上横山缓倾斜多层钒矿合理采矿方法探讨

林坤峰，柯丽华，马志伟

（1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉，430081；2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北 武汉430081）

1 上横山钒矿开采技术条件

上横山矿区位于江西省彭泽县城南部约20km。矿区内岩浆活动微弱，褶皱和断裂构造较发育，以断裂构造为主。

矿区圈定钒矿体12个，产状极缓，既有直接露出地表或近地表矿体，又有埋藏于地下数十米的深部矿体，赋矿标高为＋92m～＋245m。矿体与区内地层产状近于一致，总体向南缓倾，矿体多呈层状、似层状平行产出，少数呈透镜状产出，倾向150°～220°，倾角5°～25°，主矿体长约615～952m，倾向延深103～223m；厚度一般为0.81m～5.54m，最大厚度为7.27m，最小厚度为0.69m。赋矿岩石主要为灰黑、黑色炭质页岩、（含）炭质页岩和（含炭）硅质页岩。V3、V4、V5、V8和V11为5个主要钒矿体，有用组分分布均匀，V2O5平均品位为0.7%～0.89%。

矿体围岩和夹石岩性主要为炭质页岩、页岩、硅质页岩和硅质岩，V2O5品位一般为0.12%～0.56%，最高可达0.67%，少数为0.02%～0.14%。围岩和夹石中钒矿化较普遍，可回收利用。矿体围岩和夹石为硅质岩时，矿体与围岩和夹石界线清晰，肉眼容易区分。

矿区水文地质条件较简单，但岩溶发育，对矿床充水有一定的影响，开采时应注意防止坑道涌水。矿区工程地质条件属简单—中等类型，但区内部分地段山坡较陡，岩石裂隙较发育，易产生崩塌及滑坡，应注意预防地质灾害的发生。矿区赋矿岩石和顶底板围岩均为页岩类，少量围岩为硅质岩，薄层状层理及页理极发育，岩石易沿层理剥离。岩石松软系数＜0.75，属软化岩石，易破碎，岩石天然单轴抗压强度＞30MPa，岩石坚硬强度属一般，坑道内需用木材或水泥进行支护，防止塌顶。

2 上横山钒矿开采中面临的问题

上横山钒矿体倾角5°～25°，厚度一般为0.81～5.54m，最大厚度为7.27m，最小厚度为0.69m，属于缓倾斜薄－中厚矿体，矿体V2O5平均品位不高，为0.7%～0.89%。由于矿体的沉积赋存特征，矿体为多层排列分布，矿体的层理结构复杂和弱面发育，难以提高采矿强度和采场回采率，不易降低吨矿投资额、贫化率，采场地压控制难度大、采矿成本高。为此，在上横山多层钒矿高强开采过程中，应重视以下问题。

2.1 地压控制

上横山多层排列缓倾斜薄－中厚矿体的矿层夹石厚度不一，故各矿层之间的间距变化大。同一阶段中，各矿层开采的先后顺序不同，矿层间的扰动影响程度必然各有差异，且随其间距改变而变化。同时，若阶段高度变化，矿层间距变化带来的扰动影响也随之改变，因而增加了地压控制难度。此外，为实现高强开采，同时进行多个矿块回采时，易形成大面积的空区。由于顶板及围岩的稳固性一般，开采后暴露的空区面积过大，若不及时采取有效的地压控制措施，易出现顶板冒落等安全问题。

2.2 贫化与损失

根据矿体规模、矿体形态复杂程度、构造复杂程度和矿床有用组份分布均匀程度等，该钒矿的工业指标如下：V2O5的边界品位为0.5%，V2O5的最低工业品位为0.7%，最小可采厚度为1m，夹石剔除厚度不小于2米。本区矿体围岩和夹石岩性主要为炭质页岩、页岩和硅质页岩，少数为硅质岩，除硅质岩外，矿体与围岩和夹石大多界线不清晰，肉眼不易区分，但矿体围岩和夹石中钒矿化较普遍，一般越接近矿体，钒的含量越高，其V2O5品位一般为0.12%～0.56%，最高可达0.67%，少数为0.02%～0.14%。可见，“多层排列、缓倾斜薄－中厚和层间距离的变化”等矿体赋存特征，以及矿床有用组份分布特点，使得贫化和损失的控制难度加大。

2.3 高强开采工艺的系统有效性

结合该矿生产要求，矿山生产能力需达到3000t／d，开采强度大，故机械化程度要求高、同时开采的矿块数量增加。针对缓倾斜矿体的开采，崩落矿石不能自溜，矿石搬运设备的选择成为高强开采工艺有效实施的关键环节之一。其次，同时开采的矿块数量增加，地压控制及采空区的处理成为安全生产的重要因素，故应针对该矿赋存特征合理选择采矿方法和优化开采顺序。另外，由于矿层间距随阶段高度变化，使得矿层开采顺序带来的扰动影响也随之改变，故采矿方法的确定应具有更大的适应性。

