大新錳礦西北地采礦區(qū)產(chǎn)狀復(fù)雜礦體分區(qū)協(xié)同開采技術(shù)研究

肖體群 陳慶發(fā) 黎永杰

（1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西南寧530004；2.中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新分公司，廣西崇左532315）

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦體開采強(qiáng)度越來越大，易采礦產(chǎn)資源逐步消耗殆盡，一些隱患因素多、開采難度大、工程目標(biāo)復(fù)雜等難采資源逐漸受到人們的重視。《未來10年中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略：工程科學(xué)》也將“難動用儲量的資源開采理論與方法”列為優(yōu)先發(fā)展方向［1］。為進(jìn)一步提高該類復(fù)雜難采礦體的開發(fā)利用效率，亟需一些采礦新理念、新命題、新理論、新技術(shù)、新方法給予指導(dǎo)，實現(xiàn)難采資源的高效開發(fā)利用?！皡f(xié)同開采”理念的提出對于高效開發(fā)利用我國難采金屬礦產(chǎn)資源具有重要的指導(dǎo)意義［2］。

針對復(fù)雜難采礦產(chǎn)資源，現(xiàn)有的采礦技術(shù)常導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、安全性差、勞動生產(chǎn)率高、資源回收率低等突出問題［3-6］，使得礦山難以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益，甚至面臨巨額虧損或者無法回采的局面［7-10］。因此，亟需針對具體礦山的礦體稟賦情況及其開采技術(shù)條件，研發(fā)安全高效的采礦技術(shù)，突破礦山生產(chǎn)技術(shù)瓶頸，大幅提升礦山開采技術(shù)水平。

本研究針對產(chǎn)狀復(fù)雜礦體的開采技術(shù)難題，引入分區(qū)思想和“協(xié)同開采”理念，提出產(chǎn)狀復(fù)雜礦體分區(qū)協(xié)同開采技術(shù)思路。根據(jù)大新錳礦西北地采產(chǎn)狀復(fù)雜礦體的賦存條件，研發(fā)并形成了一套大新錳礦西北地采礦區(qū)產(chǎn)狀復(fù)雜礦體分區(qū)協(xié)同開采技術(shù)。

1 產(chǎn)狀復(fù)雜礦體分區(qū)協(xié)同開采技術(shù)思路

針對產(chǎn)狀復(fù)雜礦體的開采技術(shù)難題，引入分區(qū)思想［11-13］和“協(xié)同開采”理念［14-15］，提出了產(chǎn)狀復(fù)雜礦體分區(qū)協(xié)同開采技術(shù)思路，即：綜合分析產(chǎn)狀復(fù)雜礦體的地質(zhì)賦存條件，選取傾角、厚度、走向等其中一個或多個因素對產(chǎn)狀復(fù)雜礦體進(jìn)行空間分區(qū)，在各分區(qū)內(nèi)進(jìn)行工藝技術(shù)優(yōu)選或設(shè)計，分區(qū)間考慮工藝技術(shù)、采場結(jié)構(gòu)、工程結(jié)構(gòu)及其他輔助工程等的銜接，使得整個系統(tǒng)內(nèi)生產(chǎn)工作協(xié)調(diào)有序、結(jié)構(gòu)合理、工藝流暢，實現(xiàn)產(chǎn)狀復(fù)雜礦體安全高效開采并和諧處理礦體產(chǎn)狀變化帶來的不利影響，從而使得礦山開采系統(tǒng)輸出較高的協(xié)同效應(yīng)。

