地下矿山多夹层难采矿体矿废分离协同采矿方法研究

2020-06-22韦才寿牛文静潘桂海

金属矿山 2020年5期

韦才寿牛文静潘桂海

（1.南宁学院土木与建筑工程学院，广西南宁530200；2.东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁沈阳110819；3.北京矿冶科技集团有限公司，北京100160）

随着地下矿山开采技术的快速发展，复杂难采矿体逐渐成为一种具有开发潜力的优势资源，国家自然科学基金委在《未来10年中国学科发展战略》中将复杂难动用矿体的安全、高效开采作为研究的热点与难点问题［1］。多夹层矿体作为一种复杂难采矿体，具有较高的开采经济价值，但若采用传统方法对其进行回采，存在生产效率低、矿石损失或贫化率高、矿体间扰动剧烈、夹层稳定性处理困难等诸多问题。

针对多夹层矿体难以高效开采的问题，近年来众多学者进行了深入研究，结合矿体具体赋存特点相继提出了多种高效采矿方法。具有代表性的有：罗周全等［2］从云锡某矿段的实际开采技术条件出发，提出了深孔合采井下矿废分离连续采矿法，该方法针对矿岩易分离特点的矿体具有较高的适用性，且取得了较好的经济效益；曾庆田等［3］结合大红山铜矿分支复合、夹层多的开采技术条件，进行了采矿方法研究和出矿工艺优化，提出了“合采分出”的采矿工艺，有效解决了出矿隔层易垮落和出矿品位降低的突出问题，但该方法采用下向式回采在夹层废石覆盖进行放矿，对矿废的有效分隔性较差，废石易混入矿石中，且对出矿控制要求很高；李朝晖［4］针对大姚铜矿凹地直矿床多层缓倾斜难采矿体的开采条件，提出了一系列采矿方法和采空区处理技术，但对于较薄夹层采用保留一定厚度的矿体进行护顶，矿石损失率较大；杨守涛［5］针对山东某铁矿极厚倾斜多夹层矿体的开采条件，采用上向水平分层充填法进行开采，对多夹层矿体进行了有效开采，但缺乏有效的矿废分离措施，使得充填开采成本较高。

为更有效地解决多夹层矿体的开采技术难题，本研究在“无废开采”和“协同开采”理念指导下，结合多夹层水平—缓倾斜和倾斜—急倾斜两种典型矿体的开采条件，进行矿废分离协同采矿方法研究，为实现该类难采矿体安全、高效、绿色开采提供有益参考。

1 多夹层难采矿体矿废分离协同采矿方法

1.1 技术难点

矿体夹层指夹于矿体（层）内部和处于紧邻矿体（层）之间的废石，包括低于边界品位的含矿岩石，夹层的存在导致矿体的连续性受到破坏，矿体开采难度增大。目前对于多层夹层矿体的开采，主要根据夹层厚度采取不同的开采思路：对于较薄夹层，将矿废全部采出；对于较厚夹层，则采取采出矿体保留夹层的方式［6］。无论采用矿废全采或只采矿体保留夹层的方式，都存在较为突出的问题：

（1）将夹层和矿体全部采出，需对矿石、废石进行单独出矿，搬运和处理废石浪费大量能耗。此外，矿废混采将大幅度降低矿石品位，增大贫化率，给选矿带来难度，提高尾矿处理成本，降低企业经济效益，并对地表环境造成影响。

（2）保留夹层只采矿体，难以实现连续开采，开采留下较薄夹层安全稳定性较差，存在较大安全隐患，有时为维护夹层的稳定性还必须保留一定厚度的矿体，致使矿石损失率增大。此外，多夹层矿体矿废分别独立开采时，各层矿体间采动影响严重［7］，并且较薄矿体开采采准切割工作量大，采场生产能力不高。

基于上述分析，本研究认为在保证矿体安全高效开采的前提下，实现矿石和废石高效、经济地在采场内进行分离，最大限度减少废石排出采场，是解决多层矿体开采技术难题的有效途径。

1.2 矿废分离协同采矿法理论基础

随着国民经济快速发展，矿业正在朝向安全高效无废绿色的方向发生变革，一些新兴的采矿技术理念不断涌现出来，如“无废开采”、“绿色开采”、“采矿环境再造”、“协同开采”等，为实现矿业可持续健康发展提供了理论指导。

