破碎带中“Y”形矿体的安全采矿方法研究

2018-07-27王怀彬

金属矿山 2018年7期

王春王怀彬

（河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454000）

矿业是国民经济的基础，赋存条件复杂矿床的开采是未来人类面临的挑战。目前，基于矿区工程地质条件、环境地质条件、水文地质条件及矿体特征，金属矿床开采可供选择的采矿方法有空场法、充填法、崩落法［1-2］。当矿岩较稳固时，首选空场法进行开采，如刘建龙等［3-4］研究缓倾斜薄矿脉的开采技术条件，提出采用脉内布置运输巷道的全面采矿法、倾斜分条全面采矿法进行开采。如矿岩稳固性极差、地表不允许塌陷时，首选充填法进行开采，如张永利等［5-6］研究了获各琦铜矿、李楼铁矿的开采技术条件，提出分别采用上向水平分层充填法、分段凿岩阶段嗣后充填法进行开采。针对地表允许崩落的矿岩极不稳固的矿床，可考虑采用崩落法进行开采，如谭宝庆等［7-8］提出采用无底柱分段崩落法、伪倾斜壁式崩落法开采矿岩不稳固的缓倾斜矿体。当单一采矿法不能满足矿床开采时，可采取多种方法联合进行开采，如于清军等［9-10］提出的阶段深孔空场崩落法、无底柱分段空场崩落法。

综上所述，关于矿体回采的采矿方法研究较多，研究成果可为各种矿床的开采参考借鉴，但考虑矿体形状的研究还较少。以某铁矿破碎带中呈“Y”形的II号矿体为研究对象，探讨安全、可靠、经济的采矿方案，为类似矿山的开采提供参考依据。

1 开采技术条件

1.1 矿体特征

某铁矿处于藏滇褶皱系康滇地轴南缘武定—石屏隆断束的红河深大断裂以北，矿区及毗邻地带断层、褶皱构造发育。该矿区F4断层西部的II号矿体是主要的开采对象，其沿F4断层向北错开30余米，呈东—西向展布。II号矿体总体长约90 m，厚2～23 m，平均厚13.3 m，控制深度约为80 m，矿体倾角随F4断层倾角的变化而变化，一般倾角45°～55°，倾向北西15°～25°。矿体产出于大龙口组（Pt2d）灰岩破碎带中，呈“Y”形分布，如图1所示。

图1中显示，II号矿体上部分支的左侧厚度、倾角都较小，右侧厚度较大，且近似垂直分布。分支矿体开采时互相影响的赋存高度为1 480～1 530 m。

1.2 矿体及其顶、底板稳定性

矿区的II号矿体赋存的岩层由昆阳群大龙组碳酸盐岩组成，其岩性抗压强度较大、致密性较好，仅针对该岩层时，可认为岩层稳固性好，有利于矿床的开采。但II号矿体产于破碎带中，使对矿床开采造成直接影响的矿体、顶板、底板的稳定性产生变化，需重点考虑。

（1）矿体稳定性分析。矿区具有工业价值的铁矿体主要以块状褐铁矿为主，其次为碎块状褐铁矿、土状褐铁矿，另外在块状铁矿中可见少量氧化铜，分布于流失孔边缘，呈薄膜状。矿石结构主要以流纹结构、蜂巢状、棱角状结构为主，仅少部分呈细粒状、松散土状结构，总体来说矿石结构较致密。矿石的构造以块状构造为主，其次为碎块状、条带状构造，总体来说矿体内的节理裂隙不发育。由于受破碎带的影响，矿体局部地段的裂隙贯通程度大，造成其稳定性较差。综上所述，可认为该矿区II号矿体的稳定性属于中等类型。