2 礦區(qū)概況

2.1 開采技術(shù)條件

大新錳礦分公司為中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司直屬礦山，是我國最大的錳礦山企業(yè)，位于廣西壯族自治區(qū)大新縣下雷鎮(zhèn)境內(nèi)。大新錳礦西北地采礦區(qū)位于大新錳礦西北礦區(qū)29～35 號勘探線，礦區(qū)內(nèi)錳礦層共有3層，由原生沉積碳酸錳礦及次生氧化錳礦組成，自下而上為Ⅰ礦層、夾石一、Ⅱ礦層、夾石二、Ⅲ礦層，呈層狀產(chǎn)出且其產(chǎn)狀與圍巖一致，圍繞昂起端及南北兩翼分布，東西長9 km，南北寬2～2.5 km。各礦層平均厚度為Ⅰ礦層1.77 m、Ⅱ礦層2.49 m、Ⅲ礦層1.77 m、夾一厚2～10 m、夾二厚0.5～1.0 m。礦區(qū)褶皺強(qiáng)烈，斷層繁多，使得礦層產(chǎn)狀變化較大。北翼礦層產(chǎn)狀比較平緩，傾角為25°～35°；南翼礦層產(chǎn)狀陡立或倒轉(zhuǎn)，傾角一般在70°以上；西端彎部是南翼礦體至北翼礦體的過渡區(qū)域，具有多級復(fù)雜的復(fù)式褶皺，傾角由幾度至60°～80°，甚至陡立。

礦區(qū)礦巖松散系數(shù)均為1.5，自然安息角為55°，礦石密度為3.13 t/m3，巖石密度為2.7 t/m3，碳酸錳礦床、未風(fēng)化巖石和風(fēng)化巖石的堅固性系數(shù)f分別為8～15、10和6。

2.2 開采現(xiàn)狀及存在的主要問題

大新錳礦西北地采礦區(qū)原設(shè)計采用房柱法開采，目前+340 m中段正在進(jìn)行部分回采工作，+380 m中段進(jìn)行采準(zhǔn)工作。Ⅰ號礦在31號勘探線附近已布置兩個采場即11 號礦房和12 號礦房，從礦房內(nèi)揭露的礦體在傾向上的產(chǎn)狀與厚度相對穩(wěn)定，Ⅰ號礦頂板圍巖相對穩(wěn)固。Ⅱ-Ⅲ礦的礦房目前只進(jìn)行一些采切工程布置，從礦房內(nèi)揭露的礦體來看，Ⅱ-Ⅲ號礦的頂板表現(xiàn)出脆性，落礦后的暴露面積較大的空區(qū)需要利用錨桿來支護(hù)；礦體在傾向上的產(chǎn)狀與厚度變化較大，部分地段礦石開采較為困難，主要是受到褶皺構(gòu)造影響，礦巖穩(wěn)固性較好。Ⅱ-Ⅲ號礦沿脈1 號、2 號礦房位于Ⅱ35-22號至Ⅱ35-28號測點處，已開通上山巷道3條，出礦總量達(dá)1萬多噸，兩個礦房礦石估算總量約5萬t。

由于礦體產(chǎn)狀復(fù)雜，相關(guān)工作人員對礦體賦存情況了解不足，礦山原設(shè)計采用的房柱法僅適合開采產(chǎn)狀穩(wěn)定單一的緩傾斜礦體，一旦遇到開采技術(shù)條件發(fā)生變化時（如傾角變化、厚度變化等），就會出現(xiàn)原設(shè)計施工的采場無法繼續(xù)回采、另行補(bǔ)充采切工程增加施工難度和采礦成本、有時無法補(bǔ)充采切工程被迫丟棄不采浪費資源或者采取措施不及時威脅生產(chǎn)安全等問題，礦山原設(shè)計采用的房柱法顯然無法滿足西北地采礦區(qū)產(chǎn)狀復(fù)雜礦體整體有效開采的需求。

3 分區(qū)協(xié)同開采技術(shù)

3.1 工程地質(zhì)條件引導(dǎo)礦體分區(qū)技術(shù)

本研究通過對大新錳礦進(jìn)行實地調(diào)研與地質(zhì)資料收集，構(gòu)建了西北地采礦區(qū)礦體三維模型，實現(xiàn)井下開拓工程、礦體、地表建筑的三維可視化，以便更加直觀地呈現(xiàn)礦體賦存狀態(tài)、地表地形起伏形態(tài)、巖層結(jié)構(gòu)、巷道建設(shè)情況和礦山整體生產(chǎn)狀況等，為礦體分區(qū)、采礦方法優(yōu)選等工作奠定基礎(chǔ)。

