無底柱分段崩落法在松軟破碎難采礦體條件下的應用

段文權(quán)，逄銘璋，夏長念

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京，100038）

1 前言

無底柱分段崩落法屬于連續(xù)開采方式，在覆蓋巖層下放礦，以崩落覆巖充填采礦區(qū)管理地壓，生產(chǎn)成本低，效率高，在我國金屬地下礦山應用廣泛。無底柱分段崩落法鑿巖巷道位于礦體內(nèi)，因此一般要求礦體條件為穩(wěn)固到中等穩(wěn)固，以掘進井巷不需要支護、炮孔不變形為好。無底柱分段崩落法安全程度高、機械及自動化水平程度高、生產(chǎn)組織靈活方便，生產(chǎn)效率高，開采成本低。金山店鐵礦礦體松軟破碎，采場地應力大，生產(chǎn)初期遇到了回采巷道破壞嚴重，生產(chǎn)能力嚴重受限制等問題，也曾引發(fā)了關(guān)于無底柱分段崩落法是否適用于松軟破破碎類型礦體的爭議，但是金山店鐵礦經(jīng)過多年的生產(chǎn)實踐和不斷完善采礦工藝和采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得無底柱分段崩落法在這該礦山達到了一般適用條件下的礦山同樣的理想效果。

2 賦存條件

金山店鐵礦張福山礦床屬接觸交代矽卡巖型鐵礦床，礦巖賦存條件復雜，礦體軟弱破碎，是我國冶金地下難采礦山最著名的 “兩洼一店一門”其中之一。

張福山礦床內(nèi)主要有Ⅰ、Ⅱ號兩個大礦體，其中Ⅰ號礦體沿走向長度2.7km，屬傾斜至急傾斜礦體，傾角一般65°以上；Ⅱ號礦體的規(guī)模在礦床中僅次于I號礦體，位于I號礦體下盤，兩者相距15～120m，Ⅱ號礦體沿走向長度約1km。Ⅰ、Ⅱ號兩個礦體形態(tài)都比較規(guī)整，礦體形態(tài)變化不大，均屬厚至厚大礦體，礦體形態(tài)較簡單，在平面上呈條帶狀展布，剖面上呈似層狀，部分為脈狀。

金山店鐵礦開采中段主要有-270m、-340m、-410m中段及-410m以下幾個中段，通過幾十年的開采，目前已開采至-410m中段。

礦巖主要力學性質(zhì)見表1。

金山店礦區(qū)初始地應力場的最大主應力方向為南北方向，其大小可在1～2倍自重應力之間考慮。礦體上、下盤圍巖距離離礦體處較遠，節(jié)理密度一般在5條/m左右，圍巖的完整性較高，節(jié)理裂隙雖然發(fā)育但其規(guī)律性增強。礦體上盤圍巖是矽卡巖、變質(zhì)粉砂巖和泥質(zhì)黑云母角巖，中等穩(wěn)固；礦體下盤圍巖是石英閃長巖、二長花崗巖、大理巖和矽卡巖，RQD值普遍較高，多數(shù)大于50%，最低為30%，穩(wěn)固性較好。近礦圍巖與礦體之間的含礦蝕變帶節(jié)理裂隙非常發(fā)育且不具有規(guī)律性，其密度一般為5～15條/m，局部可達30條/m，其延展性較差，多為不規(guī)則雜亂節(jié)理，成組性不強，巖體結(jié)構(gòu)以鑲嵌結(jié)構(gòu)及碎裂結(jié)構(gòu)為主，穩(wěn)固性差至極差。

礦體根據(jù)其穩(wěn)定性主要分為兩大類：塊狀磁鐵礦石和粉狀磁鐵礦石，不同的礦石穩(wěn)定性差異很大，其中塊狀磁鐵礦礦石結(jié)構(gòu)致密堅硬，節(jié)理裂隙不發(fā)育，屬中等穩(wěn)固性礦石；粉狀磁鐵礦礦石結(jié)構(gòu)松散，與塊狀磁鐵礦石賦存在一起，只是不同區(qū)域賦存比例不同，大致分布為西區(qū)塊狀磁鐵礦石占比大、粉狀磁鐵礦石占比小，東區(qū)粉狀粉狀磁鐵礦石占比大、塊狀磁鐵礦石占比小。粉狀礦石是影響安全、高效開采的主要因素，粉狀磁鐵礦石呈不規(guī)則狀夾于塊狀礦石之中形成軟弱夾層，單軸抗壓強度＜5MPa，極易冒落，屬穩(wěn)固性極差的礦石，當粉狀磁鐵礦石含水量接近飽和狀態(tài)時，容易形成泥石流。