（2）顶板、底板稳定性分析。矿区顶板岩性多为灰、浅灰色中—厚层状、部分块状的粉晶灰岩、大理岩化灰岩，少量的为泥质灰岩；底板岩性多为泥质板岩、绢云板岩；II号矿体上部分支所夹区域的岩性类似于矿区顶板的岩性，以灰岩、泥质灰岩为主。仅考虑岩性，矿区顶板及矿体分支所夹岩石的抗压强度较大，坚硬程度中等，有利于矿体的开采；矿区底板岩石的抗压强度则较小，一般为15～30 MPa，不利于矿体的开采。考虑破碎带的影响时，由于矿区断裂构造发育，且铁矿体赋存于破碎带中，沿断裂带上、下盘的岩石裂隙也非常发育，构造降低了岩层的完整性和岩体的强度。因此，综合考虑各种因素，认为II号矿体顶板稳固性较差，底板稳固性极差，严重制约矿体的开采。

2 矿体回采时面临的难题

“Y”形矿体开采时，矿体、围岩的稳固性是必须考虑的因素，除此之外，矿体形状也是不可忽略的，复杂的产状常增加矿体开采的难度。针对某矿呈“Y”形分布的II号矿体的赋存条件，分析开采时可能遇到的难题如下。

（1）采矿方法的选择难度大。由于“Y”形矿体上部分支的倾角、厚度等存在较大的差异，造成采矿方法难以确定。

（2）围岩稳定性控制难度大。“Y”形矿体上部分支所夹区域可认为即是矿体的顶板、也是矿体的底板，矿体2分支的开采都影响其稳定性，该区域是否处理得当，直接制约矿体开采时的安全性。

（3）矿体自身相互制约。“Y”形矿体上部各分支开采的顺序如果不协调，可能造成部分矿体无法进行开采，甚至造成安全事故，影响矿山安全高效生产。

3 采矿方法探讨

3.1 采矿方法选择

针对“Y”形矿体回采时存在的问题，结合某矿II号矿体的具体特征，在经济可行、安全可靠的基础上选择适宜的采矿方法。由于II号矿体的顶、底板稳固性较差，且上部分支彼此影响，如采用空场法进行开采时，安全得不到保障，易产生采区顶板冒落事故，而崩落法和充填法可有效提高该矿体开采时的安全度。结合类似开采条件的矿山采矿方法，选择安全可靠、技术可行、经济合理的分层崩落法和下向分层充填采矿法进行对比分析，见表1。

由表1分析得，下向分层充填采矿法在损失率、通风条件等方面都优于分层崩落法，但考虑该矿生产规模较小，建立充填系统投资较大的因素，分层崩落法可优先选择。从贫化率、工艺复杂程度、矿块生成能力等方面考虑，分层崩落法要优于下向分层充填采矿法。从安全角度分析，2种采矿方法都可满足该矿“Y”形矿体的开采。综上分析，认为分层崩落法更适合开采该矿的II号矿体。

3.2 采矿方法设计

3.2.1 采场结构参数

由于II号矿体呈“Y”形，上部分支部分相互制约，结合矿体的具体特征，沿矿体走向连续布置采场，其长度设置为50 m。根据II号矿体的赋存标高，采场垂直高度取50 m，每一采场布置人行材料通风井、溜矿井各2条便可满足采矿要求。采场结构参数详见图2。

由图2（b）、（c）可见，人行通风材料井和溜矿井布置在中段运输巷道的同一侧，分层联络道交错布置在2井筒的两侧，同一侧的分层联络道垂直相距2.5 m，此种布置方式，可一定程度上提高巷道围岩的稳固性，有利于矿体的回采。

3.2.2 回采顺序

“Y”形矿体上部分支进行开采时，如2分支同时下行推进，接近矿体分支处会出现矿体或顶板崩塌的现象；若先采上盘分支矿体，则下盘分支矿体的稳定性受到影响；先采下盘分支矿体明显不合理。为协调2分支的开采顺序，确保安全高效开采，设计分层分段进行回采。先分层交替回采“Y”形矿体的中上部分，如图2（a）中的虚线范围内的矿体，再采上盘分支矿体中下部分，最后回采下盘分支矿体的中下部分，具体分段开采的顺序见图2（a）。