“无废开采”就是在矿产资源开发过程中最大限度地减少废料的产出、排放，提高资源的综合利用率，减轻或杜绝对环境的负面影响，通过提高资源综合利用程度、实现废料产出最小化和废料资源化、研究高技术水准的特殊采矿方法等多个途径去实现。目前在世界范围内，各国已纷纷对无废生产工艺给予极大重视，使矿产资源开发及矿区发展逐渐步入可持续发展的良性循环之路［8-9］。

“协同开采”是陈庆发教授于2009年提出的一种全新的采矿技术理念［10］，此后对其定义进行了不断修订和完善［11-12］。其基本定义可简述为：矿山开采全过程中资源开采行为与灾害处理行为及其他技术行为的合作、协调与同步，使得矿山开采系统输出较高的协同效应。该理念自问世以来，已逐渐得到业内不少学者和工程技术人员的认同［13］，为解决各类复杂难采矿体的开采技术问题提供了新思路，2009—2018年国内有十余种协同采矿方法问世［14-21］。

1.3 矿废分离协同采矿方法

针对多夹层矿体的开采技术难题，本研究以“无废开采”、“协同开采”理念为指导，提出多夹层复杂难采矿体矿废分离协同采矿方法。该方法的主要技术思路是将拟采多层矿体和夹层作为一个整体进行开采设计，在开采过程中先采下部矿体，利用下部矿体开采形成的空区作为废石堆放和上部矿体大规模爆破的自由空间，并采取有效措施对矿石和废石在采场内进行高效分离，最大限度较少废石排出采场，空区内的废石直接作为充填材料，将来有条件还可作为矿石放出重新利用。矿废分离协同采矿方法在实现大规模开采的同时，能有效降低废石运输成本和矿石损失贫化率，有效解决夹石层维护困难的技术难题，有助于实现多夹层矿体安全、高效、绿色开采［22］。

矿废分离协同采矿方法的实施过程可根据矿体的不同开采技术条件表现出不同的形式。由于矿体倾角影响到矿石和废石在采场内的运搬方式，因而对应的矿废分离方式也不同，可见，矿体倾角是采矿方法选择影响最大的因素。本研究针对不同倾角矿体开采作业提出了针对性的技术路线，如图1所示。

1.4 矿废分离协同采矿方法技术要求

（1）需做好探矿勘察工作，明确矿体和夹层的界限，充分论证该方法适用的矿体开采条件，包括矿体形态、夹层厚度、夹层数量等。

（2）需要根据矿岩边界提高凿岩、装药、爆破作业精细度。

（3）需重视矿废分离作业环节，根据情况进行废石表层处理，如进行废石表面高度标记、表层快速硬化、铺洒标志性物质、铺设隔离层、设立隔墙等，矿废分离作业对于防止出矿时混入过多废石致使贫化率增大或者矿石未能完全放出使得损失率增大影响重大。

（4）采场底部结构设计必须有利于采用高效的出矿设备进行出矿，如铲运机，装载机等。

2 新采矿方法具体实施思路

为实现多夹层矿体安全、高效、绿色开采，本研究根据矿废分离采矿方法的基本技术思路，并结合水平—缓倾斜和倾斜—急倾斜两种不同倾角矿体的特点，分别对具体开采实施思路进行阐述。

2.1 多夹层水平—缓倾斜矿体开采

（1）对拟开采矿体做好充分勘探，明确矿岩边界，对矿体和夹层厚度、倾角、围岩稳定性等开采技术条件进行充分论证，将多夹层矿体作为一个厚大矿体进行开采，将矿体沿走向划分为多个盘区，盘区内划分多个矿块，根据顶板极限暴露面积确定矿块尺寸。

（2）采用传统的空场法对最底层矿体进行回采，留下规则排列的点柱或连续矿柱，矿柱间距、大小需能够确保顶板在无需支护的情况下保持稳定，底部矿体开采留下的采空区为夹层和上层矿体开采创造凿岩和爆破的自由空间。