通過礦體三維模型，發(fā)現(xiàn)礦體走向和傾角均發(fā)生了顯著變化，對開拓工程布置、采礦方法優(yōu)選具有重要影響。礦體走向在西端彎部發(fā)生顯著變化，使得礦體沿走向呈現(xiàn)“U”形，其傾角變化具體為沿礦體走向從南翼至北翼依次為急傾斜—傾斜—緩傾斜—傾斜變化。因此，本研究選取走向和傾角作為大新錳礦西北地采礦區(qū)礦體分區(qū)的主要影響因素，根據(jù)礦體走向和傾角對礦體進(jìn)行分區(qū)，發(fā)展了一種工程地質(zhì)條件引導(dǎo)礦體分區(qū)技術(shù)。該技術(shù)的基本思路是：通過綜合分析礦體產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文要素等工程地質(zhì)條件，選取對礦體開采（巷道工程、出礦方法、落礦工藝等）具有一定影響的工程地質(zhì)要素作為礦體分區(qū)依據(jù)，對礦體進(jìn)行分區(qū)；分區(qū)后，整個工程地質(zhì)條件復(fù)雜的礦體被分解為若干個工程地質(zhì)條件相對單一的小礦段，只要考慮各分區(qū)內(nèi)的開采和各分區(qū)間的協(xié)作搭配，指引整個產(chǎn)狀復(fù)雜礦體開采在整體上取得最優(yōu)協(xié)同效應(yīng)。

基于礦體三維模型和上述分析，依照礦體走向和傾角的變化，將西北地采礦體I號礦和Ⅱ-Ⅲ號礦分為2個分區(qū)，分解為產(chǎn)狀相對簡單的礦段，明確了采礦工藝的選擇條件。一區(qū)：55°以上急傾斜礦體；二區(qū)：10°～30°以下緩傾斜礦體；三區(qū)：30°～55°傾斜礦體。西北地采礦體I號礦和Ⅱ-Ⅲ號礦分區(qū)如圖1所示。

3.2 各區(qū)采礦方法優(yōu)選與設(shè)計

大新錳礦其它礦區(qū)的急傾斜礦體和緩傾斜礦體分別采用淺孔留礦法和電耙出礦房柱法開采，這兩種工藝均取得了良好效果，故一區(qū)、二區(qū)礦段分別推薦采用淺孔留礦法和電耙出礦房柱法進(jìn)行回采。

三區(qū)礦段屬于傾斜薄礦體，采用全面采礦法、房柱式采礦法和留礦采礦法等傳統(tǒng)空場采礦法開采時，電耙出礦受限因素多，崩落的礦石難以完全靠自重在底部放出。隨著礦山開采技術(shù)的發(fā)展，部分礦山采用留礦全面采礦法［16-17］、偽傾斜房柱式采礦法［18］和爆力采礦法［19-20］開采傾斜薄礦體具有一定優(yōu)勢，但是留礦全面采礦法大量出礦時需要人員進(jìn)入采場輔助作業(yè)，工作效率低，安全性較差；偽傾斜房柱式采礦法工程量大，礦石損失大；爆力采礦法多采用中深孔爆破回采，主要適用于中厚礦體，不宜在薄礦體開采中廣泛采用。

綜合以上分析，為克服常規(guī)房柱式采礦法工程量大、工作效率低等缺點，充分發(fā)揮爆破動能，將崩落礦石拋至電耙巷道中，提高生產(chǎn)效率，在“協(xié)同開采”理念指導(dǎo)下，采用創(chuàng)新技法中的主體附加法和同物組合法［21］，對偽傾斜房柱式采礦方法進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)明了電耙—爆力協(xié)同搬運偽傾斜房柱采礦法［22］；同時，為降低相鄰礦層間礦塊回采相互干擾，在“協(xié)同開采”理念指導(dǎo)下，采用創(chuàng)新技法中的主體附加法和同物組合法［21］，將淺孔鑿巖爆力運搬技術(shù)引入分段礦房采礦法，對其采礦工藝進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)明了淺孔鑿巖爆力—電耙協(xié)同搬運分段礦房采礦法［23］。

