地下矿山缓倾斜多层矿体协同开采设计实践

2020-06-22李杰林周科平

金属矿山 2020年5期

李杰林高乐陈杰周科平

（1.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083；2.云南锡业股份有限公司老厂分公司，云南个旧661000）

缓倾斜多层矿体属于典型的复杂难采矿体，此类矿体倾角小，矿石无法依靠重力自溜放矿，必须通过机械或者人力进行搬运出矿［1-2］；此外，多层矿体中的相邻矿体开采会相互扰动［3］，采空区处理以及相邻矿体的地压管理往往会导致开采成本提高［4-5］。目前，针对此类矿体的开采，普遍使用上行式或下行式开采方式，并采用底盘漏斗采矿法、分层充填法和房柱法等采矿方法［6-7］。这些传统的采矿方法往往存在贫化和损失率高、开采成本高、作业不安全等不足，并且各层矿体之间存在明显的开采扰动，给缓倾斜多层矿体安全开采带来了挑战。

近年来，随着采矿技术和装备的发展，人们逐渐重视对缓倾斜多层矿体这类复杂难采矿体开采技术的研究。郭金峰等［8］对云南斗南锰矿缓倾斜多层矿体的回采顺序、超前关系和矿房布置形式等进行了优化选择，保证了多层矿体开采的安全性；罗周全等［9］以云南锡业集团公司松树脚锡矿“大马芦”矿段为例，将大直径深孔合采矿岩、井下矿岩集中分离、连续采矿等技术相结合，提出了深孔合采井下矿废分离连续采矿法，有效提高了矿山开采的高效性、经济性和安全性；刘厚苗等［10］研究认为通过对采场顶板形状及矿房布置进行优化，可以有效提高开采的安全性和高效性；曾庆田等［11］针对大红山缓倾斜中厚多层铜铁矿，借鉴“采矿环境再造”思想，将缓倾斜中厚矿体再造为缓倾斜厚大矿体，同时根据矿体在剖面上的变化和富集特征，将同一盘区在剖面上划分为多段开采，多层出矿，有效提高了矿山开采效率；刘翔峰［12］将大直径深孔落矿技术和集中筛洗分离技术相结合，有效提高了采场生产能力；林晓悦等［13］通过数值模拟方法，对上横山钒矿段回采过程进行了研究，优化了矿房参数以提高开采效率；李运胜等［14］运用岩石力学分析软件对多层矿体的开采顺序进行了分析，优化了开采方案，提高了矿山整体效益；诸利一等［15］针对缓倾斜多层矿体提出了3种条带式开采嗣后胶结充填法，并通过工程实例论述了该方法的可行性。上述研究为实现缓倾斜多层矿体安全、高效、经济开采提供了思路，但是仍然未能有效解决缓倾斜多层矿体开采中面临的开采扰动、采空区处理、地压管理控制三者之间的相互影响关系这一难题。

本研究借鉴前人对缓倾斜多层矿体的开采思路，以缓倾斜多层矿体的回采顺序为切入点，引入“协同开采”理念，提出了缓倾斜多层矿体的协同开采设计方案，并以云锡老厂13-8#矿群为例，完成了缓倾斜多层矿体的协同开采方案设计。

1 工程概况

云南锡业股份有限公司老厂分公司13-8#矿群由上至下可以分为8 层矿体，并呈多层状重叠产出，各层矿体形态简单，连续性好，属于典型的深埋缓倾斜薄—中厚多层矿体（图1）。除了底部的13-8-7#矿体为倾斜中厚矿体外，其余矿体长100～550 m，宽35～321 m，倾角为0～19°，最大厚度达21.9 m，单层平均厚度为2.50～11.56 m，埋深800 m。顶底板围岩为大理岩、变玄武岩或花岗岩。大理岩稳固，变玄武岩中等稳固至不稳固，花岗岩因泥化多具有碎粒状至黏土状结构，且含有弱裂隙孔隙水，属于稳固性较差岩类，支护难度大。

2 缓倾斜多层矿体传统开采方案设计

针对老厂13-8#矿群的开采技术条件，按照传统的采矿设计思路，可分为上行式开采与下行式开采两种方案，具体开采步骤如表1所示。

2.1 上行式开采方案

首先将开拓和采准工程掘进至矿群最底部，首采矿体为13-8-7#矿体。回采结束后，立即对13-8-7#矿体的采空区进行充填，然后从下至上，依次对上部的13-8-6#、13-8-6-1#矿体进行回采，每回采完毕一个矿体后，均先对采空区进行处理，再回采上一层矿体。这样由下至上逐层开采，直至全部矿体开采完毕。

