昆阳磷矿二矿缓倾斜中厚矿体地下采矿方法研究

黄 杰 李树建 夏钢源 王孟来 张 斌 刘映辉

（1.云南磷化集团有限公司；2.国家磷资源开发利用工程技术研究中心）

昆阳磷矿二矿为云南磷化集团有限公司的主要生产露天矿山之一，露天开采最低标高为东采区+2 000 m 和西采区+1 880 m 水平。在现有采矿许可证内，露天坑底仍蕴藏有大量磷矿资源，为保障云磷化公司可持续发展，充分利用磷矿资源，根据公司战略发展，2019 年对昆阳磷矿二矿区露天开采境界外深部资源进行了设计，采用地下开采。

我国磷矿山矿体具有普遍的产状，即薄—中厚的缓倾斜—倾斜产出。二矿区矿体不仅具有普遍磷矿产状，又具有特殊的地质条件，为双层磷矿夹废石产出，上盘围岩和夹层稳固性稍差。多层缓倾斜薄—中厚矿体为采矿界公认难采矿体［1-5］。根据昆阳磷矿二矿露天开采现状及设计情况，结合地下开采资源赋存状况、矿区社会环境及矿区地质资料，构建真实矿区三维地质模型，提出缓倾斜中厚矿体可行的地下采矿方法并进行对比研究探讨，为昆阳磷矿二矿露天转地下开采提供支撑，确保二矿区地下安全、高效开采，保障公司磷矿资源持续有效供给。

1 开采技术条件

昆阳磷矿二矿区位处滇池聚磷区南西，东邻昆阳磷矿一至四采区，西接待云寺磷矿区，北部为海口磷矿，位于晋宁县二街镇境内，矿区距昆明市南西212°方向平距44.5 km，距晋宁县城300°方向直线距离9 km。

矿区共发育2 层矿，即上矿层（ϵ1z1-3）和下矿层（ϵ1z1-1），在2 层矿间还发育有一层黏土质页岩夹层（ϵ1z1-2），见图1。昆阳磷矿二矿总体为一向南东缓倾斜的单斜构造，矿层产状较稳定，其产状与上覆地层基本一致，矿层产状一般为走向NE～SW，倾向SE，倾角一般为2°～31°，平均倾角为15°，图2 为昆阳磷矿二矿露天边坡。

上矿层（ϵ1z1-3）分布在58#～74#勘探线，矿层平均厚度为6.88 m，P2O5平均含量为21.50%。夹层（ϵ1z1-2）主要分布在矿区西南部63#～74#勘探线，矿区东部零星分布，岩性为灰白、黄色黏土，厚度为0～3.08 m。夹石厚度为0～3.15 m，平均为1.08 m。 下矿层（ϵ1z1-1）分布在58#～74#勘探线，矿层平均厚度5.65 m，P2O5平均含量为27.55%。

矿床开采技术条件为中等的以复合问题为主的矿床类型，其中矿区工程地质条件复杂程度属中等，水文地质条件复杂程度属中等，地质环境质量属中等类型。

矿岩稳固性方面，上矿层直接顶板岩性为白云岩、含磷白云岩，裂隙发育。上矿层岩性主要为磷块岩，顶部为白云质磷块岩，底部为白云质硅质条带状磷块。上下矿层夹层岩性主要为黏土质页岩，天然状态下呈硬塑状，饱水后呈可塑—软塑状。下矿层岩性主要为带状磷块岩、砂屑状磷块岩及砾屑状磷块岩，地表裂隙发育，泥质充填。下矿层直接底板岩性主要为白云岩，夹硅质岩条带或团块。

分别采用不同分级方法对岩体质量进行分级，包括普氏分级法和RMR分级法。

普氏分级法是较长一段时期内常用的岩石分级方法，其分级原理是通过普氏坚固性系数f将岩石分为10 级15 种。研究得出各岩性的普氏坚固性系数，见表1。

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从表1中可以看出，昆阳磷矿二矿矿岩在干燥的情况下属于中等—较坚固类型岩体。

RMR分类方法由南非科学和研究委员会（CSIR）的Z.J.Bieniawski 提出，根据岩体结构调查结果，并结合岩石力学试验成果，对研究区域的矿岩稳定性进行分级。该方法采用打分法对岩体进行评价，根据所得评分值代数和将岩体划分为5 类。RMR 法条款简单明确，以实测参数为基础，考虑了影响岩体质量的诸多因素，在国内外获得了广泛的应用。