通過對三區(qū)礦段開采技術(shù)條件的分析，對傳統(tǒng)采礦方法和創(chuàng)新設(shè)計的協(xié)同采礦方法進(jìn)行了初選。初選采礦方法為淺孔鑿巖爆力—電耙協(xié)同運搬分段礦房采礦法、電耙—爆力協(xié)同搬運偽傾斜房柱采礦法、全面留礦法。經(jīng)過對初選采礦方法進(jìn)行優(yōu)缺點分析和詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析，推薦三區(qū)傾斜礦段采用電耙—爆力協(xié)同搬運偽傾斜房柱采礦法。

針對不同分區(qū)的采礦技術(shù)條件，在各分區(qū)進(jìn)行了采礦方法優(yōu)選或設(shè)計，形成了一種產(chǎn)狀復(fù)雜礦體采礦方法優(yōu)選與設(shè)計技術(shù)。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)上述礦體分區(qū)思路，選取走向和傾角作為礦體分區(qū)依據(jù)，將大新錳礦西北地采礦體分為一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)。

一區(qū)礦段采用推薦的淺孔留礦法開采，階段高40 m，礦塊長50 m，間柱7 m，采用脈內(nèi)沿脈雙巷布置，分別布置在I 號礦層和II-III 號礦層，在礦房下部拉底和辟漏，淺眼爆破將漏斗頸上部擴(kuò)大形成漏斗，先采礦房后采礦柱，自下而上分層回采，每次局部放礦放出一次崩礦量的1/3 后，立即撬頂，保證作業(yè)安全，礦房回采完后可進(jìn)行大量放礦。采礦方法基本原理如圖2所示。

二區(qū)礦段采用推薦的電耙出礦房柱法，礦房寬10～15 m，斜長76 m，間柱寬5 m，在回采過程中，先留5 m 寬連續(xù)間柱，待回采下一個礦房后再回采部分礦柱，使連續(xù)礦柱變?yōu)殚g斷礦柱，同排礦柱間距為5～8 m，一次采全高，夾石不剔除，通風(fēng)后先敲幫問頂，確定頂板是否穩(wěn)固，而后用電耙將崩落礦石耙入放礦溜井，并將大塊集中，方便進(jìn)行二次爆破，等到開采下個礦房時再回收部分礦柱。采礦方法基本原理如圖3所示。

三區(qū)礦段采用創(chuàng)新設(shè)計的電耙—爆力協(xié)同搬運偽傾斜房柱采礦法，礦房階段高40 m，礦房跨度7 m，間柱尺寸為3 m×3 m，礦房和礦柱交替布置，回采礦房時留規(guī)則礦柱以維護(hù)頂板巖石；Ⅱ號礦與Ⅲ號礦之間夾石較薄，無法剔除，所以將Ⅱ號礦、Ⅲ號礦與夾石二合采。I 號礦體厚度較薄，一次采全厚，預(yù)留連續(xù)間柱保證上一礦房回采工作正常進(jìn)行，礦房回采劃分為A區(qū)和B區(qū)，A區(qū)礦石由電耙運搬至放礦溜井經(jīng)運輸巷道出礦，B區(qū)礦石利用爆力運搬將崩落礦石運搬至電耙道，再利用電耙出礦，礦房回采完畢后，將連續(xù)礦柱切割成點柱進(jìn)行回收；II-III號礦合采時，礦房回采劃分A區(qū)和B區(qū)，采用分層回采，先采II號礦后采夾石二與III號礦，A區(qū)礦石由電耙耙至放礦溜井經(jīng)階段運輸巷道出礦，B區(qū)礦石利用爆力運搬至電耙道，再利用電耙進(jìn)行出礦；為提高礦山生產(chǎn)效率和增強(qiáng)電耙—爆力運搬協(xié)同作用，當(dāng)上一礦房B區(qū)回采完畢后，立即開始回采下一臨近礦房的B區(qū)，即上一礦房的A區(qū)與下一礦房的B區(qū)同時進(jìn)行回采作業(yè)，同時完成［24］。I 號礦和II-III 號礦的采礦方法原理分別如圖4（a）和圖4（b）所示。

