多層狀傾斜礦體淺孔留礦法優(yōu)化研究與應(yīng)用

段志偉　梁桂龍　覃親喜　肖體群　歐陽(yáng)宇珉　李俊機(jī)　陳　艷　

多層狀傾斜礦體淺孔留礦法優(yōu)化研究與應(yīng)用

段志偉1梁桂龍1覃親喜1肖體群1歐陽(yáng)宇珉1李俊機(jī)2陳艷2

（1.南方錳業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司大新錳礦分公司，廣西大新 532315；2.南方錳業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西南寧 530028）

針對(duì)多層狀傾斜薄礦體采用淺孔留礦法分層開(kāi)采中出現(xiàn)貧化率高、資源浪費(fèi)大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。文章結(jié)合某錳礦多層狀傾斜礦體的工程技術(shù)條件，通過(guò)引入“協(xié)同開(kāi)采”理念，提出階梯式協(xié)同推進(jìn)集中出礦留礦法。工程實(shí)踐表明，與原淺孔留礦法相比，采場(chǎng)回采率提高了4.5%，采切成本降低了14.5%，有效減少礦房采切準(zhǔn)備時(shí)間，作業(yè)環(huán)境也得到明顯改善，以期對(duì)其它類似礦體開(kāi)采提供一定的借鑒意義。

多層狀傾斜礦體；階梯式協(xié)同推進(jìn)；集中出礦；淺孔留礦法

引言

留礦法是我國(guó)地下礦山開(kāi)采歷史中應(yīng)用最早、范圍最廣的采礦方法之一，在我國(guó)礦山開(kāi)采中占有非常大的比重[1,2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)地下金屬礦生產(chǎn)中，約有40%的礦山采用留礦法，其中淺孔留礦法占了36%[3]。然而，根據(jù)不同的礦體開(kāi)采技術(shù)條件和工程目標(biāo)，留礦法實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題也不盡一樣，針對(duì)不同的工程技術(shù)條件和其存在的問(wèn)題，諸多礦業(yè)相關(guān)工作者進(jìn)行了大量研究。

林斌等[4]針對(duì)留礦法開(kāi)采傾斜礦體過(guò)程中出現(xiàn)放礦難和礦石損失大的問(wèn)題，通過(guò)在室內(nèi)進(jìn)行振動(dòng)放礦模擬研究，提出振動(dòng)放礦理論，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)；黃家賢等[5]針對(duì)珊瑚黑鎢礦采用淺孔留礦法存在采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)掘進(jìn)效率低和底部結(jié)構(gòu)維護(hù)成本高的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化底部結(jié)構(gòu)參數(shù)，布置穿脈運(yùn)輸電耙道底部出礦結(jié)構(gòu)和架設(shè)人工間柱，提高采切效率，降低維護(hù)成本；王科洪等[6]針對(duì)采用淺孔留礦法開(kāi)采厚大急傾斜礦體存在作業(yè)環(huán)境差、機(jī)械化程度低、出礦效率低等問(wèn)題，通過(guò)布置漏斗受礦和電耙出礦底部結(jié)構(gòu)，提高了出礦效率，改善了作業(yè)環(huán)境；李小元[7]針對(duì)淺孔留礦法開(kāi)采某鉛鋅礦存在出礦難的問(wèn)題，提出無(wú)底柱電耙出礦結(jié)構(gòu)，不僅提高了出礦效率，還降低了平均采礦成本。從以上可以看出，淺孔留礦法在不同賦存條件的礦體回采過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題不盡相同，因此需因地制宜的采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

本文針對(duì)某錳礦山多層狀傾斜薄礦體采用淺孔留礦法分層回采中存在的難題，應(yīng)用“協(xié)同開(kāi)采”理念[8]，對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和回采工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，提出了多層狀傾斜礦體階梯式協(xié)同推進(jìn)集中出礦淺孔留礦法。

1　工程技術(shù)條件

礦山屬于泥盆紀(jì)大型海相沉積型碳酸錳礦床，礦層賦存在上泥湓統(tǒng)榴江組泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥灰?guī)r、硅質(zhì)巖等過(guò)渡巖相內(nèi)。碳酸錳礦層產(chǎn)狀與圍巖相一致，呈多層狀產(chǎn)出，隨圍巖褶皺而褶皺，層位穩(wěn)定。礦體由3層礦層和2層夾石組成，自上而下為Ⅲ礦層、夾2層、Ⅱ礦層、夾1層、Ⅰ礦層，由于夾2層較薄乃至局部尖滅，Ⅱ礦層和Ⅲ礦層統(tǒng)稱為Ⅱ+Ⅲ礦層，如圖1所示。