根据调查结果，经相关试验及计算，并对各相同岩性综合考虑后可得各岩性的RMR值及相应的评价等级，见表2。与普氏分级相比，2种方法的分级结果基本一致，顶板白云岩、黑色粉砂质页岩、粉砂岩、砂岩及夹层属于差岩体，底板白云岩、磷块岩属于一般岩体，整体来说，昆阳磷矿矿岩属于差岩体—一般岩体。

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2 采矿方法研究

针对磷矿特殊的开采技术条件，缓倾斜厚至中厚矿体赋存，顶板白云岩、黑色粉砂质页岩、粉砂岩、砂岩及夹层属于差岩体，底板白云岩、磷块岩属于一般岩体，地表不允许塌陷及变形。本次研究初步选定了3种采矿方法，分别为盘区上向分层充填法、房柱嗣后充填法和分段空场嗣后充填法，其中盘区上向分层充填法为目前业界使用较常规的上向进路式充填方案，房柱嗣后充填法针对磷矿体特性采用掘进机落矿的非爆连续切割回采工艺，分段空场嗣后充填法为沿走向布置的上向中深孔凿岩嗣后充填方案。

2.1 盘区上向分层充填法

该方案的主要特点是无需掘进分段平巷，采用斜坡道联系各分层。斜坡道的布置形式可以是折返式，亦可以是直线式，采矿方法标准图见图3。

2.1.1 采场参数

盘区沿矿体走向布置，每个盘区长度为400 m，宽度为矿体厚度，高度为中段高度90 m，分层回采高度为5 m。盘区间柱宽度为10 m（间柱可在邻近采场回采时进行回收），不留顶底柱。

采场回采结束后空区最大高度不大于5 m，顶板应整齐，略成拱形，拱高1 m左右。

2.1.2 回采工艺

在有空顶高度的正常回采地段，采用掘进台车钻凿水平浅孔压顶落矿，孔径为40 mm，孔深3.3 m，W=0.8～1.0 m，a=1.0～1.2 m。在交替后底部无空顶空间的回采条带，采用掘进台车钻凿水平浅孔掘进式开采，掏槽眼直径为40 mm，孔深3.5 m，辅助眼、二环眼、底眼孔深3.3 m，成型眼孔径为40 mm，孔深3.3 m，W=0.8～1.0 m，a=1.0～1.2 m。对于部分不方便采用掘进台车凿岩的矿体，则采用气腿式凿岩机凿岩。采用炸药卷爆破，非电雷管和磁电雷管起爆。压顶采用控制爆破，保证顶板平整和稳定。

落矿后，对于爆破作业面区域顶板和两帮不平整部分及倒挂部分采用撬顶等安全措施。根据顶板稳固情况，对不稳固采场可采用锚杆和锚索联合支护，在确认作业现场安全后方可出矿。出矿采用2 m3铲运机配矿用汽车运输。

2.1.3 采场充填

单条进路矿石回采完毕后，可进行充填准备及作业。在出矿巷道口砌筑充填挡墙，充填管道从充填回风井下至每个中段的采场，充填至上一分层的巷道底板水平。由于矿山采用无轨机械设备，为充分发挥这些设备的作业效率，需要较高强度的充填体作为路面路基，留设0.4～0.6 m的高强度胶结充填体。

2.1.4 主要技术经济指标

主要技术经济指标为盘区生产能力40 万t/a，贫化率8%，回采率90%。

2.2 房柱嗣后充填法

2.2.1 采场参数

将矿体划分为盘区进行开采，盘区长度为400 m，中段高度为90 m，为了便于盘区回采后进行封闭，盘区之间考虑留连续隔离矿柱，根据巷道布置和盘区隔离的需要，盘区间连续矿柱尺寸为20 m。采矿方法标准图见图4。

盘区内将矿体沿倾向方向上划分为矿房、矿柱进行回采。矿房尺寸根据掘进机的采幅确定，矿房宽度为5 m，矿房回采高度为5 m，后期可根据现场实际揭露矿体稳定性情况进行调整。

