含夾層或軟弱破碎帶難采礦體協(xié)同開采技術研究

解聯(lián)庫 萬串串 熊代余 王建文

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京100160；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京100160）

受成礦期不同階段地質(zhì)條件影響，礦體接觸交代、分支復合現(xiàn)象較為普遍［1-2］，局部經(jīng)常伴有夾層或者軟弱破碎帶等介質(zhì)，主要表現(xiàn)為上盤破碎帶、下盤破碎帶或中間夾層等。此類礦體開采通常面臨作業(yè)條件惡劣、采切工程量大、生產(chǎn)效率低下、損失貧化嚴重、資源浪費嚴重等諸多問題，極大限制了礦體的安全高效開采［3-6］。為此很多學者在含夾石礦體或軟弱破碎礦體開采理論、工藝技術以及穩(wěn)定性分析等方面進行了大量研究，取得了很多成果。周科平等［7］基于對采礦工程系統(tǒng)復雜性、動態(tài)性和非線性特性的深刻認識，提出了“采礦環(huán)境再造”理念，即突破傳統(tǒng)采礦方法設計思想的限制，應用新的理論、方法和技術，營造一個良好的礦巖開采環(huán)境，最終實現(xiàn)軟破礦體的高效回采。周驥［8］根據(jù)夾石層在礦體中的不同賦存條件，推薦采用分采分運、混采分運以及棄之不采等開采方案。李朝輝［9］根據(jù)凹地苴礦區(qū)雙層礦體賦存特點，提出了上層礦房柱法、下層礦中礦淺孔組合開采方案，取得了理想的效果。楊立根［10］結合夾層難采礦體、松軟難采礦體的開采技術條件，系統(tǒng)性提出了各類礦體安全高效低貧損、低成本采礦設計的創(chuàng)新技術思路，突破了“以法套礦”的陳舊觀念和習慣的束縛，提高了礦山的經(jīng)濟效益。馬春華等［11］、金鵬等［12］針對傾斜厚大的破碎礦體，提出了一種空場嗣后充填與水平分層充填法相結合的開采方案，減小了上盤圍巖暴露面積，提高了礦石回采率與開采強度。夏建波等［13］針對梁花阱銅礦Ⅲ號急傾斜厚礦體頂板局部破碎情況，提出上盤2 m 厚分層淺孔留礦法回采、下盤礦體階段礦房法回采的開采方案，相比于原分段鑿巖階段礦房法，提高了回采率與出礦品位。羅周全等［14］針對傳統(tǒng)緩傾斜多層礦體，提出了一種深孔合采井下礦廢分離連續(xù)采礦法，采用大直徑深孔合采礦巖、礦巖集中分離、連續(xù)采礦等技術，有效克服了傳統(tǒng)采礦方法的弊端。吳愛祥等［15］、韓斌等［16］針對湯丹銅礦體及圍巖松散、破碎的基礎條件，采用化學注漿預加固方式，提高了巖體強度及礦體完整性，實現(xiàn)了軟弱破碎礦體的安全高效開采。

綜上分析，針對含夾層或軟弱破碎帶等難采礦體，雖然部分礦山在一定程度上實現(xiàn)了對該類礦體的安全高效開采，取得了較為理想的經(jīng)濟效益，但現(xiàn)階段大部分礦山生產(chǎn)仍缺乏“協(xié)同性”考慮，即未能從含夾層或軟弱破碎帶等難采礦體的時空關系或者地壓協(xié)同管理角度進行系統(tǒng)性研究，對采礦工藝進行深度優(yōu)化。因此亟需創(chuàng)新軟破難采礦體安全高效協(xié)同性開采理論與方法，以更好地指導礦山生產(chǎn)作業(yè)。

1 含夾層或軟弱破碎帶難采礦體協(xié)同開采技術思路

2011年 12 月國內(nèi)學者陳慶發(fā)等［17-21］正式提出了“協(xié)同開采”理念，根據(jù)該理念，擬開采礦床可能存在影響有序開采的災害因素（如空區(qū)、破碎帶、地下水、粉塵、瓦斯、高硫）或者想要實現(xiàn)其他工程目的，可采取合理的技術措施（如優(yōu)化采礦方法及工藝參數(shù)、災害安全防控技術與措施等），實現(xiàn)資源開采與災害防控協(xié)同高效處理，促進礦產(chǎn)資源低損失貧化、安全高效、綠色生態(tài)綜合開發(fā)利用。任鳳玉等［22-23］、李海英［24］針對露天轉(zhuǎn)地下過渡期安全條件差、產(chǎn)量銜接困難等問題，提出了掛幫礦地下誘導冒落法開采、坑底礦露天延深開采的連續(xù)轉(zhuǎn)接過渡模式，提出了掛幫礦誘導冒落法開采理論與露天地下安全協(xié)同開采技術，改善了掛幫礦安全生產(chǎn)條件，提高了礦山露天轉(zhuǎn)地下過渡期的生產(chǎn)能力。聶興信等［25］針對地下急傾斜薄礦脈群，基于“協(xié)同開采”理念，設計了集群連續(xù)化充填協(xié)同開采方法，試驗取得了良好效果。陳陽等［26］考慮到礦山使用崩落法和充填法協(xié)同開采，同時顧及到技術經(jīng)濟、采場穩(wěn)定性等因素，通過比較協(xié)同開采系統(tǒng)協(xié)同度的大小來優(yōu)選采礦方法。本研究認為，“協(xié)同開采”就是基于系統(tǒng)思維，優(yōu)化彼此關系，實現(xiàn)資源開采、災害防控及其他工程行為之間的合作、協(xié)調(diào)，促進礦山開采系統(tǒng)輸出最佳的協(xié)同效應。