（3）采用凿岩台车钻凿上向平行中深孔，炮孔贯穿上部夹层及矿体，爆破作业时根据废石夹层（矿层）厚度控制装药深度，先将夹层全部崩落，崩下的废石留在采场内。

（4）采用铲车等无轨化设备对崩落的废石进行快速整平，并形成铲运机出矿斜坡，作业空间高度不够时，可运出一部分废石；而后采取有效措施对废石表层进行处理，形成矿废有效分离的界线，以防止出矿时混入过多废石致使贫化率增大或者矿石未能完全放出使得损失率增大。

（5）利用下层矿体及崩落夹层形成的空间作为上层矿体回采的爆破自由面，根据下部空间高度和矿石松散系数计算出可崩落的矿体高度，对上层矿体实施大规模崩矿，崩矿后采用高效大型机械设备进行大规模出矿，如图2所示。

（6）若上部为两层或两层以上相距较近的矿体，可按照以上思路进行逐层回采，但需要考虑凿岩和出矿的顺序，保证留有一定高度的废石和矿石作为装药作业平台。

（7）矿石全部运出后，崩落夹层产生的废石留在采空区，实现矿废分离。

2.2 多夹层倾斜—急倾斜矿体开采

（1）做好拟开采矿体勘探工作，明确矿岩界线，将夹层及其上下盘相邻的矿体作为一个连续的厚矿体进行回采，矿块沿矿体走向布置。因采用下向深孔凿岩，采用球状药包进行爆破（VCR 法），留有顶柱、间柱、底柱，矿柱尺寸根据具体情况确定。

（2）布置阶段运输巷道、装矿横巷、凿岩硐室；将阶段运输巷道布置在上盘围岩中，沿走向每隔一定距离布置一个装矿横巷，装矿横巷贯穿两层矿体底部；各层矿体进行独立拉底，底部结构为堑沟结构或平底结构，采用铲运机出矿，如图3（a）所示。

（3）采用潜孔钻机凿平行于矿体倾角的下向大直径平行深孔，矿体部分凿穿底部拉低顶板，夹层部分的炮孔深度需要通过计算确定，以保留一定高度的夹层作为挡墙高度，既能将废石全部堆积在下盘采空区内，但又不能过高，否则，会使上盘矿石过多残留在空区内。

（4）先回采下盘矿体，采用球状药包进行装药爆破，自下而上分层崩矿，采用铲运机出矿，每次出矿40%左右的矿量，待整个采场回采结束后大量出矿，如图3（b）所示。下盘矿体采场出矿结束后，立即将上下盘矿体之间的装矿横巷封闭，而后利用采空区作为自由面一次性侧向崩落夹层，崩下的废石全部堆放在下盘采空区内。

（5）夹层崩落后回采上盘矿体，首采用自下而上分层崩矿方式崩矿，采下矿石全部放出，一直回采到达夹层挡墙高度位置；回采上盘矿体前，可先采用胶结材料对废石表面进行快速硬化，以有效减少混入矿石中的废石量，降低矿石贫化率。

（6）利用下盘矿体和夹层形成的采空区作为自由面和补偿空间，对上盘剩余的矿体采用微差爆破方式进行一次性大规模侧向崩矿；而后从底部进行大量出矿，崩下的废石全部保留在空区内，如图3（c）所示。

3 新采矿方法适用条件及协同度分析

3.1 基本适用条件

（1）对于多夹层水平或缓倾斜矿体开采，人员和机械需要进入采场内作业，要求矿岩中等稳固以上，回采过程中顶板无需支护，保证作业安全。矿岩边界明显，矿体和夹层产状及厚度变化幅度不大，有利于夹层和矿体分别进行爆破作业。

（2）对于多夹层倾斜—急缓倾斜矿体开采，要求围岩中等稳固以上，才能减少大量放矿过程中围岩冒落混入矿石的废石量，降低贫化率，避免出现大块度废石垮落影响底部出矿。要求阶段内矿体、夹层的倾角和厚度变化不大，矿岩边界清晰，有利于矿体和夹层分别进行爆破作业。