圖1 夾1巖體巖層現(xiàn)場(chǎng)圖

工程實(shí)施區(qū)域內(nèi)，Ⅰ礦層厚度約1.8 m，夾1層厚4.0 m～6.0 m，Ⅱ+Ⅲ礦厚度約3.5 m，礦體傾角約45°～76°。Ⅱ+Ⅲ礦層的頂板為硅質(zhì)巖，呈薄層微層狀，較破碎易冒落，一般厚0.05 m～0.3 m，往上為硅質(zhì)灰?guī)r、泥巖；Ⅰ礦層的底板為泥質(zhì)灰?guī)r、夾泥質(zhì)巖，巖石普氏硬度系數(shù)f＝8～10，中等穩(wěn)固，巖石密度為2.7 t/m3；夾1層為硅質(zhì)灰?guī)r及少量硅質(zhì)巖夾鈣質(zhì)泥巖，薄層微層狀構(gòu)造，層理及節(jié)理發(fā)育，穩(wěn)固性較差；碳酸錳礦層普氏硬度系數(shù)f＝10～15，較穩(wěn)固，密度為3.13 t/m3，礦巖松散系數(shù)均為1.5，自然安息角為55°。

2　原淺孔留礦法開(kāi)采情況

針對(duì)夾1層厚度4.0 m～6.0 m的礦體，若采取3層礦層和2層夾石混合開(kāi)采方式，廢石混入率高達(dá)50%以上，采出品位不達(dá)標(biāo)，采空區(qū)暴露大且安全風(fēng)險(xiǎn)高，也造成礦石后續(xù)加工成本大幅增加。礦山結(jié)合工程實(shí)際，按照分層開(kāi)采方式分別回收，即采用淺孔留礦法先回采完Ⅱ+Ⅲ礦層采場(chǎng)，再回采Ⅰ礦層采場(chǎng)。

2.1　采礦工藝

采場(chǎng)沿礦體走向布置，長(zhǎng)度60 m，垂直高度為30 m，頂柱高2 m，底柱6 m，間柱8 m。采用YT-28型氣腿型鑿巖機(jī)掘進(jìn)采切工程，采切順序?yàn)椋捍┟}平底放礦漏斗→電耙道→天井→聯(lián)絡(luò)道→漏斗→切割平巷。人員通過(guò)兩側(cè)的天井經(jīng)聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入采場(chǎng)切割平巷內(nèi)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，孔徑40 mm，排距1.0 m，孔距0.6 m；采用2號(hào)巖石乳化炸藥，人工裝藥，毫秒導(dǎo)爆管起爆，爆破面寬度為礦體全厚度。每次爆破后需進(jìn)行控制性出礦，礦石從漏斗溜至電耙道，由電耙將礦石耙至平底放礦漏斗裝入0.75 m3翻斗式礦車(chē)或2.0 m3側(cè)卸式礦車(chē)中，通過(guò)采用 CJZP-7/10架線式電機(jī)車(chē)牽引運(yùn)輸至井底車(chē)場(chǎng)，再提升至地表堆礦場(chǎng)，待采場(chǎng)形成高約2.0 m的作業(yè)空間后便停止出礦，進(jìn)行平場(chǎng)以開(kāi)始下一個(gè)作業(yè)循環(huán)，大部分礦石先留置在采場(chǎng)內(nèi)作為施工墊層。原淺孔留礦法如圖2所示。

1-頂柱；2-回采區(qū)域；3-聯(lián)絡(luò)道；4-天井；5-漏斗；6-運(yùn)輸巷道；7-電耙道；8-切割平巷；9-礦體；10-夾1層

2.2　采場(chǎng)礦柱留置及采空區(qū)處置

Ⅱ+Ⅲ礦層的頂板和夾1層均為薄層狀巖體，層理及節(jié)理高度發(fā)育，總體穩(wěn)固性較差，且礦巖內(nèi)的斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造多，在回采過(guò)程中，頂板不穩(wěn)定區(qū)域多采用錨網(wǎng)支護(hù)，在礦層破碎、斷層、褶皺（特別是向斜構(gòu)造）處留置規(guī)格為3 m×3 m的礦柱，回采Ⅰ礦層采場(chǎng)時(shí)局部需要留置連續(xù)礦柱確?；夭蛇^(guò)程中的作業(yè)安全。

采場(chǎng)內(nèi)的礦柱不回收，間柱可視巖層情況隨礦房回收一半，底柱隨生產(chǎn)中段結(jié)束后再進(jìn)行統(tǒng)一回收?？諈^(qū)多以敞開(kāi)式存在，回采結(jié)束后封閉處理。

