无底柱分段崩落法在松软破碎难采矿体条件下的应用

段文权，逄铭璋，夏长念

（中国恩菲工程技术有限公司，北京，100038）

1 前言

无底柱分段崩落法属于连续开采方式，在覆盖岩层下放矿，以崩落覆岩充填采矿区管理地压，生产成本低，效率高，在我国金属地下矿山应用广泛。无底柱分段崩落法凿岩巷道位于矿体内，因此一般要求矿体条件为稳固到中等稳固，以掘进井巷不需要支护、炮孔不变形为好。无底柱分段崩落法安全程度高、机械及自动化水平程度高、生产组织灵活方便，生产效率高，开采成本低。金山店铁矿矿体松软破碎，采场地应力大，生产初期遇到了回采巷道破坏严重，生产能力严重受限制等问题，也曾引发了关于无底柱分段崩落法是否适用于松软破破碎类型矿体的争议，但是金山店铁矿经过多年的生产实践和不断完善采矿工艺和采场结构参数，使得无底柱分段崩落法在这该矿山达到了一般适用条件下的矿山同样的理想效果。

2 赋存条件

金山店铁矿张福山矿床属接触交代矽卡岩型铁矿床，矿岩赋存条件复杂，矿体软弱破碎，是我国冶金地下难采矿山最著名的 “两洼一店一门”其中之一。

张福山矿床内主要有Ⅰ、Ⅱ号两个大矿体，其中Ⅰ号矿体沿走向长度2.7km，属倾斜至急倾斜矿体，倾角一般65°以上；Ⅱ号矿体的规模在矿床中仅次于I号矿体，位于I号矿体下盘，两者相距15～120m，Ⅱ号矿体沿走向长度约1km。Ⅰ、Ⅱ号两个矿体形态都比较规整，矿体形态变化不大，均属厚至厚大矿体，矿体形态较简单，在平面上呈条带状展布，剖面上呈似层状，部分为脉状。

金山店铁矿开采中段主要有-270m、-340m、-410m中段及-410m以下几个中段，通过几十年的开采，目前已开采至-410m中段。

矿岩主要力学性质见表1。

金山店矿区初始地应力场的最大主应力方向为南北方向，其大小可在1～2倍自重应力之间考虑。矿体上、下盘围岩距离离矿体处较远，节理密度一般在5条/m左右，围岩的完整性较高，节理裂隙虽然发育但其规律性增强。矿体上盘围岩是矽卡岩、变质粉砂岩和泥质黑云母角岩，中等稳固；矿体下盘围岩是石英闪长岩、二长花岗岩、大理岩和矽卡岩，RQD值普遍较高，多数大于50%，最低为30%，稳固性较好。近矿围岩与矿体之间的含矿蚀变带节理裂隙非常发育且不具有规律性，其密度一般为5～15条/m，局部可达30条/m，其延展性较差，多为不规则杂乱节理，成组性不强，岩体结构以镶嵌结构及碎裂结构为主，稳固性差至极差。

矿体根据其稳定性主要分为两大类：块状磁铁矿石和粉状磁铁矿石，不同的矿石稳定性差异很大，其中块状磁铁矿矿石结构致密坚硬，节理裂隙不发育，属中等稳固性矿石；粉状磁铁矿矿石结构松散，与块状磁铁矿石赋存在一起，只是不同区域赋存比例不同，大致分布为西区块状磁铁矿石占比大、粉状磁铁矿石占比小，东区粉状粉状磁铁矿石占比大、块状磁铁矿石占比小。粉状矿石是影响安全、高效开采的主要因素，粉状磁铁矿石呈不规则状夹于块状矿石之中形成软弱夹层，单轴抗压强度＜5MPa，极易冒落，属稳固性极差的矿石，当粉状磁铁矿石含水量接近饱和状态时，容易形成泥石流。

根据矿体三维模型统计，Ⅰ号矿体粉矿占27.15%，Ⅱ号矿体粉矿占37.94%，Ⅱ号矿体主要分布在东区，Ⅰ号矿体横跨东区和西区，东区粉矿占38%～40%，粉矿比例大。在粉矿磁铁矿占比较大区域，中段穿脉巷道穿过粉状磁铁矿石区域的施工和支护遇到很大困难，采准巷道、出矿进路的施工也面临着相同的问题，巷道难以成型，容易垮塌，支护工程量大。

经过多年生产实践，矿、岩稳固性及支护情况对比见表2。

表1 矿石和围岩的物理力学性质

表2 矿、岩稳固性及支护情况对比

3 采矿工艺

无底柱分段崩落法一般适用于具备以下开采技术条件的矿山：矿体急倾斜或者虽矿体倾角较缓但厚度极厚，矿体稳定性要求中等稳固～稳固[1]，以采矿巷道不需要支护、凿岩炮孔不易变形为好，上盘围岩不稳固或者可以通过强制爆破实现崩落可形成大块，下盘围岩稳固。

