緩傾斜多層復(fù)雜沉積型磷塊巖礦體采礦方法研究

董凱程，陳 何，黃 丹，胡建軍

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

緩傾斜多層復(fù)雜沉積型磷塊巖礦體采礦方法研究

董凱程，陳 何，黃 丹，胡建軍

（北京礦冶研究總院，北京 100160）

根據(jù)某磷礦礦區(qū)緩傾斜復(fù)雜多層沉積型磷塊巖礦體的具體特點(diǎn)以及礦山生產(chǎn)情況，對(duì)其進(jìn)行采礦方法研究，提出了幾種適合此類礦體開(kāi)采的采礦方法，經(jīng)比較優(yōu)選出適用于礦體開(kāi)采的預(yù)控頂機(jī)械化高效分層掘進(jìn)式房柱采礦法，為國(guó)內(nèi)其他類似開(kāi)采技術(shù)條件的礦體提供借鑒。

沉積型磷塊巖；緩傾斜礦體；房柱法；預(yù)控頂機(jī)械化分層掘進(jìn)

中國(guó)磷礦資源非常豐富，截至2012年年底，我國(guó)磷資源總量接近500億t，基礎(chǔ)儲(chǔ)量30.74億t，占世界探明儲(chǔ)量的5.52%，居世界第2位。我國(guó)磷礦探明儲(chǔ)量中，沉積型磷塊巖（膠磷礦）占總儲(chǔ)量的85%，且大部分成礦時(shí)代久遠(yuǎn)，巖化作用強(qiáng)，礦石膠結(jié)致密，約有75%以上的礦層為薄至中厚層分布，通過(guò)傾斜至緩傾斜方式采出，開(kāi)采與選礦難度大，往往造成貧損率高，資源回收率低，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、大型化開(kāi)采。隨著露天可采的近地表資源日漸枯竭，磷礦開(kāi)采逐步轉(zhuǎn)向地下；但是緩傾斜多層薄至中厚礦體開(kāi)采技術(shù)難度大，且我國(guó)磷礦資源品位低，巖體賦存條件復(fù)雜，亟待研究安全高效、經(jīng)濟(jì)合理的采礦方法，為更好地開(kāi)發(fā)我國(guó)磷礦資源和維持行業(yè)穩(wěn)定快速發(fā)展提供技術(shù)保障［1－4］。

1 礦床地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 礦床地質(zhì)條件

該磷礦呈層狀賦存于寒武系下統(tǒng)麥地坪組中下部，開(kāi)采深度為＋1335～＋880m標(biāo)高，礦層連續(xù)穩(wěn)定，呈緩傾斜西傾，傾角10～24°。工業(yè)礦床主要有Ⅱ礦層（上層）和Ⅰ礦層（下層）兩層礦，Ⅰ、Ⅱ?qū)娱g夾石厚5～7m。Ⅱ礦層：結(jié)構(gòu)單一，區(qū)內(nèi)礦層延長(zhǎng)2000余米，沿傾斜最寬達(dá)800余米，均厚約2.65m，厚度變化系數(shù)48.73%。Ⅰ礦層：為多層結(jié)構(gòu)中厚礦體，沿走向延長(zhǎng)3500 m，沿傾向最寬處達(dá)1000 m。根據(jù)礦體賦存狀態(tài)及礦石類型，Ⅰ礦層又分為上層礦體（厚4～5m）、夾矸層（中層，均厚1.5m）、下層礦體（均厚4m），各礦層連續(xù)穩(wěn)定。夾矸層為含磷水云母黏土巖，遇水軟化，且SiO2（47.17%）含量高，對(duì)選礦作業(yè)及生產(chǎn)成本影響極大。通過(guò)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，綜合考慮地下水、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、應(yīng)力狀態(tài)等主要因素對(duì)巖體質(zhì)量的弱化，巖體質(zhì)量級(jí)別分別為：Ⅰ礦層為Ⅳ級(jí)巖體，巖體質(zhì)量較差，Ⅱ礦層及夾層巖組為Ⅲ級(jí)巖體，屬中等質(zhì)量巖體，頂板及底板巖組為Ⅱ級(jí)巖體，巖體質(zhì)量較好。

