǎn)能力大、采礦工效高、采礦成本低等優(yōu)點，但由于掘進底盤漏斗使得擴漏工程量大、礦體形態(tài)適應性差、勞動強度大，以及由于中深孔鑿巖落礦造成礦石損失貧化大等缺點。充填采礦法方法具有效率高、機械化程度高、作業(yè)安全、礦石損失貧化小、礦體形態(tài)適應性強等優(yōu)點，不足之處是由于充填料費用偏高而導致充填成本較高。針對緩傾斜多層礦床的開采方法呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：其一是針對其礦體傾角緩，逐步使用鑿巖、采場運搬等無軌自行設備，提高采場工作效率，保證采礦高效性；其二是針對礦山生產(chǎn)規(guī)模小，研究多礦塊同時作業(yè)，并控制礦石的損失貧化，提高生產(chǎn)能力，擴大礦山生產(chǎn)規(guī)模；其三是進一步完善連續(xù)充填采礦工藝，盡量避免間斷出礦，保證回采與充填的連續(xù)性，提高采場工作效率，安全合理控制地壓［2－5］。根據(jù)當前連續(xù)開采工藝環(huán)節(jié)和連續(xù)作業(yè)程度的應用情況，連續(xù)開采主要表現(xiàn)在以下四個方面：礦房的連續(xù)回采、礦體的連續(xù)開采、礦石的連續(xù)運輸、全工藝過程的連續(xù)化［6－7］。

3.1.2 上橫山釩礦開采方案的設計思路

針對上橫山礦體賦存特點，結合類似礦山的生產(chǎn)經(jīng)驗和地表不允許冒落的基本要求，初步選擇充填法。為了更好地解決該礦面臨的上述三個問題，實現(xiàn)高效安全連續(xù)開采勢在必行。本文基于上橫山釩礦復雜的賦存條件，提出一種分層連續(xù)分采嗣后充填的采礦方案。該方案采用注漿膠結回填廢石處理采空區(qū)，合理控制地壓，確?；夭晒ぷ靼踩M行；利用膠結廢石支撐采空區(qū)，有效地支撐頂板巖層的同時，最大限度的回收礦產(chǎn)資源，提高礦石回收率；通過分層分采，合理控制采幅，礦石和夾石分別回采，減小礦石的損失貧化；應用無軌設備出礦，提高采場的生產(chǎn)能力。

3.2 上橫山釩礦的典型采礦方案

3.2.1 開采順序

考慮上橫山釩礦體與區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀近于一致，總體向南緩傾的賦存條件，在符合上橫山多層礦體的安全開采的前提下，要有利于采場地壓管理，采取從上盤向下盤推進的開采順序，在傾向上先采上段－北部，再采下段－南部，即形成由北向南，自上而下的開采順序。將上橫山礦床沿走向布置盤區(qū)，在階段上采用中央向兩翼前進式推進開采，從靠近主要開拓巷道的礦塊開始回采，向井田兩端邊界依次連續(xù)推進開采，一步驟回采礦體。

3.2.2 礦塊結構參數(shù)

由于礦體傾角5°～25°，變化范圍較大，且根據(jù)盤區(qū)斜長來確定階段高度會導致垂直方向存在不確定性，為了便于整個礦山階段的劃分和管理，在整個采場結構參數(shù)確定中，保證階段高度不變，根據(jù)階段高度來確定盤區(qū)斜長。因此，在開采時，初步確定階段高度30m，根據(jù)不同礦體傾角下的盤區(qū)斜長不同，可計算盤區(qū)斜長在74～344m之間。考慮上橫山主礦體長約615～952m，傾向延深103～223m的整體賦存實際情況，將盤區(qū)的范圍劃分為：在走向上從主井到兩邊排風井的距離為其長度，在傾向上為80～100m，即劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個盤區(qū)。各個盤區(qū)劃分礦塊作為獨立回采單元，礦塊垂直走向布置，礦塊尺寸為：礦塊斜長為80～100m，沿走向長度為15～25m，高度為礦體厚度，最小開采厚度控制為1.5m。其盤區(qū)布置圖如圖1所示。

圖1 盤區(qū)布置圖

3.2.3 采準和切割

盤區(qū)出礦運輸平巷沿礦體走向布置在脈外，在礦體內(nèi)布置切割平巷，作為崩礦的自由面，同時可作行人、通風和排水等用。上山多布置在礦塊邊界處，沿走向每隔30～50m掘礦石溜井，聯(lián)通切割平巷和脈外運輸巷道。

3.2.4 回采工藝

上橫山礦體厚度一般為0.81～5.54m，最大厚度為7.27m，為?。泻竦V體，采用7655鑿巖機打垂直炮孔，炮孔直徑Φ40～50mm，孔深視礦體厚度和夾石厚度而定。采用淺孔2＃巖石炸藥，起爆采用雷管或非電雷管、導爆管起爆。