无底柱分段崩落法是最安全的采矿方法之一，该方法的所有采矿活动均在较小的空间里完成。无底柱分段崩落法采矿环节主要可分为四个部分，掘进并加固平巷，凿岩，爆破，放矿、装矿和运输。该方法回采工序重复进行，因而几乎全部采矿作业均能实现标准化，意味着能实现高度机械化。该方法采用标准化、专门化的采矿作业和设备，在各自独立的水平上与无轨运输系统配用，能达到高度的灵活性。无底柱分段崩落法有助于集中作业，改进管理和生产条件，通常在下部各水平进行开拓准备的同时，可在上部水平进行回采的各个作业，容易实现将各作业编排在一个统一的系统中，且各作业不容易发生干扰。

通常来说，无底柱分段崩落法更适用于矿体较稳固的开采条件，主要是因为无底柱分段崩落法的凿岩、爆破和出矿都在采矿进路里完成，而且一般在覆盖岩层下，采用后退式开采方式，因此采矿进路巷道的稳定性对于无底柱分段崩落法的效率、安全、成本控制都很重要，是实现无底柱分段崩落法高效、安全开采的关键要素。

金山店铁矿开采技术条件中影响高效、安全开采的因素就是粉状磁铁矿石的含量。对于粉状磁铁矿石含量较大区域，矿体稳定性极差，该区域的中段穿脉巷道和采矿巷道需要采用超前支护和的支护方式采能实现安全开采。由于粉状磁铁矿石分布没有规律性，早期，对粉状磁铁矿石影响开采的认识也不足，粉状矿石含量较大区域过程中，采矿进路只采用常规的喷砼或喷锚网支护方式，导致大量采矿进路破坏严重，提前完成的爆破变形严重，凿岩返工率很高，巷道维护量很大，初期生产贫化率和损失率都比较高，生产能力达不到设计要求。

围绕以上问题，金山店铁矿通过对无底柱分段崩落法的改进，加大出矿穿脉间距、低贫损放矿、完善支护方式、平衡采准和回采之间的时间关系，以及采矿设备大型化、液压化等，使得无底柱分段崩落法得到了好的应用，达到了理想效果。

3.1 加强放矿管理实现低贫损放矿

无底柱分段崩落法的一大特点是损失贫化率高，因此放矿管理需要严格要求，通过多年的生产实践，改截止品位法放矿为低贫损放矿法。

放矿要严格按计划进行，保证本分段采场只出矿60%～40%，其余矿石转到下分段放出，由于本分段出矿量的减少，使覆盖层废石边界到出矿口的距离增大，因此下分段放矿椭球体长轴长度增大，同时椭球体短轴长度也增大，结合出矿进路断面的加大，使放矿椭球体发育更好。如果只是进路间距增大，放矿还是沿用原来的截止品位法，将给生产带来严重问题，要注意的问题是，由于放矿椭球体高度的增大，就使下盘损失增大，为了解决此问题，生产中应适当加大下盘崩岩爆破量。金山店铁矿在地表安装了干选抛废系统，保证入选品位的稳定同时，也建少了选矿生产成本，减少了废石混入。

采用低贫损放矿后，通过加强管理，科学调度，损失、贫化率分别达到了21%、18.5%。

3.2 调整采场结构参数

金山店铁矿原分段开采高度14m，采矿进路间距10m。通过调整进路间距，将块状磁铁矿石区域的采矿进路提高到16m，由于粉矿流动性较差，根据粉矿含量不同，将粉矿内进路间距调整为12～14m。与原结构参数相比，千吨采切比由原来的6.8m/kt下降到3.88m/kt。千吨采切比的下降，直接降低了采矿成本，对张福山这种含粉矿率较高的矿床意义更大，降低千吨采切比就意味着少在粉矿内掘进巷道，减少在粉矿内掘进巷道就减少了采矿难度，减少了支护量，降低了掘进单位成本。

进路间距的增加，使得开采范围内总的采矿进路数量减少，总的采矿进路掘进工程量减少，减少了掘进工段的工作强度，采矿巷道的总维修量得到大幅度减少，采矿和掘进的衔接更顺畅，采切准备和采矿间隔时间得到缩短，采矿巷道利用率大幅度提供，每年在采矿准备方面的投入减少的同时给矿山带来更好的经济效益。