综上所述，上横山多层钒矿高强开采过程中，应妥善处理好地压控制、损失与贫化和开采工艺的系统有效性等问题。为此，本文遵循安全高效、充分回收矿床资源的原则，针对上横山钒矿的矿床赋存特点，提出一种分层连续分采嗣后充填采矿方法，以便提高该钒矿生产能力、降低损失和贫化、有效控制地压、优化开采顺序、合理的控制矿层间相互影响的程度，最终有效地实现高强、安全、低贫化的开采过程。

3 上横山钒矿采矿方案设计

3.1 上横山钒矿采矿方法的初选

3.1.1 类似矿山采矿方法应用现状及趋势

通常采用房柱法、底盘漏斗采矿法和充填采矿法等方法［1］对缓倾斜多层矿床进行开采。其中，房柱法具有采准切割工程量小、坑木消耗少、安全灵活可靠、技术简易可行等优点，但由于矿柱矿量所占比重较大造成矿石大量损失，以及由于采场多以耙矿绞车出矿使得采场工作效率偏低、采场生产能力偏小等缺点。底盘漏斗采矿法具有生产能力大、采矿工效高、采矿成本低等优点，但由于掘进底盘漏斗使得扩漏工程量大、矿体形态适应性差、劳动强度大，以及由于中深孔凿岩落矿造成矿石损失贫化大等缺点。充填采矿法方法具有效率高、机械化程度高、作业安全、矿石损失贫化小、矿体形态适应性强等优点，不足之处是由于充填料费用偏高而导致充填成本较高。针对缓倾斜多层矿床的开采方法呈现出以下发展趋势：其一是针对其矿体倾角缓，逐步使用凿岩、采场运搬等无轨自行设备，提高采场工作效率，保证采矿高效性；其二是针对矿山生产规模小，研究多矿块同时作业，并控制矿石的损失贫化，提高生产能力，扩大矿山生产规模；其三是进一步完善连续充填采矿工艺，尽量避免间断出矿，保证回采与充填的连续性，提高采场工作效率，安全合理控制地压［2－5］。根据当前连续开采工艺环节和连续作业程度的应用情况，连续开采主要表现在以下四个方面：矿房的连续回采、矿体的连续开采、矿石的连续运输、全工艺过程的连续化［6－7］。

3.1.2 上横山钒矿开采方案的设计思路

针对上横山矿体赋存特点，结合类似矿山的生产经验和地表不允许冒落的基本要求，初步选择充填法。为了更好地解决该矿面临的上述三个问题，实现高效安全连续开采势在必行。本文基于上横山钒矿复杂的赋存条件，提出一种分层连续分采嗣后充填的采矿方案。该方案采用注浆胶结回填废石处理采空区，合理控制地压，确保回采工作安全进行；利用胶结废石支撑采空区，有效地支撑顶板岩层的同时，最大限度的回收矿产资源，提高矿石回收率；通过分层分采，合理控制采幅，矿石和夹石分别回采，减小矿石的损失贫化；应用无轨设备出矿，提高采场的生产能力。

3.2 上横山钒矿的典型采矿方案

3.2.1 开采顺序

考虑上横山钒矿体与区内地层产状近于一致，总体向南缓倾的赋存条件，在符合上横山多层矿体的安全开采的前提下，要有利于采场地压管理，采取从上盘向下盘推进的开采顺序，在倾向上先采上段－北部，再采下段－南部，即形成由北向南，自上而下的开采顺序。将上横山矿床沿走向布置盘区，在阶段上采用中央向两翼前进式推进开采，从靠近主要开拓巷道的矿块开始回采，向井田两端边界依次连续推进开采，一步骤回采矿体。

3.2.2 矿块结构参数

由于矿体倾角5°～25°，变化范围较大，且根据盘区斜长来确定阶段高度会导致垂直方向存在不确定性，为了便于整个矿山阶段的划分和管理，在整个采场结构参数确定中，保证阶段高度不变，根据阶段高度来确定盘区斜长。因此，在开采时，初步确定阶段高度30m，根据不同矿体倾角下的盘区斜长不同，可计算盘区斜长在74～344m之间。考虑上横山主矿体长约615～952m，倾向延深103～223m的整体赋存实际情况，将盘区的范围划分为：在走向上从主井到两边排风井的距离为其长度，在倾向上为80～100m，即划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个盘区。各个盘区划分矿块作为独立回采单元，矿块垂直走向布置，矿块尺寸为：矿块斜长为80～100m，沿走向长度为15～25m，高度为矿体厚度，最小开采厚度控制为1.5m。其盘区布置图如图1所示。