1.2 水文地質(zhì)條件

礦床主要充水含水層為礦層直接頂?shù)装搴畬?，屬以溶蝕裂隙及溶洞為主的巖溶充水礦床，含水層賦水性中等～強(qiáng)。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，屬單斜構(gòu)造，地形地貌條件有利于自然排水，區(qū)內(nèi)無(wú)大的地表水體分布，最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高930m。絕大部分礦層位于最低侵蝕基準(zhǔn)面以上，礦床屬地下平硐開(kāi)采，礦坑水可自行排泄，礦床水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單～中等類型。

2 礦床開(kāi)采技術(shù)條件

Ⅱ?qū)颖〉V體連續(xù)穩(wěn)定，頂板較穩(wěn)固，與Ⅰ層礦間隔層狀連續(xù)夾石。Ⅰ層礦巖體破碎，黏土巖軟弱夾矸層為采掘工作帶來(lái)了安全隱患，且開(kāi)采空高＞10m；受制于資源稟賦及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件，Ⅰ礦層回采過(guò)程中要求剔除該軟弱夾矸層，礦體被夾石層及夾矸層縱向打斷，所以中厚磷礦體要作為多層薄礦體進(jìn)行回采。可見(jiàn)Ⅰ礦層回采受制于自身巖體條件、資源稟賦、Ⅱ礦層及夾矸的存在，為采礦方法研究形成了更為苛刻的技術(shù)條件。綜合考慮，確定Ⅰ、Ⅱ礦層雙系統(tǒng)回采，重點(diǎn)研究Ⅰ礦層在多層復(fù)雜巖體條件下的采礦方法。

礦體屬于海相沉積磷塊巖緩傾斜中厚礦體，其采礦方法在國(guó)內(nèi)外都是一個(gè)技術(shù)難題。采礦方法不僅滿足上下礦層安全協(xié)同開(kāi)采，同時(shí)生產(chǎn)能力達(dá)到200萬(wàn)t/a。采礦新方法如何提高單礦塊生產(chǎn)能力，提高上下開(kāi)采穩(wěn)定性，與礦石運(yùn)輸提升系統(tǒng)有效銜接也是采礦工藝研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

3 采礦方法選擇

3.1 采礦方法初選

縱觀國(guó)內(nèi)外緩傾斜礦體采礦方法，主要為房柱法、底盤漏斗法、充填法以及爆力運(yùn)搬、電耙留礦法［5－6］。此類礦體開(kāi)采朝著大型化、機(jī)械化的方向發(fā)展，大部分礦山采用了充填法開(kāi)采［9－11］。根據(jù)該磷礦體地質(zhì)賦存特征和開(kāi)采技術(shù)條件：賦存角度在10～24°之間，不具備大規(guī)模采用爆力運(yùn)搬采礦方法的條件；礦山現(xiàn)建設(shè)階段沒(méi)有建設(shè)充填系統(tǒng)，處于開(kāi)采初期未形成大面積采空區(qū)，地表允許堆存尾礦及廢石，所以現(xiàn)階段暫不考慮充填采礦法；采區(qū)范圍為多層礦體，Ⅱ?qū)拥V較薄，與Ⅰ層礦夾石層厚度平均5～7m，Ⅰ層礦由于需要全面剔除軟弱夾矸層，形式上要分為上下兩層礦體開(kāi)采，各礦層間隔不足以布置底盤漏斗，對(duì)多層礦整體采礦工藝實(shí)施要求苛刻、難度大；礦層間隔較小，對(duì)電耙硐室的布置也非常不利，結(jié)合礦山設(shè)計(jì)產(chǎn)能要求，以及現(xiàn)有偽傾斜開(kāi)拓系統(tǒng)，確定鏟運(yùn)機(jī)＋卡車運(yùn)搬作為出礦方式，所以底盤漏斗法、電耙留礦法及電耙出礦方式不宜采用。

