不稳固倾斜中厚矿体开采方法探讨

李彦龙

(金川集团有限公司龙首矿， 甘肃金昌市 737104)

不稳固倾斜中厚矿体开采方法探讨

李彦龙

(金川集团有限公司龙首矿， 甘肃金昌市 737104)

急倾斜不稳固中厚矿体的开采是一个世界采矿技术难题。对国内外倾斜中厚矿体开采现状进行了介绍和总结。对急倾斜不稳固中厚矿体，国内外均采用竖井－斜坡道联合开拓，采矿方法以崩落法为主。对不稳固缓倾斜中厚矿体采矿方法发展趋势进行了探讨。

急倾斜不稳固中厚矿体;开拓方案;开采方法;发展趋势

在我国金属矿床地下开采中，中厚倾斜矿体开采数目约占矿床开采总数的23%左右。而随着地下开采深度的增加，许多矿体都出现尖灭现象或分枝复合现象，这将使中厚倾斜矿体的开采比例进一步增大。对不稳固中厚急倾斜矿体，应根据不同的开采技术条件选择不同的采矿方法，并且要求矿块生产能力大，采场周期短，采准工程能灵活布置。

1 开拓方法

国内对于埋深较大的急倾斜中厚矿体，普遍采用竖井－斜坡道联合开拓，生产规模较大的一般采用多井单斜坡道开拓。例如，凡口铅锌矿，矿体长度400～800 m，倾角 70°～80°，生产能力 1200 kt/a。采用竖井斜坡道开拓;金山店铁矿矿体倾角57°～87°，水平厚度约50 m，设计生产能力2000 kt/a，采用竖井斜坡道开拓;小寺沟铜矿，单条铜矿体厚度3～65 m，主矿体平均厚48 m，倾角65°～68°，生产能力500 kt/a，采用竖井斜坡道开拓;金川矿区均采用竖井斜坡道开拓。

国外也广泛采用竖井－斜坡道开拓方案，生产规模大的一般采用多井多斜坡道开拓。

瑞典格兰厄斯贝格(Grangsberg)铁矿，主矿体长约1400 m，矿体宽20～90 m，平均约50 m，倾角65°～70°，矿体延深1000 m以上，矿山日生产能力1．30 kt，采用竖井－斜坡道开拓。

瑞典基律纳铁矿，主矿体长达4 km以上，平均厚度90 m，局部厚度达 200 m，倾角40°～75°，矿体延深1000 m以上，年生产能力6000～8000 kt，最高达24600 kt，采用竖井－斜坡道开拓。竖井11条，其中10条供提升矿石用，1条提升废石用。全矿共有斜坡道7条，主斜坡道出口位于露天坑底，人员、设备与材料经主斜坡道进入阶段斜坡道至各工作面。

加拿大克赖顿(Creighton)铜钼矿，矿体下盘倾角大于50°，矿体厚度45～120 m，深度从地表向下延深至少2590 m，日产矿石能力14500 t，采用竖井－斜坡道开拓。该矿从地表至30阶段，掘了1条长3048 m的螺旋形斜坡道，垂深570 m，斜坡道断面 4．8 m ×2．4 m，坡度 10°。

澳大利用芒特艾萨铜铅锌矿，成矿带南北走向，长4 km，宽 900 m，矿体倾角 65°，埋深 600 m，年产矿石量近10000 kt。采用竖井－斜坡道开拓，井下采用有轨运输。

美国亨德森(Henderson)铜矿，矿体形态如一倒置的茶杯，平面呈椭圆，长轴910 m，短轴670 m，厚400～800 m，平均倾角大于55°，日产矿石30 kt。该矿采用竖井开拓，掘有3条竖井，为通行无轨自行设备，各生产水平及拉底水平之间都掘进了彼此相通的斜坡道，斜坡道坡度6% ～15%，断面4．8 m×2．4 m。

2 国内外不稳固倾斜中厚矿体开采现状

该类矿体地下开采常用的采矿方法有无底柱分段崩落法、阶段自然崩落法、有底柱分段崩落法等，以及近年发展创新的盘区阶段连续崩落采矿法。其中，对矿岩稳固性差或围岩应力高的开采技术条件，也有采用分层回采的点柱充填法或进路式回采法。

2．1 无底柱分段崩落法

(1)程潮铁矿无底柱分段崩落采矿法。程潮铁矿为大冶式热液交代矽卡岩矿床。矿石主要为磁铁矿，矿体平均含夹石率18% ～22%，平均厚度40 m，平均倾角46°。该矿使用无底柱分段崩落法，阶段高度70 m，分段高度8～14 m，进路间距10 m，矿块长度40～50 m，回采进路垂直走向布置。生产中每2个矿块设置1个废石溜井。设备井与提人电梯井分开布置，设备井间距为300～500 m，这种布置优点是设备能整体上下，不与人员提升干扰。