根據(jù)礦體三維模型統(tǒng)計，Ⅰ號礦體粉礦占27.15%，Ⅱ號礦體粉礦占37.94%，Ⅱ號礦體主要分布在東區(qū)，Ⅰ號礦體橫跨東區(qū)和西區(qū)，東區(qū)粉礦占38%～40%，粉礦比例大。在粉礦磁鐵礦占比較大區(qū)域，中段穿脈巷道穿過粉狀磁鐵礦石區(qū)域的施工和支護遇到很大困難，采準巷道、出礦進路的施工也面臨著相同的問題，巷道難以成型，容易垮塌，支護工程量大。

經(jīng)過多年生產(chǎn)實踐，礦、巖穩(wěn)固性及支護情況對比見表2。

表1 礦石和圍巖的物理力學性質(zhì)

表2 礦、巖穩(wěn)固性及支護情況對比

3 采礦工藝

無底柱分段崩落法一般適用于具備以下開采技術(shù)條件的礦山：礦體急傾斜或者雖礦體傾角較緩但厚度極厚，礦體穩(wěn)定性要求中等穩(wěn)固～穩(wěn)固[1]，以采礦巷道不需要支護、鑿巖炮孔不易變形為好，上盤圍巖不穩(wěn)固或者可以通過強制爆破實現(xiàn)崩落可形成大塊，下盤圍巖穩(wěn)固。

無底柱分段崩落法是最安全的采礦方法之一，該方法的所有采礦活動均在較小的空間里完成。無底柱分段崩落法采礦環(huán)節(jié)主要可分為四個部分，掘進并加固平巷，鑿巖，爆破，放礦、裝礦和運輸。該方法回采工序重復進行，因而幾乎全部采礦作業(yè)均能實現(xiàn)標準化，意味著能實現(xiàn)高度機械化。該方法采用標準化、專門化的采礦作業(yè)和設備，在各自獨立的水平上與無軌運輸系統(tǒng)配用，能達到高度的靈活性。無底柱分段崩落法有助于集中作業(yè)，改進管理和生產(chǎn)條件，通常在下部各水平進行開拓準備的同時，可在上部水平進行回采的各個作業(yè)，容易實現(xiàn)將各作業(yè)編排在一個統(tǒng)一的系統(tǒng)中，且各作業(yè)不容易發(fā)生干擾。

通常來說，無底柱分段崩落法更適用于礦體較穩(wěn)固的開采條件，主要是因為無底柱分段崩落法的鑿巖、爆破和出礦都在采礦進路里完成，而且一般在覆蓋巖層下，采用后退式開采方式，因此采礦進路巷道的穩(wěn)定性對于無底柱分段崩落法的效率、安全、成本控制都很重要，是實現(xiàn)無底柱分段崩落法高效、安全開采的關(guān)鍵要素。

金山店鐵礦開采技術(shù)條件中影響高效、安全開采的因素就是粉狀磁鐵礦石的含量。對于粉狀磁鐵礦石含量較大區(qū)域，礦體穩(wěn)定性極差，該區(qū)域的中段穿脈巷道和采礦巷道需要采用超前支護和的支護方式采能實現(xiàn)安全開采。由于粉狀磁鐵礦石分布沒有規(guī)律性，早期，對粉狀磁鐵礦石影響開采的認識也不足，粉狀礦石含量較大區(qū)域過程中，采礦進路只采用常規(guī)的噴砼或噴錨網(wǎng)支護方式，導致大量采礦進路破壞嚴重，提前完成的爆破變形嚴重，鑿巖返工率很高，巷道維護量很大，初期生產(chǎn)貧化率和損失率都比較高，生產(chǎn)能力達不到設計要求。

圍繞以上問題，金山店鐵礦通過對無底柱分段崩落法的改進，加大出礦穿脈間距、低貧損放礦、完善支護方式、平衡采準和回采之間的時間關(guān)系，以及采礦設備大型化、液壓化等，使得無底柱分段崩落法得到了好的應用，達到了理想效果。