從房柱法角度分析［7－8］，軟弱夾矸暴露后極不穩(wěn)固，且必須剔除，所以切底（拉底）上向中深孔后退式房柱法和上向倒臺(tái)階回采不宜采用，Ⅰ礦層回采順序必須是自上而下分層回采。在礦房?jī)?nèi)回采單元的劃分采用沿走向條帶式分采；若采用沿偽傾斜方向劃分條帶，鑿巖爆破特別是礦石運(yùn)搬作業(yè)都需要在傾斜底板上實(shí)施，故不宜采用。在調(diào)研國(guó)內(nèi)外類似礦體采礦方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)該Ⅰ礦層的開(kāi)采初選如下3種房柱法采礦方案：方案1，預(yù)控頂沿走向條帶式分層掘進(jìn)式房柱法；方案2，超前剔矸預(yù)控頂沿走向分條階梯式全斷面掘進(jìn)房柱法；方案3，限制地壓小范圍沿走向分條整體推進(jìn)房柱法。

3.2 Ⅰ礦層采礦方法比較分析

3.2.1 預(yù)控頂沿走向條帶式分層掘進(jìn)式房柱法

如圖1所示，在礦塊內(nèi)劃分礦房、礦柱，礦柱尺寸均為6m×7m，礦柱間跨度均為7m。在礦房靠近階段運(yùn)輸平巷一側(cè)設(shè)置2.5m寬間柱，靠近偽傾斜運(yùn)輸平巷一側(cè)預(yù)留3m寬間柱。礦塊內(nèi)在傾向方向，自上而下劃分沿走向的回采條帶；在同一條帶由兩頭向中間，雙工作面相向全斷面掘進(jìn)式回采。礦塊內(nèi)在垂直傾向方向，自上而下先回采上層礦，再依次剔矸和回采下層礦。由于需要在暴露頂板下作業(yè)，且不進(jìn)行嗣后充填，采場(chǎng)頂板需要進(jìn)行永久性支護(hù)。

為了減少采場(chǎng)作業(yè)范圍，控制采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)，在同一礦塊內(nèi)最大限度的增開(kāi)作業(yè)面同時(shí)合理安排作業(yè)循環(huán)。如圖1所示，以兩條礦為單元同步回采；考慮到采場(chǎng)回采寬度較小，因此采用掘進(jìn)式回采。當(dāng)沿傾向上部回采單元超前完成一個(gè)礦層的回采作業(yè)時(shí)，下部回采單元便可以進(jìn)行作業(yè)。沿偽傾斜運(yùn)輸巷道底板，在礦塊兩側(cè)的下方分別掘進(jìn)坡度15%～17%的巷道通達(dá)上部礦體，靠近間柱掘進(jìn)斷面11.7m2的偽傾斜切頂上山，為上部礦體高效開(kāi)采提供作業(yè)條件。

3.2.2 超前剔矸預(yù)控頂沿走向分條階梯式掘進(jìn)房柱法

超前剔矸預(yù)控頂沿走向分條階梯掘進(jìn)房柱法如圖2所示。方案2與方案1類似，本方案優(yōu)先考慮剔除夾矸。開(kāi)采作業(yè)在受爆破采動(dòng)影響的上層礦體下作業(yè)，所以超前剔矸控制在落礦工作面20～25m范圍內(nèi)，以便于有效控制地壓活動(dòng)。沿走向條帶式回采，如圖2所示，在礦體一側(cè)沿偽傾斜運(yùn)輸巷底板掘進(jìn)17°斜坡通達(dá)夾矸層，在夾矸層內(nèi)布置2.5m×

2.5m沿走向的采切平巷，用于夾矸層預(yù)剔除作業(yè)；夾矸廢石通過(guò)鏟運(yùn)機(jī)倒入卡車運(yùn)搬。采場(chǎng)沿走向推進(jìn)式回采，崩落的上下層礦石均通過(guò)沿底板的鏟運(yùn)機(jī)出礦。