(2)加拿大克莱蒙铜矿无底柱分段崩落采矿法。矿体急倾斜，主矿体厚度为45 m，走向长240 m，延深在600 m以上。矿石有黄铜矿、磁铁矿、镜铁矿等，铜矿石品位1．76%，地质储量为17000 kt以上。矿体有裂隙断层影响，开采时需要支护。围岩为硬砂岩、安山岩和闪长岩等，裂隙和节理发育，严重的角砾岩化，很不稳固。该矿采用无底柱分段崩落采矿法。分段高度9．5 m，回采平巷断面为4 m×3 m，间柱宽度为7 m，回采平巷水平间距为11 m，边孔倾角为74°。采场垂直走向布置，各水平之间以最大斜率为20%的斜坡道联通，全部运输平巷和斜坡道都掘在岩石里，巷道断面形状为拱顶，高为3．6 m，宽为4．0 m，所有巷道均采用光面爆破施工，并用锚喷支护。在回采巷道未端掘进15 m高的切割天井并分段爆破形成切割槽，矿石用铲运机缷入溜矿井中。

2．2 阶段自然崩落法

(1)俄罗斯巨人矿阶段自然崩落采矿法。该矿为水赤铁矿和假像赤铁矿床。矿体厚度超过50 m，急倾斜，含铁品位56%，矿体不太稳固，f=4～6。顶板岩石为角岩，f=6～8，粘土质绢云母片岩，f=4～3。底板岩石为水赤铁矿角岩和假像赤铁矿角岩，f=8。该矿采用阶段自然崩落采矿法，矿块高51 m，宽52 m，底柱高9 m。底部布置有电耙出矿的二次破碎巷道和漏斗，漏斗间距5～6 m。在矿块垂直高度上每隔10 m掘进分段平巷，以便圈定和切割矿体边界，拉底层高5～7 m。拉底层为先掘竖向切割天井和拉底平巷，然后以切割天井和拉底平巷为自由面一次爆破形成拉底层。拉底层和边界切割巷道完成后，矿块即开始自然崩落，崩落的矿石经漏斗到二次破碎巷道，二次破碎后用电耙扒至平巷装车运出。矿块面积4500～5700 m2;电耙工效60～100 t/工班;采矿工效58～61 t/工班;矿石损失率6% ～14%;矿石贫化率5．4%。

(2)山西铜矿峪自然崩落采矿法。铜矿峪是我国成功应用自然崩落采矿法的矿山，年生产能力4000 kt以上，铜品位0．57%左右。该矿5#矿体全面采用自然崩落采矿落法，矿体平均厚180 m，长600 m，矿岩界线明显，矿体倾角 40°～50°，矿岩坚固稳定，f=8～12。中段高120 m，底柱高7～10 m，漏斗间距10 m，为回采下盘矿石，降低贫化，在下盘岩石中布置3层放矿漏斗，采用穿脉运输巷道装车的环形运输系统，穿脉间距60 m，出矿巷道垂直布置在穿脉巷道顶板上，间距20 m。每条电耙巷道成对称式布置3对漏斗，漏斗间距10 m。拉底巷道沿矿体走向布置，间距10 m，与出矿巷道垂直距离7 m左右，采用上向中深孔拉底，拉底高度7 m，并用巷道和深孔切帮等方式，削弱矿块与相邻矿石和围岩的联系，使矿块内的矿石在自重的作用下自然冒落。采用90 kW电耙和3．5 m3铲运机出矿。铲运机出矿效率280 t/台班;电耙出矿效率40 t/台班;矿石损失率8．9%;矿石贫化率11．9%。

2．3 有底柱分段崩落法

该矿属中温热液浸染型矿床，矿体水平厚度3～50 m，平均厚度18～22 m，矿体倾角70°～80°，比较稳固，但节理发育，易于冒落，对贫化影响大，下盘为紫色泥质白云岩和板岩互层，f=4～6，不稳固。

采场垂直走向布置，一般1条电耙道划分1个采场，只有在矿体较薄的区段才沿走向布置。由于下盘岩石不好，放矿溜井、人行、进风、材料天井均布置在上盘岩石中。回采落矿采用竖向崩矿，挤压爆破，补偿空间一般不超过18% ～20%。凿岩采用YQ－100型凿岩机，炮孔直径为105～110 mm，炮孔深度为15～20 m，最小抵抗线为3．0～3．3 m，孔底柱3．0 ～3．5 m，矿石用电耙运输，矿房回采后，回收矿柱。