2.3　采場(chǎng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

淺孔留礦法在礦山已應(yīng)用多年，生產(chǎn)技術(shù)及工藝較為成熟。采場(chǎng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：電耙出礦效率為80 t/班～120 t/班，炸藥綜合單耗為0.5 kg/t，采場(chǎng)貧化率為20.24%，采場(chǎng)回采率為71.44%，采切工程量為472.4 m/2125.16 m3，千噸采切比為22.8 m/kt（102.6 m3/kt），采場(chǎng)生產(chǎn)能力為60 t/班～80 t/班。

2.4　淺孔留礦法分層開(kāi)采存在的主要問(wèn)題

（1）Ⅰ礦層頂板控制困難，安全風(fēng)險(xiǎn)高。先回采完Ⅱ+Ⅲ礦層，作業(yè)過(guò)程中的爆破振動(dòng)進(jìn)一步破壞夾1層的完整性和穩(wěn)固性；再回采Ⅰ礦層時(shí)，隨著Ⅰ礦回采的推進(jìn)，頂板的暴露面積增大，夾1層逐漸冒落，嚴(yán)重的直接貫通上部Ⅱ+Ⅲ礦層的采空區(qū)，嚴(yán)重威脅作業(yè)安全，只能采取加大錨網(wǎng)支護(hù)、留置大量礦柱或者損失大部分的Ⅰ礦維護(hù)頂板，確保作業(yè)安全。

（2）廢石混入率高，資源損失大?；夭散竦V時(shí)，頂板（夾1層）受巖性和作業(yè)擾動(dòng)雙重影響導(dǎo)致易冒落且量大，大量廢石混入采場(chǎng)，造成貧化大，采出品位不達(dá)標(biāo)；同時(shí)，為確保作業(yè)安全，需要留置大量礦柱或者損失部分的Ⅰ礦維護(hù)頂板穩(wěn)定，也造成大量的資源損失。

3　多層狀礦體階梯式協(xié)同推進(jìn)集中出礦留礦法

夾層厚度5 m左右的多層狀傾斜礦體在采用淺孔留礦法分層回采過(guò)程中，存在頂板易冒落、作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高、廢石混入率高、資源損失大等問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，引入“協(xié)同開(kāi)采”理念，綜合考慮礦體賦存條件，優(yōu)化礦房結(jié)構(gòu)參數(shù)和回采工藝，同步回采Ⅰ礦層和Ⅱ+Ⅲ礦層，形成了階梯式協(xié)同推進(jìn)集中出礦留礦法，具體如圖3所示。

1-頂柱；2-回采區(qū)域；3-聯(lián)絡(luò)道；4-脈外天井；5-漏斗；6-運(yùn)輸巷道；7-脈外電耙道；8-切割平巷；9-漏斗；10-礦體；11-超前距離；12-夾1層

3.1　采礦工藝

采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、爆破參數(shù)、施工工藝及施工設(shè)備和原淺孔留礦法基本一致。主要的區(qū)別是將天井和電耙道布置在夾1層中，作為Ⅱ+Ⅲ礦和Ⅰ礦的共用天井和電耙道，且在電耙道內(nèi)布置雙邊漏斗受礦。同時(shí)在采場(chǎng)中自下而上進(jìn)行回采，Ⅱ+Ⅲ礦采場(chǎng)超前Ⅰ礦采場(chǎng)一個(gè)協(xié)同推進(jìn)步距（詳見(jiàn)3.2節(jié)），形成階梯狀上行開(kāi)采，待Ⅱ+Ⅲ礦和Ⅰ礦采場(chǎng)回采完成后在進(jìn)行集中出礦。

3.2　協(xié)同推進(jìn)步距計(jì)算

在采用此方法回采多層狀礦體的過(guò)程中，根據(jù)相鄰礦體之間的開(kāi)采擾動(dòng)關(guān)系[9]，需要根據(jù)巖石移動(dòng)角、相鄰礦體間距和階段高度來(lái)判定Ⅰ礦與Ⅱ+Ⅲ礦之間是否存在圍巖擾動(dòng)關(guān)系。若存在圍巖擾動(dòng)關(guān)系，則需進(jìn)一步計(jì)算出Ⅱ+Ⅲ礦超前回采的協(xié)同推進(jìn)步距，取最大值。