3.2.3 控制地壓小范圍沿走向分條整體推進(jìn)房柱法控制地壓小范圍沿走向分條整體推進(jìn)房柱法如圖3所示。方案3采用自上而下的回采順序。本方案Ⅰ層礦體整體以8m為進(jìn)尺沿走向整體掘進(jìn)式推進(jìn)，最小范圍內(nèi)控制采動(dòng)影響。在礦體一側(cè)沿偽傾斜運(yùn)輸巷底板施工坡度15～17°巷道至上層礦體，在上層礦體內(nèi)布置3m×3m沿走向的采切平巷，后退式回采上層礦體；礦石通過(guò)鏟運(yùn)機(jī)在斜坡側(cè)溜槽倒入卡車運(yùn)搬。上層礦體崩落后，對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)后，利用淺孔剔除夾矸，夾矸廢石通過(guò)偽傾斜斜坡道運(yùn)至廢石溜井。最后掘進(jìn)式回采下層礦體，通過(guò)沿底板的鏟運(yùn)機(jī)出礦至礦石溜井。

3.3 采礦方法優(yōu)選

研究初選的采礦方法均為房柱法，由于礦體中賦存軟弱廢石夾矸，其對(duì)選礦回收率影響較大，因此三種采礦方案都考慮剔除夾矸。采礦方法選擇主要考慮開(kāi)采安全性及開(kāi)采效率，滿足礦山開(kāi)采及選礦技術(shù)要求。

1）方案1采用分條整體推進(jìn)機(jī)械化回采，多個(gè)分條礦段協(xié)同出礦，設(shè)備利用率較高；多工作面平行作業(yè)的布置，可以在走向及傾向方向交替作業(yè)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)工作面同時(shí)開(kāi)采。

2）方案2考慮超前剔矸，最大限度降低貧化。但可同時(shí)開(kāi)采工作面相對(duì)較少，礦塊生產(chǎn)效率低；另外夾矸層要掘進(jìn)鑿巖平巷，采切比略高。

3）方案3沿礦體全斷面整體小范圍推進(jìn)，最大限度的控制采礦地壓活動(dòng)。缺點(diǎn)是工作面偏少，沒(méi)有發(fā)揮臺(tái)階回采的優(yōu)勢(shì)，采切比較高。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，綜合比較三種方法（表1），推薦采用方案1預(yù)控頂沿走向條帶式分層掘進(jìn)式房柱法。

圖1 預(yù)控頂沿走向條帶式分層掘進(jìn)式房柱法

圖2 超前剔矸預(yù)控頂沿走向分條階梯掘進(jìn)房柱法

圖3 控制地壓小范圍整體推進(jìn)沿走向分條

表1 開(kāi)采方案綜合比較

4 結(jié)論

針對(duì)緩傾斜多層復(fù)雜沉積型磷塊巖礦體開(kāi)采技術(shù)，結(jié)合某磷礦山復(fù)雜地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件，綜合研究分析國(guó)內(nèi)外緩傾斜采礦方法，提出適用于多層礦體的機(jī)械化高效分層掘進(jìn)式房柱采礦法，優(yōu)化了回采順序和房柱法落礦出礦方式。采用臺(tái)車掘進(jìn)式開(kāi)采，綜合提升了采礦技術(shù)與裝備的適應(yīng)性。采場(chǎng)走向與傾向方向的交錯(cuò)式開(kāi)采，有效增加回采作業(yè)面，提高采礦效率。

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Study on mining method for complicated slightly inclined multi－layer sedimentary type of phosphate ore bodies

DONG Kai－cheng，CHEN He，HUANG Dan，HU Jian－jun
（Beijing General Research Institute of Mining ＆ Metallurgy，Beijing 100160，China）

According to the specific characteristics of the complicated slightly inclined multi－layer phosphate ore bodies and the present production status，the mining method for one troublesome phosphate ore－body was studied in this paper.On the basis of the comparison of several suitable mining methods for this kind of ore－body，the paper recommends the efficient multi－layer tunneling room and pillar mining method with pre－control roof and mechanization，which can provide references for other ore－body with the similar mining technical conditions.

sedimentary type of phosphate rock；slightly inclined ore body；room and pillar method；multi－layer tunneling with pre－control roof and mechanization

貴州省科研重大專項(xiàng)資助（編號(hào)：20116023）；2013BAB－07B03－中低品位磷礦清潔充填與加工關(guān)鍵技術(shù)研究及示范項(xiàng)目資助

董凱程（1985－），男，工程師，主要從事金屬礦山采礦工藝與巖石力學(xué)方面的研究。

TD853.34

A

1004－4051（2014）S2－0178－04

2014－10－09