上行式开采方案的优点是各层矿体独立开采，矿体之间开采扰动小，且采空区均已处理，地压管理简单，也可以采用废石充填方式处理采空区，实现废石不出坑。但该方案是逐层矿体开采，无法对多层矿体进行同步开采，限制了矿群的生产能力和规模，导致开采效率低、生产能力小，并且存在基建时间长、投资回收期长、采空区充填工作量大等不足。

2.2 下行式开采方案

下行式开采方案是从最上层的13-8-1#矿体开始开采，开采结束后，对采空区进行充填处理，随后对下层的13-8-2#矿体进行开采。按照由上至下的顺序，依次开采 13-8-3#、13-8-4#、13-8-5#、13-8-6#、13-8-6-1#、13-8-7#矿体。

相比于上行式开采方案，下行式开采方案可以缩短基建时间，投资回收期短。但是下层矿体的回采作业均在采空区下进行，作业安全性差，即使充填采空区，其充填体的强度要求也较高，导致采矿成本较高。

2.3 传统采矿方案分析

上行式开采方案中，必须对采空区充填完毕后，才能对上一层矿体进行开采，矿群的生产能力和生产规模都小。此外，上行式开采破坏了矿体上层的原始应力平衡状态，老厂13-8#矿群的围岩稳固性差，在实际生产过程中，支护难度更大，无法保证开采安全。若采用下行式开采，在开采初期，利用矿柱或高强度充填体可以保证开采的安全性，但是，随着开采深度的增加，上部的采空区群将严重威胁下部矿体的安全回采，且高强度充填体也增加了开采成本。

综上分析，采用传统的开采方法无法实现13-8#矿群的安全、高效、经济开采。因此，需要对13-8#矿群的开采方案进行创新设计。

3 缓倾斜多层矿体协同开采方案设计

3.1 “协同开采”理念的引入

20世纪60年代，A.H.Ansoff首次提出了“协同”理念［16］，系统协同指的是通过某种方法来组织和调控所研究的系统，寻求解决矛盾或冲突的方案，使系统从无序转换到有序、协同、和谐的状态，减少系统的负效应，提高系统的整体输出功能和整体效应。“协同”理念问世以来，逐渐得到广泛认同和研究。在矿业领域，陈庆发等［17］针对我国地下矿隐患资源的安全开采技术条件，率先开展了“协同开采”的相关研究，并取得了一系列研究成果。目前，我国已有50多家高校及科研院所开展了“协同开采”相关研究并取得大量成果。陈庆发等［18］通过对倾斜—急倾斜、水平—缓倾斜多层矿体开采扰动关系的分析，得到了多层矿体开采的协同步距计算公式；汪为平等［19］针对大型“悬留”采空区提出并实施了“悬留”采空区协同处置技术，提高了采空区的稳定性；聂兴信等［20］针对急倾斜薄矿脉群，基于“协同开采”理念，提出了深孔分段空场上向嗣后充填连续采矿法，对矿房进行一步骤回采，随后充填，实现了阶段矿房的连续开采；李建华等［21］针对露天矿山台阶开采水平下部的空区问题，引入“协同”理念，并在露天采矿生产中形成了探测、监测、充填或崩落处理、采装、运输、安全预警为一体的采空区协同治理技术方案。

缓倾斜多层矿体开采的难点在于如何处理好多层矿体的开采扰动、采空区处理、地压管理控制三者之间的关系。以往研究认为这三者之间是一种不协同或低协同的相互关系，或者能够认识到这种关系，却缺乏有效手段来处理这种关系，因此多采用独立设计、施工，不考虑或较少考虑三者协同关系的设计思路。因此，本研究针对13-8#矿群的开采技术条件，引入“协同开采”理念，提出缓倾斜多层矿体的协同开采思路，将多层矿体开采扰动、采空区处理、地压管理控制三者结合起来整体考虑，产生较好的协同效应，实现缓倾斜多层矿体的安全、高效、经济开采。

3.2 13-8#矿群协同开采设计方案

老厂13-8#矿群呈多层状重叠产出，各层矿体形态简单，连续性好，除了13-8-3#、13-8-4#矿体之间存在一层厚约20 m 的夹石外，其余各层矿体之间夹石层厚度普遍较小，局部区域仅为1 m，甚至更小。因此本研究将13-8-3#、13-8-4#矿体之间的夹石层视为安全隔离层。以该隔离层为界限，将13-8-1#、13-8-2#、13-8-3#矿体视为上盘区矿块，将 13-8-4#、13-8-5#、13-8-6#、13-8-6-1#矿体视为下盘区矿块。以厚大原岩层为安全隔离层，在上、下盘区协同开采过程中，可保证上、下盘区矿块开采的安全性。13-8-7#矿体为倾斜中厚矿体，且空间赋存条件较为独立，因此单独进行开采设计。盘区矿块划分如图2所示。