針對含夾層或軟弱破碎帶等難采礦體的開采，一般采用兩類不同的采礦方法進行適應性開采，或者通過注漿預加固等方式固化礦體達到合一開采的目的。但大部分礦山受地質(zhì)特征、作業(yè)安全、采礦成本等因素制約，通常采用采易棄難的回采方式，造成了礦產(chǎn)資源的永久損失?；诖耍狙芯刻岢隽艘环N含夾層或者軟弱破碎帶難采礦體協(xié)同開采技術，即預先回采夾層或軟弱破碎帶，實現(xiàn)回采工序協(xié)同作業(yè)以及地壓協(xié)同管理，從源頭上消除安全隱患，為后續(xù)礦體開采創(chuàng)造安全的技術條件，突破復雜難采礦體傳統(tǒng)采礦設計思路的制約，最大化發(fā)揮協(xié)同開采的技術價值。以國內(nèi)某磷礦與某銅多金屬礦為例，圍繞含夾層或軟弱破碎帶難采礦體協(xié)同開采技術的實際應用進行分析。

2 協(xié)同開采技術應用實例

2.1 某磷礦開采技術方案

2.1.1 開采技術條件

某磷礦是一個礦體邊界平整、厚度負變小、巖體相對穩(wěn)固的大型磷塊巖礦床，屬于急傾斜中厚至厚大礦體。礦體走向NE27°左右，總體傾向SE。礦段水文地質(zhì)條件中等偏簡單，巖溶發(fā)育較為微弱，以溶蝕裂隙充水為主，涌水量較少。

區(qū)內(nèi)礦層走向長約3 km，同時賦存a、b兩層礦。a層礦平均厚11.48 m，平均品位25.34%，堅固性系數(shù)f=6～8。b層礦平均厚17.35 m，平均品位23.29%，堅固性系數(shù)f=8～10。兩礦層之間賦存一穩(wěn)定夾層，主要由含磷白云巖、硅質(zhì)團塊磷塊巖等組成，總厚1.38～5.25 m，平均厚2.59 m。區(qū)內(nèi)礦層頂板為含磷硅質(zhì)團塊白云巖，礦層底板是含磷白云巖，堅固性系數(shù)f=11～13，穩(wěn)固性較好。由于頂?shù)装鍑鷰r及夾層中含有MgO、CO2等雜質(zhì)，對P2O5選礦回收指標有較大影響，因此礦石開采過程中需嚴格控制貧化指標［27］。

2.1.2 協(xié)同開采技術思路

考慮到區(qū)內(nèi)礦體為兩層急傾斜中厚礦體，中間夾層厚度為1.38～5.25 m，平均厚2.59 m，基于系統(tǒng)工程思維和協(xié)同開采理念，通過夾層剔除與切割槽作業(yè)協(xié)同實施，以及a層礦與b層礦協(xié)同開采，有利于減少采切工程投入，提高開采效率，降低礦石貧化。具體思路為：①厚度L≤2 m 的夾層，與a、b層礦直接混采，夾層不剔除；②厚度2 m＜L≤4 m 的夾層，首先在夾層內(nèi)施工切割井，再利用布置在切割井附近的大直徑深孔進行高分段爆破成槽，對夾層進行預剔除，破頂層夾層混采；③厚度L＞4 m 的夾層，直接利用大直徑深孔進行VCR 爆破成槽，對夾層進行預剔除，破頂層夾層混采。