3.1 加強放礦管理實現(xiàn)低貧損放礦

無底柱分段崩落法的一大特點是損失貧化率高，因此放礦管理需要嚴格要求，通過多年的生產(chǎn)實踐，改截止品位法放礦為低貧損放礦法。

放礦要嚴格按計劃進行，保證本分段采場只出礦60%～40%，其余礦石轉(zhuǎn)到下分段放出，由于本分段出礦量的減少，使覆蓋層廢石邊界到出礦口的距離增大，因此下分段放礦橢球體長軸長度增大，同時橢球體短軸長度也增大，結(jié)合出礦進路斷面的加大，使放礦橢球體發(fā)育更好。如果只是進路間距增大，放礦還是沿用原來的截止品位法，將給生產(chǎn)帶來嚴重問題，要注意的問題是，由于放礦橢球體高度的增大，就使下盤損失增大，為了解決此問題，生產(chǎn)中應適當加大下盤崩巖爆破量。金山店鐵礦在地表安裝了干選拋廢系統(tǒng)，保證入選品位的穩(wěn)定同時，也建少了選礦生產(chǎn)成本，減少了廢石混入。

采用低貧損放礦后，通過加強管理，科學調(diào)度，損失、貧化率分別達到了21%、18.5%。

3.2 調(diào)整采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

金山店鐵礦原分段開采高度14m，采礦進路間距10m。通過調(diào)整進路間距，將塊狀磁鐵礦石區(qū)域的采礦進路提高到16m，由于粉礦流動性較差，根據(jù)粉礦含量不同，將粉礦內(nèi)進路間距調(diào)整為12～14m。與原結(jié)構(gòu)參數(shù)相比，千噸采切比由原來的6.8m/kt下降到3.88m/kt。千噸采切比的下降，直接降低了采礦成本，對張福山這種含粉礦率較高的礦床意義更大，降低千噸采切比就意味著少在粉礦內(nèi)掘進巷道，減少在粉礦內(nèi)掘進巷道就減少了采礦難度，減少了支護量，降低了掘進單位成本。

進路間距的增加，使得開采范圍內(nèi)總的采礦進路數(shù)量減少，總的采礦進路掘進工程量減少，減少了掘進工段的工作強度，采礦巷道的總維修量得到大幅度減少，采礦和掘進的銜接更順暢，采切準備和采礦間隔時間得到縮短，采礦巷道利用率大幅度提供，每年在采礦準備方面的投入減少的同時給礦山帶來更好的經(jīng)濟效益。

3.3 優(yōu)化支護方式

金山店鐵礦上、下盤圍巖條件總體來說屬于中等穩(wěn)固至穩(wěn)固巖體，上、下盤巷道一般采用噴砼或者噴錨網(wǎng)的支護方式就可以滿足井下開采要求，但是生產(chǎn)初期，由于對巖石力學工作的不深入，關(guān)于粉狀磁鐵礦石對采礦巷道穩(wěn)定性的影響認識不足[2]，導致穿越粉狀礦體的中段運輸穿脈巷道和采礦進路巷道破損、塌落嚴重。通過多年生產(chǎn)時間，金山店鐵礦在粉狀礦石和近礦圍巖與礦體之間的含礦蝕變帶中的巷道采用了網(wǎng)格澆砼的高強度支護方式，使巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到大幅度提高，解決了粉狀礦石中巷道成型難的問題，同時高強度支護也解決巷道需要大量返修的問題，粉狀磁鐵礦石區(qū)域的礦石回收率也提高，粉狀區(qū)域由于流動性較好導致上部廢石混入率較大的問題也得到較好的解決。通過加強巷道支護，雖然支護量較大，但是采場準備時間和數(shù)量減少，各回采工藝的銜接更有序，生產(chǎn)能力得到提高和保障。

3.4 調(diào)整鑿巖爆破參數(shù)