經(jīng)查現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，Ⅱ+Ⅲ礦平均厚度約3.5 m（包括夾2層），Ⅰ礦平均厚度約1.8 m，該實(shí)施區(qū)域的多層狀礦體上盤(pán)、下盤(pán)圍巖移動(dòng)角分別為48°和53°，其開(kāi)采擾動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)示圖如圖3所示。圖3中h為階段高度為30 m，礦體傾角λ=60°，礦體上盤(pán)巖石移動(dòng)角為α=48°，礦體下盤(pán)巖石移動(dòng)角為β=53°，a為Ⅱ+Ⅲ礦層開(kāi)采對(duì)Ⅰ礦層的擾動(dòng)范圍垂直高度，b為Ⅰ礦層開(kāi)采對(duì)Ⅱ+Ⅲ礦層的擾動(dòng)范圍垂直高度，c為礦層水平間距。

根據(jù)圖4中的幾何關(guān)系，擾動(dòng)范圍垂直高度a和b關(guān)于礦層間距c的關(guān)系式分別為：

圖4　多層狀礦體開(kāi)采擾動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)示圖（圖中線條改為黑色）

由于夾1厚度為4.0～6.0 m，即Ⅰ礦與Ⅱ+Ⅲ礦之間的水平間距c在4.6 m～6.9 m之間變化，需要分為單一礦體擾動(dòng)影響和Ⅰ礦與Ⅱ+Ⅲ礦相互擾動(dòng)影響兩種情況來(lái)分析，具體如下。

（1）單一礦體擾動(dòng)影響。

結(jié)合式（1）可知，當(dāng)c≥5.3 m時(shí)，Ⅱ+Ⅲ礦回采對(duì)Ⅰ礦的擾動(dòng)范圍垂直高度a將會(huì)超過(guò)階段高度h=30 m，此時(shí)在一個(gè)階段內(nèi)同時(shí)回采Ⅰ礦和Ⅱ+Ⅲ礦時(shí)，不用考慮回采Ⅱ+Ⅲ礦對(duì)Ⅰ礦產(chǎn)生的圍巖擾動(dòng)影響，只需要考慮Ⅰ礦回采對(duì)Ⅱ+Ⅲ礦的擾動(dòng)影響，即只要根據(jù)式（2）來(lái)確定Ⅱ+Ⅲ礦超前回采的協(xié)同推進(jìn)步距。以c=6 m為例，結(jié)合式（2）可得b=3.7 m，即Ⅱ+Ⅲ礦超前回采的協(xié)同推進(jìn)步距至少要3.7 m。

（2）Ⅰ礦與Ⅱ+Ⅲ礦相互擾動(dòng)影響。

同理，當(dāng)c＜5.3 m時(shí)，Ⅱ+Ⅲ礦回采對(duì)Ⅰ礦造成擾動(dòng)影響，同時(shí)，Ⅰ礦回采對(duì)Ⅱ+Ⅲ礦也會(huì)造成擾動(dòng)影響。此時(shí)，為避免Ⅰ礦和Ⅱ+Ⅲ礦之間的相互擾動(dòng)影響，協(xié)同推進(jìn)步距的最小值要從h-a和b中選取最大值，即Max（h-a，b）。以c=4m為例，分別將c=4 m帶入式（1）和式（2）中得a=22.7 m，b=2.5 m，此時(shí)Ⅱ+Ⅲ礦超前回采的協(xié)同推進(jìn)步距至少要7.3 m。

因此，在回采過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)夾1層的實(shí)際水平厚度來(lái)確定并分析礦體開(kāi)采擾動(dòng)影響的類型，然后結(jié)合式（1）和式（2）來(lái)確定Ⅱ+Ⅲ礦超前回采的協(xié)同推進(jìn)步距。

3.3　采場(chǎng)礦柱留置及采空區(qū)處置

在回采過(guò)程中，頂板不穩(wěn)定區(qū)域仍采用錨桿（網(wǎng)）支護(hù)，在礦層破碎、斷層、褶皺（特別是向斜構(gòu)造）處留置規(guī)格為3 m×3 m的礦柱，確?；夭蛇^(guò)程中的作業(yè)安全。

采場(chǎng)內(nèi)的礦柱不回收，底柱隨生產(chǎn)中段結(jié)束后再進(jìn)行統(tǒng)一回收?？諈^(qū)多以敞開(kāi)式存在，回采結(jié)束后封閉處理。

3.4　采場(chǎng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

采用協(xié)同推進(jìn)回采Ⅱ+Ⅲ礦和Ⅰ礦采場(chǎng)，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：電耙出礦效率為80 t/班～120 t/班，炸藥綜合單耗為0.5 kg/t，采場(chǎng)貧化率為17.36%，采場(chǎng)回采率為75.92%，采切工程量為414.6 m/1931.92 m3，千噸采切比為18.8 m/kt（87.7 m3/kt），采場(chǎng)生產(chǎn)能力為80 t/班～120 t/班。