2.1.3 推薦的開采方案

根據(jù)國內(nèi)外類似礦體安全高效開采技術現(xiàn)狀，同時結合選礦工藝對礦石貧化指標的要求，當?shù)V體為急傾斜厚大礦體時，礦塊垂直于礦體走向布置，劃分礦房、礦柱二步驟回采，采場寬15 m，長度為礦體厚度（含夾層），階段高度為70 m。a、b層礦與夾層協(xié)同開采時，采用下行式大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法，夾層預先剔除，可以滿足綠色礦山建設與可持續(xù)發(fā)展要求。上部中段布置深孔鑿巖硐室，選用潛孔鑿巖臺車從鑿巖硐室底板向下鑿大直徑深孔至受礦硐室頂板。按照上述協(xié)同開采技術思路，在不增加工程的前提下，進行夾層預剔除與切割槽作業(yè)同步實施，可有效降低采出礦石的貧化率，保證入選礦石品質(zhì)。切割槽形成后，a、b層礦采用倒梯段側向爆破協(xié)同回采，鏟運機在下部受礦硐室集中裝礦。出礦完畢后，礦房采場用全尾砂膠結充填，礦柱采場用廢石或尾砂非膠結充填。開采方案如圖1 所示。上下中段采場回采結束后，此時底柱等被上下礦房充填體包裹，可考慮進行底柱、三角柱等殘礦回收。底柱回收采用小分段空場法嗣后充填采礦方案，上向中深孔爆破落礦，鏟運機出礦；三角柱主要采用進路充填法回采。

2.1.4 應用效果評價

為減少廢石混入采出礦石，該礦原計劃采用分采分運的分段空場嗣后充填采礦法，千噸采切比為132.3 m3/kt，礦塊采準切割作業(yè)時間長，且增加了礦塊采切工程費用。采用a、b層礦與夾層混采的大直徑深孔空場嗣后充填采礦方案后，盡管可以有效增加礦塊生產(chǎn)能力，但是礦石貧化率高達10%（夾層混入率為12.5%），同時降低了P2O5選礦回收指標。通過對原有開采方案進行改進，采用含夾層難采礦體協(xié)同開采技術方案，即夾層預剔除與切割槽作業(yè)協(xié)同實施，a層礦與b層礦協(xié)同開采。根據(jù)礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，千噸采切比降為88.2 m3/kt，礦石貧化率降為5%（夾層混入率為6.3%），計充填時間的礦塊綜合生產(chǎn)能力為410 t/d，主要技術經(jīng)濟指標明顯優(yōu)于原方案。因MgO、CO2等雜質(zhì)混入量減少，從而間接提升了P2O5精礦品質(zhì)。

2.把好引種和繁殖關。一是在引進種兔時，要做好引種計劃，應到有種兔經(jīng)營許可證的正規(guī)種兔場引種，不可到疫區(qū)特別是患有兔球蟲病嚴重的或飼養(yǎng)管理條件較差的種兔場引種；選種時應選擇外貌符合該品種特征，系譜檔案資料齊全，精神良好，行走姿勢正確，耳朵轉(zhuǎn)動靈活，被毛光潔，毛短齊密，無皮膚病等的種兔，種兔年齡應選擇4～5月齡的青年兔。二是在配種繁殖時，要做好配種繁殖計劃，配種時間宜選在1～4月份、8～12月份等階段，氣溫較高時應安排在早晨和夜間的8～10點，氣溫低時可在上午9～10點或在晚上7～9點，配種時期還應避開高溫多雨季節(jié)；此外，配種前最好先對種兔的糞便進行檢測，患有球蟲病的種兔不得用于配種繁殖。

2.2 某銅多金屬礦開采技術方案

2.2.1 開采技術條件

某銅多金屬礦床以矽卡巖型礦體為主，角巖型礦體為輔。矽卡巖型礦體特征表現(xiàn)為上陡下緩，較陡部分礦體為靠近地表的鉛鋅礦體，傾角為60°～70°；較緩部分礦體為深部隱伏銅鉬礦體，傾角≤20°。該礦一期工程范圍內(nèi)較陡的矽卡巖型鉛鋅礦體進行露天開采；二期工程范圍內(nèi)較緩的深部矽卡巖型銅鉬礦體采用地下開采方式，劃分3 個標段同時開采，目前已轉(zhuǎn)入地下大規(guī)模生產(chǎn)。

二期工程揭露表明：部分開采范圍存在節(jié)理裂隙、小溶洞和軟弱破碎氧化帶等構造，破壞了礦體的完整性，現(xiàn)有的分段空場嗣后充填采礦法無法滿足該軟弱破碎氧化帶的開采要求，因此，針對此種情況，本研究基于“協(xié)同開采”理念制定相應的開采方案［28-30］。

2.2.2 協(xié)同開采技術思路

基于“協(xié)同開采”理念，本研究發(fā)展了一種軟弱破碎氧化帶礦體協(xié)同開采方法，即一步驟采場使用尾砂高強度膠結充填，通過一步驟采場進路膠結充填與地壓協(xié)同管理，為二步驟采場深孔分段空場嗣后充填開采提供安全的圍巖條件，使得原本不具備使用分段空場嗣后充填采礦法的破碎礦體可以采用高效率采礦方法。該方法主要針對軟弱破碎氧化帶礦體回采，并可延伸回采氧化帶兩側的穩(wěn)固礦體，實現(xiàn)軟弱破碎氧化帶礦體安全高效回采，同時可選擇與氧化帶兩側的穩(wěn)固礦體進行合采或分采，工程布置靈活性好。