（3）新采矿方法要满足经济性要求，由于崩落夹层需要消耗一定的经济成本，当夹层较薄时，崩落夹层的成本较低，新采矿技术优势明显；而当夹层厚度较大时，崩落夹层将大幅度提高爆破成本，但较厚夹层的稳定性维护难度和成本降低。因此，在实践中需要结合矿山开采实际情况综合确定经济合理的夹层厚度。

3.2 矿体与夹层形态关系协同效应及其协同度

3.2.1 多层水平—缓倾斜矿体最优协同厚度关系

矿体和夹层厚度之间的关系对于该类矿体的矿废分离效果起到关键影响作用。本研究分析认为最优协同厚度关系可表示为：自下而上高效有序采出各层矿体，崩下废石无需搬运出采场，实现采场内矿废完全分离，同时也无需从场外运入废石。具体来说：底层矿体回采结束后能直接采用凿岩台车凿上向中深孔，每层夹层崩落后直接堆放在下部空区，经整平后，其上部空间高度即可满足回采上层矿体的装药台车作业要求，而且不超过最大安全作业高度。

本研究针对3 层矿体2 层夹层的情形（图4）进行进一步阐述。设各矿体和夹层的倾角相同，各层矿体的真厚度分别为H1、H2、H3，夹层真厚度分别为h1、h2，回采作业最低高度为Hd，最大安全作业高度为Hg，废石松散系数为K，根据最优协同厚度关系有下式成立：

3层以上矿体的厚度关系可以此类推。

当矿体和废石厚度无法满足最优协同厚度关系时，则需将一部分废石运出采场或者从场外运输一定量废石进行充填才能继续上采。无论运进或运出废石，均会增大运输成本，降低生产效率，降低新方法的适用性。

基于上述分析，可用“崩落废石总量与废石运输量之差与崩落废石总量的比值”来表征该类矿体矿废分离协同度T，

式中，T为矿废分离协同度，%；Mb为崩下废石总量，t；My为废石运输总量，为运进和运出废石量之和，t。

分离协同度越高，说明新方法的适用性越高，反之，则越低。当采出废石量全部被运出，T值为0，说明矿废完全分采；当充填废石量越大，T越小，甚至为负值，则基本属于充填式开采，表示夹层厚度相对于矿体厚度很小，可进行矿废混采。

3.2.2 多层倾斜—急倾斜矿体未爆破夹层最优协同高度

对于多层急倾斜矿体开采，未爆破夹层留设的高度对于能否实现矿废有效分离起关键作用，夹层留设高度过大，会挡住一部分上盘矿石无法放出，致使矿石损失率增大；留设高度过低，混入矿石中的废石量增加，会使得贫化率增大。因此，需从理论上推导出未爆破夹层最优协同高度的计算公式，并确定夹层钻孔深度。矿体和夹层相关参数关系见图5。

设废石松散系数为K，底柱不回收矿体和残留矿石体积占整个底柱体积的比例为Kv，若崩落夹层（虚线部分）产生的废石全部堆放在下盘矿体的空区内，可依据等体积基本假设进行公式推导，因沿走向的长度一致，等体积则可简化为剖面图上等面积计算，则有：

由式（3）可得：

根据三角形正弦定理，在ΔABC（图5）中有下式成立：

进而可得：

综合式（5）和式（6）可得图5中ΔABC面积为

将式（7）代入式（4）可得：

则夹层钻孔长度L为

由式（8）可知，未爆破夹层最优协同高度受下盘矿体和夹层倾角、下盘矿体和夹层水平厚度、废石松散系数、废石自然安息角、底部结构等因素综合影响。

采用新采矿方法对于该类矿体进行开采时，严格意义上只要留设足够高的夹层，废石即可全部保留在采场内，不宜以废石运输量评价其适用性。其最大特点是在回采上盘矿体时能协同利用下盘空区作为自由爆破空间，对一定高度的矿体进行大规模崩矿。基于该特点，多层倾斜—急倾斜矿体矿废分离协同度T可表示为，