由于II号矿体上部2分支厚度不同，回采工作面的布置方式分2种形式，一是矿体较薄时，沿矿体走向布置回采工作面；二是矿体厚度较大时，垂直矿体走向布置回采工作面。II号矿体的下盘分支常沿矿体走向布置回采工作面，而上盘矿体设置为垂直走向布置工作面，见图2（b）。

3.2.3 回采工艺

由于该矿II号矿体的顶、底板稳固性较差，且矿体形状复杂，呈“Y”形，矿体回采时须严格遵循设计的回采顺序。为避免采矿过程中顶板坍塌影响进度，回采工作面都由采场两端向分层联络道的方向推进。整个回采过程中涉及了凿岩、爆破、出矿、铺设假顶、放顶等。

（1）凿岩。该矿矿体总体来说结构致密，局部地段裂隙发育，稳固性差；围岩受破碎带的影响，多为裂隙发育的灰岩。考虑矿山的生成规模较小，选用YTP-26型气腿式凿岩机钻凿直径40 mm、孔深1.2～1.5 m的水平孔便可满足矿山生产需求。

（2）爆破。水平钻孔钻凿完成后，将直径32 mm的药卷装入钻孔内，放入导爆管、堵塞孔口、布设好起爆网络后，进行毫秒微差爆破。

（3）出矿。采用人推矿车的形式，将回采工作面爆落的矿石运至矿石溜井，然后经安装于溜井底部的振动放矿机向0.5 m3侧卸式矿车内进行放矿，最后由电机车牵引运矿。

（4）铺设假顶。当回采进路矿石采完后，需进行采场的铺底工作，铺底质量的好差直接影响下一分层作业的安全性及经济效益。设计采用金属网木地梁假顶，选用直径为200～250 mm的木地沿回采巷道进行铺设，地长度3～3.5 m，间距0.6～1.0 m，搭接长度不小于300 mm，搭接处用铁丝捆扎。金属网铺设在木地的上部，最后在金属网上铺设1～2层直径为100～120 mm的杂木或竹片构建假顶。

（5）放顶。为确保放顶安全，准备放顶前，回采工作的的工作人员、设备等需撤离，待一切准备完毕后，采用炸断棚腿的方式进行放顶。

3.2.4 采场通风

该矿II号矿体开采时，每个采场配置4台局扇辅助通风，每个分支配2台，采用压抽混合式通风。由于分层崩落法常采用独头进行作业，因此通风需严格进行控制，确保采场内的风质、风量满足生产需求。采场所需新鲜风流在主风机形成的风压作用下，由本中段运输平巷、装矿穿脉进入人行材料通风井下段后，借助安装在此处的局扇利用风筒经分层联络道和分层回采巷道压入回采进路；风流洗刷工作面后，污风由安装在人行材料通风井附近分层联络道内的局扇抽入人行材料通风井上段，最后经上中段装矿穿脉、上中段运输平巷排出。具体的采场通风线路图见图3。

3.3 采矿方法试采结果及分析

3.3.1 试验采场主要技术经济指标

为验证分层崩落采矿法是否适用于该矿“Y”形II号矿体的回采，在1 480 m中段设置1个采场进行工业试验。试验采场采用三班制进行作业，每班8 h，统计分析60个工作日试验采场的主要技术经济指标，见表2。

由表2得，试验采场的主要技术经济指标可以满足矿山“Y”形II号矿体的回采，能取得一定的经济效益。

3.3.2 试采结果分析

经试采采场作业调查得，设计的采场结构参数、回采顺序可以满足该矿“Y”形II号矿体的开采。采场通风的设计也可满足井下作业的需求。该矿分层崩落法的设计可有效避免“Y”形矿体开采时围岩稳固性难以控制、矿体分支相互制约的难题，有效地提高了该类矿体开采时的安全性，同时该采矿方法的损失率、贫化率较低，增加了矿山的资源利用率，提高了经济效益。但缺点是采切比、木材消耗量、劳动强度等较大，制约了矿块的生产能力。总体来说，设计的分层崩落法适宜于开采顶、底板稳固性较差的“Y”形矿体。