4　優(yōu)劣性分析

相較于原來(lái)的淺孔留礦法分層開(kāi)采方式，多層狀傾斜礦體階梯式協(xié)同推進(jìn)集中出礦留礦法具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）階梯式協(xié)同推進(jìn)方式，將天井、電耙道和漏斗布置在夾1層中，同時(shí)回采Ⅱ＋Ⅲ礦和Ⅰ礦采場(chǎng)，形成夾制作用支撐夾1層，減緩其回采過(guò)程中的冒落，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）減少了圍巖冒落、礦柱留置和Ⅰ礦層損失，回采率提高了4.5%，貧化率降低了2.9%，采場(chǎng)千噸采切比從22.8 m/kt（102.6 m3/kt）降低至18.8 m/kt（87.7 m3/kt），節(jié)約了14.5%的采切成本，縮短了采場(chǎng)準(zhǔn)備時(shí)間。

（3）協(xié)同推進(jìn)回采Ⅱ＋Ⅲ礦和Ⅰ礦采場(chǎng)，集中出礦方式提高了采場(chǎng)生產(chǎn)能力。

但是，采用階梯式協(xié)同推進(jìn)集中出礦的方式開(kāi)采，也存在以下不足。

（1）采場(chǎng)爆破作業(yè)必須嚴(yán)格控制爆破工藝參數(shù)和單次炸藥量，盡可能確保頂板完整性，不然容易造成采場(chǎng)之間相互影響，增加作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）每次爆破作業(yè)后，必須嚴(yán)格控制出礦量，否則容易造成出礦不平衡，導(dǎo)致兩側(cè)采場(chǎng)的作業(yè)空間超高，不利于鑿巖作業(yè)，形成安全隱患。

（3）實(shí)施過(guò)程中需要嚴(yán)格控制兩側(cè)采場(chǎng)的生產(chǎn)步調(diào)，合理保障協(xié)同推進(jìn)步距，增加了作業(yè)過(guò)程中的管理難度。

5　結(jié)論

（1）針對(duì)多層狀傾斜薄礦體開(kāi)采的技術(shù)難題，引入“協(xié)同開(kāi)采”理念，并結(jié)合礦體賦存條件，綜合分析相鄰礦體開(kāi)采擾動(dòng)關(guān)系，將礦層水平間距在4.6 m～6.9 m之間變化的多層狀傾斜礦體分為兩種擾動(dòng)情況，并分別給出了相應(yīng)的計(jì)算公式，為實(shí)際開(kāi)采提供了科學(xué)的理論指導(dǎo)依據(jù)。

（2）工程實(shí)踐證明，階梯式協(xié)同推進(jìn)集中出礦留礦法在回采夾層厚度5 m左右的多層狀傾斜礦體取得了不錯(cuò)的成效，相較于傳統(tǒng)的留礦法在作業(yè)環(huán)境安全性、資源回收率、經(jīng)濟(jì)合理性、生產(chǎn)效率等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，為多層狀傾斜薄礦體的開(kāi)采提供了一定的參考價(jià)值。

（3）隨著采礦理論研究不斷深入、采礦工藝參數(shù)的完善、采礦設(shè)備的進(jìn)步、控制爆破技術(shù)的廣泛應(yīng)用，階梯式協(xié)同推進(jìn)集中出礦的方式在多層狀礦體的開(kāi)采中將會(huì)得到較廣泛的應(yīng)用。

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Optimization Research and Application of Shallow Hole Shrinkage Method for Multi-Layer Inclined Orebody

In view of the problems of high dilution rate, large waste of resources and high safety risk in the mining of multi-layer orebody by shallow hole shrinkage method. By combining with he engineering and technical conditions of a multi-layer inclined orebody, by introducing the concept of "synergetic mining", this paper puts forward the concentrated ore drawing shrinkage method with stepped collaborative propulsion. The engineering practice shows that compared with the original shallow hole shrinkage method, the stope recovery rate is increased by 4.5%, the cost of mining and cutting is reduced by 14.5%, the preparation time for mining and cutting is effectively reduced, and the working environment is also significantly improved, so as to provide some reference for the mining of other similar ore bodies.

multi-layer inclined orebody; stepped collaborative propulsion; concentrated ore drawing; shallow hole shrinkage method

TD8

A

1008-1151(2022)07-0021-04

2022-03-30

段志偉（1988－），男，湖南衡陽(yáng)人，南方錳業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司大新錳礦分公司工程師，研究方向?yàn)榈V業(yè)工程。