由矿体的赋存形态得知，上盘区矿块的13-8-1#、13-8-2#、13-8-3#3 层矿体贴合较近，层状特征不明显。对于此类层间夹石较薄的多层矿体，合采可以大幅提高采矿效率，并降低开采成本。因此，对上盘区矿块中的 13-8-1#、13-8-2#、13-8-3#矿体进行分区合采设计，根据各个矿体的开采技术条件，可将13-8-1#、13-8-2#、13-8-3#矿体整体划分为分采区、1#、2#双层合采区和3层合采区。

多层矿体合采虽然可以提高开采效率，但由于各层矿体之间存在夹层废石，必然会造成矿石贫化。因此，需要按照合采范围重新计算合采区的综合品位。经过计算，合采区矿体平均品位如表2所示。从表2 可以看出：合采品位虽然降低，但仍然满足工业品位，可以进行合采设计和开采。

下盘区矿块由于开采深度大，地压大，对矿体开采的安全性影响较大；同时，废石提升距离长，提升废石成本高。根据矿山地质资料，下盘区矿块中各矿体倾角均小于围岩移动角，如按照传统下行式开采思路，先采13-8-4#矿体，再采13-8-5#矿体，那么回采13-8-4#矿体所产生的空区会对13-8-5#矿体回采造成较大的影响。因此，在本研究协同开采方案设计中，先开采13-8-5#、13-8-6-1#矿体，再开采13-8-4#、13-8-6#矿体。该设计方案的优点是开采13-8-4#、13-8-6#矿体的废石可由联络道充填至13-8-5#、13-8-6-1#空区，做到废石不出坑，而且充填工艺比较容易实现，充填质量高，保证了矿山开采的经济性。

3.3 13-8#矿群协同开采的回采顺序优化

为实现多层矿体协同开采，必须保证其安全性，避免相邻矿体的开采扰动。因此本研究设计的矿群整体回采顺序为上盘区矿块与13-8-7#矿体同时开采，当下盘区矿块的开采影响范围对上盘区矿块开采不产生扰动时，上下盘区矿块可同时开采。

3.3.1 上盘区矿块回采顺序

上盘区矿块实行分区合采，如图3 所示。由图3可知：上盘区矿块中分采区面积较大，只有部分区域为合采区。若先开采分采区，会导致后期回采合采区时产生应力集中的问题，将对合采区地压管理造成较大影响。因此，在上盘区矿块中，首先对合采区进行回采，之后开采分采区。在回采分采区时，可以合理利用合采区的开拓和采准巷道，降低采矿成本。

分采区矿体采用由下至上的顺序进行回采，即首先回采13-8-3#矿体，再回采13-8-2#矿体，最后回采13-8-1#矿体。回采13-8-2#矿体时，废石可运输至13-8-3#矿体的采空区进行同步充填，达到废石不出坑的目的。同理，利用13-8-1#矿体采出的废石对13-8-2#矿体的空区进行充填，下层矿体始终超前于上层矿体回采。

3.3.2 下盘区矿块回采顺序

下盘区矿块埋深大，地压大，对下盘区矿块进行协同开采时，开采任一矿体均需对采空区及时充填，并尽可能减少废石出坑量，从而保证井下开采的安全性。下盘区矿块的回采顺序为先采13-8-5#、13-8-6-1#矿体，再采 13-8-4#、13-8-6#矿体。回采13-8-4#、13-8-6#矿体的废石由联络道运至 13-8-5#、13-8-6-1#空区，充填采空区。

综上所述，本研究设计的13-8#矿群回采顺序为：①首先进行上盘区合采区与13-8-7#倾斜中厚矿体协同开采；②合采区开采并充填结束后，进行上盘区矿块的13-8-3#矿体与13-8-7#倾斜中厚矿体协同开采，并进行采空区处理；③对上盘区矿块的13-8-1#、13-8-2#矿体进行协同开采；④当13-8-1#矿体的开采步距超前于下盘区矿块的13-8-5#矿体一定安全距离后，开始上盘区矿块13-8-1#矿体和下盘区矿块13-8-5#、13-8-6-1#矿体的协同开采，并进行采空区处理；⑤对下盘区矿块的13-8-4#和13-8-6#矿体进行协同开采。