采场生产能力200～240 t/d，电耙效率(28 kW或30 kW)75 t/台班，采掘比31 m/kt，矿石损失率15% ～20%，矿石贫化率20% ～30%。

2．4 盘区阶段连续崩落采矿法

会东铅锌矿矿床由1号和2号2个矿体组成，1号矿体规模较大，是勘探和开采对象，分为9个矿段，其中Ⅰ－Ⅴ矿段储量占总量的95%以上。

该矿二期地下开采采用盘区阶段连续崩落法，该法是有底柱分段崩落法的发展，其回采工艺相同。不同之处是以盘区为采场，不分矿房矿柱，采场端部全阶段全断面挤压爆破;出矿道走向与凿岩平巷垂直布置;放矿点滞后回采工作面一定距离，每次只放出部分崩落矿石，使崩落矿石与覆盖层的接触面保持斜面，从而简化采矿工艺，提高采场生产能力、降低矿石贫化损失，减少覆盖层工程量，获得好的经济效益。

盘区宽度为边坡表面至边坡内矿体边界线之间的距离，盘区长度为南边坡1线至西边坡9线两端矿体边界线之间的距离，分段高度12 m，分段凿岩平巷垂直南边坡走向布置，间距18 m。电耙道沿南边坡走向布置，间距12～14 m，底柱高度6 m。各分段联巷布置在南边坡内矿体边界线外，均与电梯井、进风井、矿石溜井、废石井、采区回风井相通。

2．5 点柱式充填采矿法

(1)印度摩沙巴尼铜矿。该矿矿体厚度大于6 m，个别达20 m，倾角45°左右。矿体顶板不太稳固，需要支护。在矿体中或矿体下盘，沿矿体走向每隔13 m设1条矿石溜井，溜井倾角50°。在采场中央沿下盘接触带掘1条辅助天井，并在采场两端紧靠上盘接触带开凿通风天井。采场底柱高8～10 m，采场内留方形点柱，点柱断面4 m×4 m，间距10 m×20 m。回采工作从底柱上拉底层开始，由下至上分层进行，浅孔凿岩，分层最大采高4．7 m，分层矿石出完后，即用分级尾砂进行充填，充填高度2．2 m，留下2．5 m的净空以便采矿作业。采场顶板局部破碎处采用锚杆支护。该矿矿石损失率为15%。

(2)加拿大斯特拉斯康纳(Strathcona)镍矿。该矿是加拿大鹰桥镍矿公司下属矿山，1970年代其矿石年产量为2200 kt。矿山开始采用水平分层充填采矿法(采用两步骤回采)，以及房柱法开采。该矿是世界上最早把垂直走向布置采场的方案改用点柱充填法的矿山，点柱充填法采场长为56～57 m，包含3～4排断面为5．4 m×5．4 m的方形点柱。

2．6 下向分层充填采矿法

布尔弗罗格矿的矿体向西倾斜，倾角45°。走向SN，矿化带从海平面以上1010 m水平延到775 m水平。北矿体走向长度从露天坑北边坡延长650 m，走向总长度为1500 m，包括主要位于露天坑底下面的西南延伸部分。矿体不稳固，下盘围岩较坚硬，其抗压强度为34．5 ～103．4 MPa。

矿山采用下盘斜坡道开拓，斜坡道入口标高1006 m，从露天坑北部边坡向下掘进。该主斜坡道坡度－15%，断面尺寸5 m×4 m。斜坡道位于下盘围岩中，距矿体40 m。在几个中段水平，掘进分支斜坡道与矿体相联。

该矿采用下向分层进路充填采矿法，回采进路用单臂凿岩台车凿岩，药卷爆破。爆破后用气腿式凿岩机在爆堆上钻凿锚杆孔。在拱基线(2．4 m)以上铺设金属网，用1．8 m长的缝管式锚杆固定。矿体中的进路部分至少在拱基线以上都要采用金属网全面支护，并加以喷射混凝土。用2．7 m3的铲运机出矿，矿石用114．5 t的汽车运出。

3 国内外不稳固倾斜中厚矿体采矿方法综述

国内外对于埋深较大的急倾斜厚矿体，普遍采用竖井－斜坡道联合开拓，生产规模较大的一般采用多井单斜坡道开拓。

低品位不稳固急倾斜厚矿体地下开采常用的采矿方法有无底柱分段崩落法、阶段自然崩落法、有底柱分段崩落法等，以及近年发展创新的盘区阶段连续崩落采矿法。其中，对矿岩稳固性差或围岩应力高的开采技术条件，也有采用分层回采的点柱充填法或进路式回采。