由式（10）可知，当未爆破夹层高度h越小时，T值越大，说明上盘矿体能进行大规模崩矿的高度大，分层爆破的高度越小，回采效率就越高，本研究方法优势就越显著。

4 工程案例

4.1 云南某铜矿多层缓倾斜矿体

云南某铜矿矿床属典型的多层缓倾斜难采矿体，多层状产出（1～3 层）；矿体和围岩中等稳固；矿石以石英砂岩为主，围岩为紫色砂岩和泥质砂；矿石硬度系数f=10～12，围岩砂岩f=10～12，泥岩f=6～8；矿石密度为2.66 t/m3，围岩密度为2.64 t/m3；矿岩完全松散系数为1.6。因矿体埋藏深不适合用充填采矿方法开采，矿山针对不同矿体的赋存条件采用多种采矿方法，对于单层矿体多采用留矿采矿法；双层矿体多采用浅孔双分层空场房柱法，夹石层管理复杂；对于3层或3 层以上矿体，直接将夹层作为矿石全部混采，导致贫化率增大。

矿山某矿段为3层矿体，矿体厚度自下而上分别为3.8 m、5 m、4 m；夹层厚度分为2 m、3.5 m；矿体和夹层倾角基本一致，厚度变化不大。设矿山所用凿岩台车和装药台车最低作业高度均为3 m，安全作业最大高度为6 m。采用矿废分离协同采矿方法对上述矿段进行了回采设计，具体思路为：

（1）采用传统全面法开采第1 层矿体，空间高度为3.8 m；采用凿岩台车向上凿岩平行中深孔至第3层矿体。

（2）采用装药台车装药崩下第1 夹层，根据矿石松散系数算出废石高度为2×1.6=3.2 m，空间高度为3.8+2-3.2=2.6 m，小于最低作业高度3 m，需要运出0.4 m厚的废石，方可达到3 m作业高度。

（3）对废石表面整平并做分离处理，而后对第2层矿体分次爆破，第1次爆破高度为2 m，矿石全部运出，作业高度为5 m；第2次爆破3 m，上部空间高度为3.2 m。

（4）以矿石为作业平台对第2 层夹层进行装药，装药作业完成后全部将矿石运出，空间高度为8 m；崩下第2 层夹层，废石厚度增加5.6 m，上部空间高度达5.9 m，满足安全作业高度。

（5）对废石表面整平并做分离处理，对第3 层矿体一次性装药爆破，矿石全部运输采场。

在上述过程中，需要从采场内运出废石厚度0.4 m，无需从场外运废石充填，总运输废石厚度为0.4 m，崩落下废石总厚度为1.6×（2+3.5）=8.8 m。因废石量可通过厚度换算得出，则可根据式（2）间接计算出废石分离协同度：

由计算结果可知：矿废分离协同度很高，说明该矿段非常适合采用新方法进行开采，可在实现大规模高效开采的同时，还可以将约8.4 m 厚的废石保留在采场内。按每个采场规模为沿倾向斜长40 m，沿走向50 m 计算，保留在采场内废石量约2.7 万t，可大幅度降低废石运输成本和废石处理成本，具有非常可观的经济效益和环境效益。

4.2 贵州某磷矿急倾斜两层矿体

贵州某磷矿位于川黔南北构造带上，为大型沉积磷矿岩矿床，某矿段内同时赋存两层矿体，矿层产状与岩层基本一致，倾角为80°；下盘矿体平均厚约11 m，矿石硬度系数f=6～8；上盘矿体平均厚17 m，矿石f=8 ～10，两矿层均属中等稳固，矿层直接顶板和直接底板稳固性较好；两矿层间有一稳定夹层，由含磷白云岩和硅质团块磷块岩两部分组成，平均厚度约3 m，矿岩完全松散系数为1.6，自然安息角约为45°。由于夹层及顶底板废石中所含矿物成分对选矿回收指标影响较大，因此采矿过程中需严格控制矿石贫化。目前矿山采用大直径深孔或中深孔阶段空场嗣后充填采矿法开采，阶段高度为70 m，底柱厚15 m，采场高度55 m，采用堑沟式底部结构，矿石采用电动铲运机出矿。对于夹层处理可根据厚度情况采用预剔除或矿废混采方式；夹层预剔除受岩石夹制作用爆破困难，需采用分段爆破，效率较低，崩下废石需全部运出采场；矿废混采则会导致矿石贫化率增大。采用本研究矿废分离协同采矿方法对该矿床进行了开采设计，具体思路为：