3.3 优化支护方式

金山店铁矿上、下盘围岩条件总体来说属于中等稳固至稳固岩体，上、下盘巷道一般采用喷砼或者喷锚网的支护方式就可以满足井下开采要求，但是生产初期，由于对岩石力学工作的不深入，关于粉状磁铁矿石对采矿巷道稳定性的影响认识不足[2]，导致穿越粉状矿体的中段运输穿脉巷道和采矿进路巷道破损、塌落严重。通过多年生产时间，金山店铁矿在粉状矿石和近矿围岩与矿体之间的含矿蚀变带中的巷道采用了网格浇砼的高强度支护方式，使巷道结构稳定性得到大幅度提高，解决了粉状矿石中巷道成型难的问题，同时高强度支护也解决巷道需要大量返修的问题，粉状磁铁矿石区域的矿石回收率也提高，粉状区域由于流动性较好导致上部废石混入率较大的问题也得到较好的解决。通过加强巷道支护，虽然支护量较大，但是采场准备时间和数量减少，各回采工艺的衔接更有序，生产能力得到提高和保障。

3.4 调整凿岩爆破参数

粉状矿石含量较大区域，尽量维持炮孔不变形以达到好的爆破效果，是金山店铁矿采用无底柱分段崩落法开采工程需要面临的重大问题之一。

金山店铁矿原来采用的中深孔凿岩设备是YGZ90导轨式凿岩机，炮孔直径约60mm，成孔效率较低，相应的炮孔参数较小，总的炮孔数量多，遇到粉状矿石含量较大区域，炮孔错孔、挤孔等变形严重。由于导轨式凿岩机生产效率较低，经常遇到后排炮孔还没有完成凿岩，前排炮孔出现变形待维护的状况，凿岩返工率高，导致凿岩效率更低。由于炮孔大量破坏，正常装药爆破无法进行，巷道冒落塌陷不断发生。在Ⅱ矿体粉矿占比大的区域，通常遇到提前凿岩的炮孔全面遭到破坏，导致整条采矿进路无法及时爆破，采矿盘区内进路不能实现同步退采，使得采矿贫化率、损失率增大，回采工序受到严重干扰，盘区生产能力得不到保障，影响矿山全年生产任务。

金山店通过采用中深孔液压凿岩台车，加大炮孔直径至76mm，加大凿岩、爆破参数至2×3m，一方面成孔效率提供了，凿岩时间缩短，爆破效率提高，另一方面炮孔直径的加大减少了炮孔的错堵，炮孔完好率提高。

3.5 加强生产管理平衡掘进与回采时间、空间关系

生产初期，为了保障采矿各工序之间的平衡和有效衔接，金山店铁矿根据无底柱分段崩落法的采矿准备、凿岩爆破、出矿等几个工序，在不同的分段平面进行采切、凿岩、爆破的立体式作业。对于矿岩条件都稳固的区域，这种多分段同时进行不同工序的作业也能满足生产要求，但是对于矿岩条件差的区域，由于完成1条一般厚度的进路开采都在3个月以上甚至更长时间，较长时间提前完成的采矿进路巷道会出现严重的破坏，较长时间提前完成凿岩的炮孔补充率大幅提高。因此，金山店铁矿根据不同区域的岩石条件，调整掘进与回采时间、空间关系，对于岩石条件较差区域，采用效率更高的凿岩设备和出矿设备在同一水平或者上、下水平作业，实现强掘、强采、强出，极力缩短采矿进路准备和凿岩、爆破以及出矿时间。

3.6 提高出矿效率

根据金山店铁矿矿岩条件，特别是粉状矿石含量较大区域，只有通过强采强出，尽量缩短该区域采矿进路的生产服务时间，才能有效降低该区域采矿进路的维护和凿岩炮孔的返修。生产初期，金山店铁矿出矿设备采用气动装运机，虽然目前国内使用装运机的矿山已经很少，但是在金山店铁矿生产初期装运机也是国内大部分金属矿山的主力出矿设备，该设备与铲运机相比，生产能力低，大块处理能力低，大块处理通过频繁的爆破既影响采矿效率，更加大了独头采矿的通风难度，出矿效率受到极大的限制。

21世纪初，金山店铁矿引进了进口的电动铲运机进行出矿，不但提高了出矿效率，而且采用电动铲运机相比于柴油铲运机，对井下环境影响小，井下通风效果得到提高。

4 结语

金山店矿体的最大特点是粉矿含量较大，在粉矿内开凿巷道非常困难，巷道支护也很困难，张福山矿床已经试验过多种采矿方法，其中包括有底柱分段崩落法、阶段空场法、分段空场法、无底柱分段崩落法等采矿方法。实践证明无底柱分段崩落法较适应张福山矿床开采技术条件，通过对无底柱分段崩落法的改进，加大出矿穿脉间距、实现低贫损放矿，能使无底柱分段崩落法在松软破碎矿体类矿山取得良好的回采效果，彰显了无底柱分段崩落法在金山店铁矿使用的高效、安全。

[1]于润沧.采矿工程师手册（下）[M].北京：冶金工业出版社，2009；

[2]明世祥.无底柱分段崩落法在武钢地下铁矿中的应用实践[J].金属矿山，2005，01，01