沿破碎氧化帶礦體走向依次劃分盤區(qū)、盤區(qū)間柱，在每個盤區(qū)內(nèi)垂直走向依次劃分一步驟礦柱采場、二步驟礦房采場。其中一步驟礦柱采場水平方向由兩個并行進路構成，豎直方向的進路數(shù)量由分段高度決定，采完即充，形成充填體置換條柱；盤區(qū)內(nèi)一步驟礦柱采場采充完畢之后，轉(zhuǎn)為二步驟礦房采場回采，由于采場兩側為一步驟尾砂膠結充填體，開采環(huán)境得到改善，因此二步驟礦房采場采用長錨索預加固的下向平行深孔嗣后充填的高效采礦方法，采場高度提高至一個分段高度，采場頂部施工鑿巖硐室，采場底部施工拉底硐室。在采場拉底的同時，采用全長注漿錨索對破碎礦體進行全加固，施工鑿巖硐室時留點柱，與長錨索共同支撐鑿巖硐室頂板的安全。采用大孔徑下向深孔進行拉槽、側崩，遙控鏟運機出礦，尾砂非膠結充填。開采方案如圖2所示。

2.2.4 應用效果評價

該礦新建了40 000 t/d 選礦廠，為保障選礦廠充足供礦，礦山需要滿負荷生產(chǎn)，故目前主要開采Ⅰ標段礦體和Ⅱ、Ⅲ標段的穩(wěn)固礦體，破碎氧化帶礦體尚未正式開采。目前基于環(huán)境再造理念的破碎氧化帶礦體協(xié)同開采技術方案已得到礦山認可，正在進行回采工業(yè)試驗。經(jīng)測算，破碎氧化帶礦體協(xié)同開采方案相比進路膠結充填采礦法，損失貧化指標會稍有增加，采場綜合生產(chǎn)能力將由65 t/d 提高至90 t/d，開采成本由230 元/t 降低至200 元/t。該協(xié)同開采技術方案有望突破傳統(tǒng)的、低效率的破碎礦體上向或下向進路充填采礦法開采制約，為破碎難采礦體開采創(chuàng)造出一種新的協(xié)同開采技術方案。

綜上所述，針對軟弱破碎氧化帶礦體的地質(zhì)賦存特征，基于地壓協(xié)同或環(huán)境再造理念，提出了軟弱破碎氧化帶礦體協(xié)同開采方法，即一步驟采場使用進路尾砂膠結充填開采，為二步驟采場分段空場嗣后充填開采提供安全的圍巖條件，使得原本不具備使用分段空場嗣后充填采礦法的破碎礦體可以采用高效率采礦方法，可有效解決軟弱破碎氧化帶礦體的安全高效開采難題。

3 結 論

（1）針對廣泛存在的含夾層或者軟弱破碎帶礦體的開采難題，提出了一種含夾層或軟弱破碎帶難采礦體協(xié)同開采技術，即預先回采夾層或軟弱破碎帶，實現(xiàn)回采工序協(xié)同作業(yè)以及地壓協(xié)同管理，為后續(xù)礦體開采創(chuàng)造安全的技術條件，突破了傳統(tǒng)的、低效率的難采礦體采礦方法制約，最大化發(fā)揮了協(xié)同開采的技術價值。

（2）以國內(nèi)某磷礦與某銅多金屬礦為例，系統(tǒng)闡述了含夾層、軟弱破碎氧化帶難采礦體協(xié)同開采的技術思路，以夾層剔除與切割槽作業(yè)協(xié)同實施為核心，制定了礦體內(nèi)含不同厚度夾層與上下盤礦體的協(xié)同開采方案；同時發(fā)展了一種軟弱破碎氧化帶礦體協(xié)同開采方法，為軟弱破碎氧化帶難采礦體開采提供了切實可行的方案?；夭晒I(yè)試驗表明，減少了采切工程量，降低了礦石貧化指標，滿足了綠色礦山建設與可持續(xù)發(fā)展的要求。

（3）未來將圍繞協(xié)同開采理論與工藝技術、深井開采應力協(xié)同基礎理論、復雜難采礦體協(xié)同開采技術等方面，進一步豐富與提升協(xié)同開采的理論體系和實踐價值，促進采礦工藝的變革與創(chuàng)新。

致 謝

本研究在現(xiàn)場調(diào)研及實施過程中，得到了甕福（集團）有限責任公司甄云軍、楊勝波和西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司陳國良等同志的支持，在此一并表示感謝！