各分區(qū)采礦方法的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1 所示。

礦山原設(shè)計采用單一房柱法，其千噸采切比為67.0 m/kt，采切工作量非常大，采礦成本高，且只適合開采局部緩傾斜礦段，遇到傾斜或急傾斜礦段時需另行補(bǔ)充采切工程，易增加開采成本或者被迫丟棄造成資源浪費，無法滿足整個產(chǎn)狀復(fù)雜礦體的開采要求。相對而言，新方案在“協(xié)同開采”理念指導(dǎo)下，引入分區(qū)思想，根據(jù)局部礦段不同產(chǎn)狀條件對整個礦體進(jìn)行分區(qū)，在各分區(qū)內(nèi)進(jìn)行采礦方法優(yōu)選和創(chuàng)新，并通過運輸巷道銜接各分區(qū)系統(tǒng)，保證了各分區(qū)協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)了整個產(chǎn)狀復(fù)雜礦體的安全高效開采。各分區(qū)采礦方法也存在一些不足，如淺孔留礦法和電耙出礦房柱法回采率較低、電耙—爆力協(xié)同搬運偽傾斜房柱采礦法的采切工作量大且礦體走向方向跨度較大；一區(qū)和二區(qū)礦段的3個礦層和夾石合采，貧化率較高；雖然分區(qū)間通過階段運輸巷道銜接，保證了作業(yè)人員、設(shè)備和礦石的順利流動，但遇到斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造時，需另行布置合理的銜接工程，有待進(jìn)一步研究。本研究所提出的產(chǎn)狀復(fù)雜礦體分區(qū)協(xié)同開采技術(shù)有效解決了大新錳礦西北地采產(chǎn)狀復(fù)雜礦體的開采難題，對于產(chǎn)狀復(fù)雜礦體安全高效開采具有重要的借鑒意義。

5 結(jié) 論

（1）針對產(chǎn)狀復(fù)雜礦體的開采技術(shù)難題，引入分區(qū)思想和“協(xié)同開采”理念，提出了產(chǎn)狀復(fù)雜礦體分區(qū)協(xié)同開采技術(shù)思路，為產(chǎn)狀復(fù)雜礦體高效協(xié)同開采提供了一種新方法。

（2）在“分區(qū)協(xié)同”開采思想的指導(dǎo)下，根據(jù)礦體產(chǎn)狀條件的不同，將產(chǎn)狀呈倒伏的“U”形大新錳礦西北地采礦區(qū)的產(chǎn)狀復(fù)雜礦體分為一區(qū)、二區(qū)和三區(qū)，提出了一種工程地質(zhì)條件引導(dǎo)礦體分區(qū)技術(shù)。

（3）針對不同分區(qū)礦體的賦存特點，進(jìn)行了采礦方法設(shè)計，通過傳統(tǒng)采礦方法優(yōu)選并采用新設(shè)計的協(xié)同采礦方法，使得各分區(qū)內(nèi)采用的采礦方法能夠有效搭配和協(xié)調(diào)統(tǒng)一，形成了一種產(chǎn)狀復(fù)雜礦體采礦方法優(yōu)選與設(shè)計技術(shù)。傳統(tǒng)采礦方法和協(xié)同采礦方法的分區(qū)和諧搭配，有助于解決產(chǎn)狀復(fù)雜礦體的開采技術(shù)難題。