（1）矿房、矿柱布置方式与矿山采用的大直径深孔嗣后充填采矿方法不变，即按15 m 宽垂直矿体走向方向依次布置，长为矿体厚度（含夹层），在上部阶段布置大孔凿岩硐室，分别对两矿体进行拉底水平布置堑沟受矿硐室，矿体部分采用潜孔凿岩台车从凿岩硐室底板向下凿平行深孔至受矿硐室顶板，夹层炮孔长度L按步骤（2）确定，炮孔角度与矿体倾角一致。

（2）未爆破夹层高度计算。因底柱矿量不回收，Kv取0.7，将相关参数代入式（8），可计算出未爆破夹层高度h= 21．1 m，根据式（9）计算出夹层炮孔长度L= 49．7 m。

（3）首先采用VCR 法对下盘矿体进行分段下向大量崩矿，矿石全部运出；然后一次性侧向崩落废石，废石全部堆积在空区内，采用速凝浆料对废石表面进行胶结处理。

（4）分两步对上盘矿体进行回采，第1 步先将受矿硐室往上6.1 m 高的矿体崩落，并将矿石全部运出；第2 步首先利用下盘的空区作为爆破补偿空间，采用微差爆破方式对剩余部分矿石一次性侧向崩落，然后大规模出矿，最后采用充填料对空区进行充填。

上述开采设计思路有效解决了传统采矿方法中先剔除夹层过程中存在因岩石夹制作用致使爆破困难的问题，利用超出底柱6.1 m 高的夹层挡住废石，废石基本不需运出采场，每个采场废石运输量减少约6 500 t（围岩密度按2.64 t/m3计算），上盘可一次性崩矿的高度为48.9 m。根据式（10）可计算出矿废分离协同度达88.9%，说明新采矿方法具有很高的适用性，既能有效提高回采效率，又能有效降低矿石贫化率和废石运输成本，与传统采矿方法相比具有一定的优势。

5 新采矿方法评价及应用前景

5.1 新采矿方法评价

（1）本研究提出的矿废分离协同采矿方法，利用下部矿体开采留下的空间作为上部矿体回采的自由空间，有助于减少上部矿体采准切割工作量，实现矿体连续开采，大幅度提高采场生产能力，将不利因素转变成有利因素。

（2）在采场内实现矿废分离，充分利用矿体回采留下的空区堆放废石，实现废石不出或少出采场，大幅度降低废石搬运和处理成本，有效降低矿石贫化率，有利于保护地表环境，推进绿色矿山建设。

（3）该方法有助于解决只采矿体保留夹石层顶板管理难题，能有效防止夹层大面积垮落造成冲击地压等灾害事故发生，同时减少为维护夹层稳定而保留矿体造成的矿石损失。

（4）保留在空区内的夹层废石含有一定的品位，随着资源消耗和选矿技术提高，当废石中的有用矿物含量达到经济品位时，可直接将废石直接放出进行资源二次开发利用。

（5）需要做好探矿勘察工作，充分论证新方法的适用性，此外，凿岩、装药、爆破作业精细度要求较高，还需做好矿废分隔作业等工作。

5.2 应用前景

（1）随着我国经济快速发展，优质矿产资源逐渐开发殆尽，大量难采矿体成为开发利用的重要目标，如何实现多夹层复杂矿体安全、高效、经济开采，是许多矿山企业面临的重大问题。传统采矿方法因存在的技术缺陷已经无法满足生产需要，亟需进行采矿技术变革和创新。目前，本研究提出的矿废分离协同采矿方法在工程实践中尚未得到大量应用，但因其具有较明显的技术优势，在多夹层复杂矿体安全、高效、经济开采方面具有较好的应用前景。

（2）随着矿山机械装备朝着智能化、数字化、无人化方向快速发展，将来各种适用于多层复杂难采矿体开采的装载、凿岩、装药等先进装备会被矿山广泛使用；高智能先进装备的多环节配合使用，将会不断提高矿废分离协同采矿方法的适用性，有助于促进该方法推广应用。

（3）随着我国对生态环境保护越来越重视，对矿山环境的保护要求越来越高，矿废分离协同采矿方法有助于减少废石排出地表，有利于地表环境保护和绿色矿山建设。