具體回采步驟如圖2所示，先爆破夾石層，然后運至上分段作為充填料，開采夾石層一段距離后，再爆破礦石層，以礦體厚度一次爆破回采礦體，礦石直接運至溜井，提升至地表。然后利用上分段對采空區(qū)充填，廢石回填后注漿膠結。爆破后形成的廢石堆與礦石堆相隔一定距離，保證運輸互不干擾，礦石堆與充填區(qū)用隔墻擋板隔住，保證充填、出礦工序獨立進行作業(yè)。

圖2 分層充填采礦法剖面示意圖

針對上橫山釩礦高強開采，其開采效果需要先進的無軌設備來保障。鑿孔設備、鑿巖設備、鏟裝設備及輔助設備等成套化、機械化、無軌化應用于該礦山，能保證該礦山大規(guī)模、高效安全開采。爆破礦層后各盤區(qū)采用1臺斗容4m3無軌電動鏟運機將爆破下來的礦石運至盤區(qū)運輸巷道的溜井中，盤區(qū)運距150～250m，鏟運機出礦能力90～100t／h，盤區(qū)生產(chǎn)能力720～800t／d，四盤區(qū)同時開采，滿足上橫山釩礦生產(chǎn)能力。

Ⅰ、Ⅱ盤區(qū)超前Ⅲ、Ⅳ盤區(qū)回采兩礦塊，各盤區(qū)礦塊按上述步驟依次開采，礦塊連續(xù)銜接開采。盤區(qū)內(nèi)進行爆破作業(yè)時，其他各工序作業(yè)停止，待工作面通風安全后再進行礦石的出礦、礦層、夾石層鑿巖、廢石充填工作。堅持“即采即充”，回采礦石的同時充填采空區(qū)；堅持“分采分運”，礦層夾石層分別鑿巖爆破，分別運輸。鑿巖爆破、礦石出礦、廢石回填保持一致性，各個工序彼此間獨立且循環(huán)有序地進行，保證回采工藝的連續(xù)進行以及出礦的連續(xù)性，實現(xiàn)一步驟的高效采礦及井下采礦作業(yè)的合理集中和規(guī)模化開采，提高采場生產(chǎn)能力，擴大礦山生產(chǎn)規(guī)模。礦塊作業(yè)即采即充，充分保證充填的連續(xù)性以及縮短采空區(qū)暴露時間，避免采空區(qū)長期存在帶來重大的安全隱患，有利于采場地壓的管理控制，為井下工人勞動生產(chǎn)率的提高創(chuàng)造良好條件；廢石直接回填，減低充填成本、提高充填效率；分采分運連續(xù)作業(yè)，控制采幅、單采礦石，降低礦石貧化率。

3.3 適用條件

采用高效率的采、裝、運無軌設備，使得該方法成為一種高效、高回收率的采礦方法。它適用于地表需要保護、圍巖穩(wěn)固性一般、礦體層狀產(chǎn)出的礦床，此外，對生產(chǎn)需求大、礦石損失貧化要求小的礦山較適用。

4 結論

上橫山緩傾斜多層釩礦體，礦體賦存條件復雜，開采面臨問題較多，難以滿足礦山安全、高強、低貧化開采。研究提出的分層連續(xù)分采嗣后充填采礦法，不僅適用于該釩礦體復雜的賦存地質(zhì)條件，且其采礦工藝流程較之國內(nèi)外同類礦山常規(guī)采礦方法有以下特色：

1）地壓管理安全。連續(xù)充填工藝使上橫山礦床不易面臨大面積采空區(qū)的情況，礦塊即采即充減少圍巖暴露的時間，礦塊注漿膠結充填可以支撐頂板，此連續(xù)充填工藝利于采場地壓的管理控制，為井下工人勞動生產(chǎn)率的提高創(chuàng)造良好條件。此外，廢石直接回填，減少廢石井外排放，節(jié)約運費、占地費用及保護地表環(huán)境，巷道頂板不需要大面積支護，大大降低充填與支護成本。

2）礦石貧化損失小。礦塊以礦體厚度開采，采幅度得以控制，分采分運，減小廢石混入率，大大降低礦石貧化率；不留設礦石礦柱，最大限度地回收礦產(chǎn)資源，提高礦石回收率。

3）盤區(qū)高強開采。鑿孔設備、鑿巖設備、鏟裝設備及輔助設備等成套化、機械化、無軌化應用于上橫山礦山，使得盤區(qū)生產(chǎn)能力和勞動生產(chǎn)率達到較高的指標，保證該礦山作業(yè)的連續(xù)性及高效性。

分層連續(xù)分采嗣后充填采礦法利用注漿膠結廢石支撐頂板巖層，控制地壓，確?；夭晒ぷ靼踩贿B續(xù)回采、出礦，提高采礦效率；單采礦石，控制采幅，分采分運，減小貧化等優(yōu)點，對上橫山釩礦安全、高強、低貧化開采具有一定的借鑒和指導意義。此采礦方法思想對同類礦山礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用具有參考價值，其采場具體結構參數(shù)有待進一步試驗研究。

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