图1 盘区布置图

3.2.3 采准和切割

盘区出矿运输平巷沿矿体走向布置在脉外，在矿体内布置切割平巷，作为崩矿的自由面，同时可作行人、通风和排水等用。上山多布置在矿块边界处，沿走向每隔30～50m掘矿石溜井，联通切割平巷和脉外运输巷道。

3.2.4 回采工艺

上横山矿体厚度一般为0.81～5.54m，最大厚度为7.27m，为薄－中厚矿体，采用7655凿岩机打垂直炮孔，炮孔直径Φ40～50mm，孔深视矿体厚度和夹石厚度而定。采用浅孔2＃岩石炸药，起爆采用雷管或非电雷管、导爆管起爆。

具体回采步骤如图2所示，先爆破夹石层，然后运至上分段作为充填料，开采夹石层一段距离后，再爆破矿石层，以矿体厚度一次爆破回采矿体，矿石直接运至溜井，提升至地表。然后利用上分段对采空区充填，废石回填后注浆胶结。爆破后形成的废石堆与矿石堆相隔一定距离，保证运输互不干扰，矿石堆与充填区用隔墙挡板隔住，保证充填、出矿工序独立进行作业。

图2 分层充填采矿法剖面示意图

针对上横山钒矿高强开采，其开采效果需要先进的无轨设备来保障。凿孔设备、凿岩设备、铲装设备及辅助设备等成套化、机械化、无轨化应用于该矿山，能保证该矿山大规模、高效安全开采。爆破矿层后各盘区采用1台斗容4m3无轨电动铲运机将爆破下来的矿石运至盘区运输巷道的溜井中，盘区运距150～250m，铲运机出矿能力90～100t／h，盘区生产能力720～800t／d，四盘区同时开采，满足上横山钒矿生产能力。

Ⅰ、Ⅱ盘区超前Ⅲ、Ⅳ盘区回采两矿块，各盘区矿块按上述步骤依次开采，矿块连续衔接开采。盘区内进行爆破作业时，其他各工序作业停止，待工作面通风安全后再进行矿石的出矿、矿层、夹石层凿岩、废石充填工作。坚持“即采即充”，回采矿石的同时充填采空区；坚持“分采分运”，矿层夹石层分别凿岩爆破，分别运输。凿岩爆破、矿石出矿、废石回填保持一致性，各个工序彼此间独立且循环有序地进行，保证回采工艺的连续进行以及出矿的连续性，实现一步骤的高效采矿及井下采矿作业的合理集中和规模化开采，提高采场生产能力，扩大矿山生产规模。矿块作业即采即充，充分保证充填的连续性以及缩短采空区暴露时间，避免采空区长期存在带来重大的安全隐患，有利于采场地压的管理控制，为井下工人劳动生产率的提高创造良好条件；废石直接回填，减低充填成本、提高充填效率；分采分运连续作业，控制采幅、单采矿石，降低矿石贫化率。

3.3 适用条件

采用高效率的采、装、运无轨设备，使得该方法成为一种高效、高回收率的采矿方法。它适用于地表需要保护、围岩稳固性一般、矿体层状产出的矿床，此外，对生产需求大、矿石损失贫化要求小的矿山较适用。

4 结论

上横山缓倾斜多层钒矿体，矿体赋存条件复杂，开采面临问题较多，难以满足矿山安全、高强、低贫化开采。研究提出的分层连续分采嗣后充填采矿法，不仅适用于该钒矿体复杂的赋存地质条件，且其采矿工艺流程较之国内外同类矿山常规采矿方法有以下特色：

1）地压管理安全。连续充填工艺使上横山矿床不易面临大面积采空区的情况，矿块即采即充减少围岩暴露的时间，矿块注浆胶结充填可以支撑顶板，此连续充填工艺利于采场地压的管理控制，为井下工人劳动生产率的提高创造良好条件。此外，废石直接回填，减少废石井外排放，节约运费、占地费用及保护地表环境，巷道顶板不需要大面积支护，大大降低充填与支护成本。

2）矿石贫化损失小。矿块以矿体厚度开采，采幅度得以控制，分采分运，减小废石混入率，大大降低矿石贫化率；不留设矿石矿柱，最大限度地回收矿产资源，提高矿石回收率。

3）盘区高强开采。凿孔设备、凿岩设备、铲装设备及辅助设备等成套化、机械化、无轨化应用于上横山矿山，使得盘区生产能力和劳动生产率达到较高的指标，保证该矿山作业的连续性及高效性。

分层连续分采嗣后充填采矿法利用注浆胶结废石支撑顶板岩层，控制地压，确保回采工作安全；连续回采、出矿，提高采矿效率；单采矿石，控制采幅，分采分运，减小贫化等优点，对上横山钒矿安全、高强、低贫化开采具有一定的借鉴和指导意义。此采矿方法思想对同类矿山矿产资源的开发利用具有参考价值，其采场具体结构参数有待进一步试验研究。

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