无底柱分段崩落法主要优点是:采矿方法结构简单，灵活性大，不需留矿柱;工艺过程简单，能充分发挥大型铲、装、运设备的优势，便于实现机械化配套作业，安全性好，采矿成本低，生产效率高。其主要缺点是:在覆盖岩下放矿，损失贫化率高，一般15% ～40%;通风条件差，要施工专用通风巷道;设备维护维修工作量大，维护成本高。

阶段自然崩落法的主要优点在于作业环境安全，通风良好，生产能力大，生产成本低。其主要缺点是基建投资大，建设周期长;灵活性小，一旦使用不成功，要改其它采矿方法很困难;在自然崩落一定范围内大块产出率高，二次破碎工作量大，采准时间长，底部结构的维护费用高，矿石的损失贫化率高，配矿难度大。

有底柱分段崩落法与阶段强制崩落法比较，采矿工艺相同，有底柱分段崩落法爆破规模小，一次钻孔量也少，爆破易于控制，大块率低，出现不良情况时，易于处理，造成的经济损失小，放矿管理简单，能改善底盘倾斜厚矿体的采矿效果。但由于分段采矿，开拓采准工作量大，采矿成本较高。分段崩落法的一次崩出矿量比阶段崩落法的一次崩出矿量少，放出矿石过程中，矿石和覆盖岩石接触量要多，贫化损失率也大些。国外分段高一般在20～30 m之间，贫化率5．7% ～8．3%，损失率6% ～15%，国内分段高一般在10～15m之间，贫化率15% ～35%，损失率10% ～35%。

盘区阶段连续崩落采矿法适用于中等稳固以上的极厚大矿体和稳固性一般的极厚大矿体。该方法能主动控制回采放矿过程，只要严格放矿管理，可以获得较低的贫化损失指标，而且生产能力大、效率高、回采工艺较简单、作业集中、管理方便。

点柱式充填采矿法是房柱采矿法和充填采矿法的结合，无轨铲装设备的广泛应用，促进了该采矿方法的形成和发展。这种采矿方法生产能力大、成本低，而且能有效控制地压。

4 国内外不稳固倾斜中厚矿体开采发展趋势

(1)采矿设备高效化、大型化、自动化。纵观采矿工业的发展和生产效率的提高，无不与采矿机械化和自动化程度的提高密切相关。一般而言，先进的技术和设备在矿山的应用总是滞后于其它行业。但是近年来，各种大型高效的铲装运设备、大孔径凿岩设备、振动出矿和连续采矿设备在矿山的应用推广迅速。可以说，未来的采矿是建立在机械化和自动化基础上的，矿山的整体装备水平将出现质的跨越。采矿设备的高效化、大型化和自动化将是矿山设备的发展趋势。

(2)矿山开采深井化。深井开采将是获取矿产资源的有效途径。经济的发展，促进了矿产资源的过度开采，近年来，矿石每年的开采量远大于当年探明的新增储量，矿产资源紧缺的矛盾将会日益突出，深井开采将是延长矿山服务年限，获得资源的有效途径。研究攻克深井开采中的地热、地压、通风、防水等关键技术，是未来矿山发展的必经之路。

(3)充填采矿法将成为未来低品位不稳固急倾斜厚矿体开采的主要方法。对形态复杂、矿石品位较高的矿体，采用分层充填采矿法开采有诸多优点，但由于其采矿效率低而一度受到限制。近年来，充填采矿机械化水平日益提高，充填采矿法得到了日益广泛地应用，并进入了高效采矿的行列。在国外，尤其是在发达国家，采用充填采矿法的比例近年来也呈逐渐增长趋势。如加拿大充填采矿法的比例就高达40%以上。加上空场采矿法嗣后充填，总量达到70%～80%以上。世界上著名的南非金矿开采深度达3000 m以上，为避免岩爆，广泛采用了充填采矿法。可以预计，随着国家对环境保护要求越来越严格，以及对资源的日益重视，充填采矿法，尤其是机械化分层充填采矿法，将是今后我国采矿技术的一个主要发展方向。

(4)矿山数字化、智能化。应用综合集成化的人工智能技术，解决采矿工程中复杂的系统问题，是采矿工业的前进方向。而数字化矿山是对矿山整体及其相关现象的统一认识与数字化再现，表现为高度信息化、自动化，高效率，以至实现无人采矿和智能采矿。数字矿山以高速企业网为核心，以矿山各个应用技术软件为工具，以高效、自动化的数据采集系统为手段，最终实现矿山产业的信息化、自动化和产业化。

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2010－12－08)

李彦龙(1971－)，男，甘肃天水人，工程师，主要从事矿山生产技术及管理工作。