厚大矿体采矿设计方案优化探讨

周 杰，董成龙

（新疆地质矿产勘查开发局第十一地质大队，新疆 昌吉 831100）

在矿产资源需求量不断增加的情况下，许多矿区已经接近枯竭，在实际生产过程中面临着厚大矿体开采的难题。除了要利用先进的采矿技术设备，还要对厚大矿体采矿设计方案进行优化，充分考虑矿区环境因素的影响，对施工作业面进行合理布置。在此情况下，可以为采矿施工过程的安全、顺利进行提供保障。

1 工程案例

某磷矿矿区总面积1.87万m2，矿产储量为7304.56万t，保存储量5210.25万t。该矿区设计开采能力100万t/年，设计开采年限32a。该矿区从2009年开始投入生产，经过10年的开采，采空区面积较大，对矿区地质稳定性造成了一定影响。在生产任务要求下，目前该矿区已经引入高效无轨运输系统以及先进的掘进技术设备，磷矿回收率在80%左右。在现阶段的开采过程中，主要面临厚大矿体开采的难题，需要根据其施工特点，合理设计采矿方案，并结合实际生产条件，对设计方案进行优化，从而提升矿区地质结构稳定性，确保开采过程的安全进行[1]。

2 厚大矿体采矿特点

该矿区在厚大矿体采矿中主要面临着以下几方面的难题。

（1）矿床地质条件较为复杂，经过多年的开采，磷矿层顶板部分的结构完整度较低，结构稳定性下降明显。目前采空区的暴露面积较大，容易因自然塌陷对井下采矿安全性造成威胁，而且会导致地表危岩体出现坍塌。

（2）矿区整体属于缓倾斜中厚矿体，呈缓倾斜产出，矿层分为三层结构，平均厚度为17.68m，最大厚度为25m左右。此等级磷矿厚大矿体开采尚无可借鉴的成功经验，具有较大的采矿设计难度。另外，由于矿层倾角在120°以内，无法采用自溜方式运送矿石，需要设计机械装运系统。仅有少数急倾斜矿体可以采用自溜方式。

（3）该矿区虽然矿石储量水平高，但是不同品位矿石混杂分布，综合品位较低，贫富层相间。磷矿平均品位为23.2%，高品位磷矿占比约为30%左右，富矿较少。在同一矿层可能出现不同品位的矿石分布，不利于矿石分类利用。

目前该矿区采用无轨设备，按照分层开采的方式进行采矿，设置了1.8m的锚杆护顶，但支护效果较差。频繁出现的顶板掉落事故对生产效率及生产安全造成严重影响，必须尽快对采矿方案进行优化[2]。

3 厚大矿体采矿设计方案的优化措施

（1）巷道布置。针对该矿区厚大矿体开采面临的实际问题，在采矿设计方案优化过程中，综合地质条件等方面的考虑，决定采用锚杆、锚索、锚网联合护顶措施，并采用切顶房柱法进行施工。在运输方面，继续采用无轨运输方式。为了提高开采效率，通过引入中深孔爆破施工技术，将原三层切顶改变为两层切顶。对于盘区斜坡道、中段运输区域的巷道，采用伪倾斜布置方式，并将其贯通。其中，盘区斜坡道靠近矿体底板，平均坡度为10%，在采用中深孔爆破技术的情况下，需要将其作为爆破矿石的运输巷道。在盘区矿块布置方面，需要沿矿房底板、切顶层各布置一条凿岩平巷，并布置在矿房中央位置。最后通过在两端底板布置通风巷，与中段巷道相连，同时作为盘区的安全出口。

（2）回采工艺设计。在回采工艺设计方案，主要按照中段从上到下的顺序进行开采。在一个矿块内，可以从一侧或两侧向着斜坡道的方向进行退采。在整个矿房范围内，按照从上到下的顺序分为两层进行爆破施工。先完成第三层的切顶层开采施工，再通过采用中深孔爆破技术，完成其余矿层施工。

（3）岩石搬运方案。在岩石搬运方案设计优化方面，切顶层和第三层贫矿的开采，可以采用铲运机设备装载到井下汽车中，然后从斜坡道、中段巷道运输至井下主溜井。在第二层富矿的开采过程中，可以将矿石运输到井口周围破碎站，直接对矿石进行加工处理。

在第一层贫矿的开采过程中，则采用铲运设备与井下汽车运输方案，从斜坡道运输通过中段大巷，最后运输到井下主溜井。根据实际施工条件，部分矿石也可以采用遥控装置进行铲矿。在此情况下，能够进一步提升施工效率。

（4）采空区管理。在采空区管理方面，主要根据磷矿地质条件以及岩石力学参数分析结果，对采空区顶板进行分级，其中1级顶板为结构状态完整、较为稳固、没有破碎问题的顶板。2级顶板为结构相对完整、出现不稳定趋势、存在部分破碎问题的顶板。3级顶板则是已经处于破碎状态的顶板，需要重点进行防护。然后针对不同等级顶板设计相应的顶板支护方案，1级顶板采用缝管式锚杆和挂网临时加固方案，并采用锚索设置永久性支护。2级顶板的支护方法基本与1级顶板一致，但在锚索布置过程中，需要缩小锚索间距。在3级顶板的支护过程中，则需要采用联合支护方案，在矿柱中间顶面喷射混凝土，并采用锚杆、锚索、锚网综合支护措施。在本次方案优化过程中，采用人工矿柱替换遗留矿柱，然后采用混凝土胶结方式进行填充，有利于提升采空区稳定性。

（5）采矿设备选择。在采矿设备优选过程中，主要考虑厚大矿体连续开采作业的需求，在结合同类工程先进施工经验的基础上，引入国内外先进技术设备，对采、装、运、支等各个工序环节进行优化。其中，在采切设备优化方面，引入2台DS310液压凿岩台车，能够提升矿山掘进作业效率。回采设备主要配置1台凿岩台车、1台中深孔凿岩机、2台柴油铲运机、4台井下汽车、1台临时护顶锚杆台车，使整个施工流程的机械化程度得到进一步提升。

（6）优化效果分析。从上述工程的采矿设计方案优化效果来看，首先通过采用综合支护加固方案，使施工安全性提到明显提升。在采用上述顶板支护方案后，在采空区顶板处设置了3个观测点，对其下沉情况进行观测。观测结果显示采用新的锚固方案可以使顶板下沉量得到有效控制，而且在施工过程中没有再出现顶板掉落现象。其次，采用优化设计方案，对采矿作业效率有明显的提升作用。在传统机械设备技术条件下，单班掘进时间为3h，人工锚网面积为10m2，有效掘进尺寸1.8m。在采用新技术设备后，单班掘进时间仅需要2h，台车锚网面积45m2，有效掘进尺寸3m。另外，使用的装载机运输能力从3t提升到6t，足足提升一倍。最后，优化设计方案的应用可以有效降低人工劳动负荷，从而降低施工成本。在采用新设计方案后，作业人员减少为原来的1/2，起到了显著的成本节约效果。

4 结语

综上所述，厚大矿体采矿设计方案具有较高的难度，需要同时考虑矿区地质条件、矿体厚度及分布状态等因素，合理制定采矿设计方案。在采矿设计方案的优化过程中，通过对各项工艺的施工作业面、施工技术进行合理布置，把握好施工技术要点，不仅可以提升施工效率，还可以为施工安全性提供保障。