粉狀礦石含量較大區(qū)域，盡量維持炮孔不變形以達到好的爆破效果，是金山店鐵礦采用無底柱分段崩落法開采工程需要面臨的重大問題之一。

金山店鐵礦原來采用的中深孔鑿巖設備是YGZ90導軌式鑿巖機，炮孔直徑約60mm，成孔效率較低，相應的炮孔參數(shù)較小，總的炮孔數(shù)量多，遇到粉狀礦石含量較大區(qū)域，炮孔錯孔、擠孔等變形嚴重。由于導軌式鑿巖機生產(chǎn)效率較低，經(jīng)常遇到后排炮孔還沒有完成鑿巖，前排炮孔出現(xiàn)變形待維護的狀況，鑿巖返工率高，導致鑿巖效率更低。由于炮孔大量破壞，正常裝藥爆破無法進行，巷道冒落塌陷不斷發(fā)生。在Ⅱ礦體粉礦占比大的區(qū)域，通常遇到提前鑿巖的炮孔全面遭到破壞，導致整條采礦進路無法及時爆破，采礦盤區(qū)內(nèi)進路不能實現(xiàn)同步退采，使得采礦貧化率、損失率增大，回采工序受到嚴重干擾，盤區(qū)生產(chǎn)能力得不到保障，影響礦山全年生產(chǎn)任務。

金山店通過采用中深孔液壓鑿巖臺車，加大炮孔直徑至76mm，加大鑿巖、爆破參數(shù)至2×3m，一方面成孔效率提供了，鑿巖時間縮短，爆破效率提高，另一方面炮孔直徑的加大減少了炮孔的錯堵，炮孔完好率提高。

3.5 加強生產(chǎn)管理平衡掘進與回采時間、空間關(guān)系

生產(chǎn)初期，為了保障采礦各工序之間的平衡和有效銜接，金山店鐵礦根據(jù)無底柱分段崩落法的采礦準備、鑿巖爆破、出礦等幾個工序，在不同的分段平面進行采切、鑿巖、爆破的立體式作業(yè)。對于礦巖條件都穩(wěn)固的區(qū)域，這種多分段同時進行不同工序的作業(yè)也能滿足生產(chǎn)要求，但是對于礦巖條件差的區(qū)域，由于完成1條一般厚度的進路開采都在3個月以上甚至更長時間，較長時間提前完成的采礦進路巷道會出現(xiàn)嚴重的破壞，較長時間提前完成鑿巖的炮孔補充率大幅提高。因此，金山店鐵礦根據(jù)不同區(qū)域的巖石條件，調(diào)整掘進與回采時間、空間關(guān)系，對于巖石條件較差區(qū)域，采用效率更高的鑿巖設備和出礦設備在同一水平或者上、下水平作業(yè)，實現(xiàn)強掘、強采、強出，極力縮短采礦進路準備和鑿巖、爆破以及出礦時間。

3.6 提高出礦效率

根據(jù)金山店鐵礦礦巖條件，特別是粉狀礦石含量較大區(qū)域，只有通過強采強出，盡量縮短該區(qū)域采礦進路的生產(chǎn)服務時間，才能有效降低該區(qū)域采礦進路的維護和鑿巖炮孔的返修。生產(chǎn)初期，金山店鐵礦出礦設備采用氣動裝運機，雖然目前國內(nèi)使用裝運機的礦山已經(jīng)很少，但是在金山店鐵礦生產(chǎn)初期裝運機也是國內(nèi)大部分金屬礦山的主力出礦設備，該設備與鏟運機相比，生產(chǎn)能力低，大塊處理能力低，大塊處理通過頻繁的爆破既影響采礦效率，更加大了獨頭采礦的通風難度，出礦效率受到極大的限制。

21世紀初，金山店鐵礦引進了進口的電動鏟運機進行出礦，不但提高了出礦效率，而且采用電動鏟運機相比于柴油鏟運機，對井下環(huán)境影響小，井下通風效果得到提高。

4 結(jié)語

金山店礦體的最大特點是粉礦含量較大，在粉礦內(nèi)開鑿巷道非常困難，巷道支護也很困難，張福山礦床已經(jīng)試驗過多種采礦方法，其中包括有底柱分段崩落法、階段空場法、分段空場法、無底柱分段崩落法等采礦方法。實踐證明無底柱分段崩落法較適應張福山礦床開采技術(shù)條件，通過對無底柱分段崩落法的改進，加大出礦穿脈間距、實現(xiàn)低貧損放礦，能使無底柱分段崩落法在松軟破碎礦體類礦山取得良好的回采效果，彰顯了無底柱分段崩落法在金山店鐵礦使用的高效、安全。

[1]于潤滄.采礦工程師手冊（下）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009；

[2]明世祥.無底柱分段崩落法在武鋼地下鐵礦中的應用實踐[J].金屬礦山，2005，01，01