根据矿体产状，先回采下层矿，后回采上层矿。

2.2.2 回采工艺

为减少可移动胶带的移机频率，以布置在盘区中间的胶带为中心，两翼布置回采矿房，交替回采。采用后退式回采。

回采可采用机械切割，不使用爆破。盘区采矿设备选择掘进机落矿，后接可移动胶带输送机。

根据产能要求及矿体实际产状，可选择掘进机开采，最大回采高度为5.2 m，最大回采宽度为6.1 m，最大行走角度为18°，图5 为推荐采用的掘进机示意图。

2.2.3 采场充填

矿房一层矿石回采完毕后，可进行充填准备及作业。在采场底部砌筑充填挡墙，充填管道从回风巷下至采场，充填至上一中段的巷道底板水平。

由于采用无轨机械设备，为充分发挥这些设备的作业效率，需要较高强度的充填体作为路面路基，留设0.4～0.6 m的高强度胶结充填体。

2.2.4 主要技术经济指标

主要技术经济指标为盘区生产能力40 万t/a（3台掘进机），贫化率12%，回采率85%。

2.3 分段空场嗣后充填法

2.3.1 采场参数

中段高度为90 m，首先沿矿体走向方向按100～150 m 长划分为盘区，盘区之间留设10 m 的盘区矿柱。在盘区内沿矿体走向方向布置采场，采场长度为50～75 m。在采场内沿矿体倾向将采场按12 m宽、50～75 m 长划分为回采单元，分段高度为10 m。采矿方法标准图见图6。

2.3.2 回采工艺

在每个回采单元的各分段凿岩巷道内采用采矿凿岩台车钻凿上向扇形中深孔，中深孔直径为65 mm，孔深为10～25 m，排距为1.6 m，孔底距为2.2～2.6 m。在每个回采单元的端部布置切割平巷和切割天井，最终一次爆破形成2 m 宽的切割槽。中深孔爆破采用BQF-100 型装药器装药，粒状炸药，微差起爆，每次爆破3～5 排炮孔。矿石崩落至底部出矿堑沟内（底部堑沟在爆破前为凿岩巷道，爆破后形成集矿堑沟）。

在每个回采单元爆破过程中，采用2 m3铲运机由相邻采场的凿岩巷道通过出矿进路进入本单元底部的出矿堑沟内出矿，铲运机铲取矿石后倒入脉外溜井，溜井内矿石经振动放矿机放入胶带。

2.3.3 采场充填

待回采单元出矿结束后，即可进行挡墙砌筑（要求采用砖砌挡墙或沙袋），随后连接充填管网，利用上分段巷道进行充填。充填要求严格接顶。

2.3.4 主要技术经济指标

主要技术经济指标为盘区生产能力20 万t/a，贫化率20%，回采率80%。

3 方案对比

3.1 定性比较

3.1.1 优缺点比较

初选的3种采矿方法优缺点比较如表3所示。

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3.1.2 技术方案比较

采用掘进机进行采矿理论上可行，但需要经过现场进一步试验；另外2种方案目前的采矿工艺比较成熟，技术上都可行。

3.1.3 综合适用性比较

根据上述采矿方法及工艺的描述，其综合定性指标相对评价如表4所示。

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3.1.4 社会效益比较

从爆破震动对地表建筑物及居民生活影响上看，扰动最小的是采用掘进机采矿的方法，爆破扰动相对较大的为分段空场嗣后充填法。3 种采矿方法引起地表变形（如水平变形、倾斜、曲率）的影响都是可控的。

3.2 定量比较

初选的3 种采矿方法在其他地下矿山都有着较为成熟的应用，类比同类矿山的相关经济评价指标（采矿成本及回采率、贫化率等），见表5。

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3.2.1 采矿成本

从实践上看，初选的3种采矿方法采矿成本基本都能控制65 元左右，方案Ⅰ采矿成本约为68 元/t，方案Ⅱ采矿成本约为60 元/t，方案Ⅲ采矿成本约为72元/t。

方案Ⅱ最优，方案Ⅰ次之，方案Ⅲ最差。

3.2.2 回采率及贫化率

从回采及贫化指标比较看，方案I 采用浅孔凿岩回采较为灵活，可以应对不同倾角、不同厚度的矿体开采，因此回采率较高、贫化率最低；方案Ⅱ采用掘进机全断面掘进采矿，仅此于方案I，方案Ⅲ由于采用中深孔凿岩爆破，对矿体的适应性较差，厚度较小的矿体会产生较大的损失和贫化，回采率和贫化率在这三个方案中均最差。回采率排序：方案Ⅰ盘区上向分层充填法＞方案Ⅱ房柱嗣后充填法＞方案Ⅲ分段空场嗣后充填法；贫化率排序：方案Ⅰ盘区上向分层充填法＜方案Ⅱ房柱嗣后充填法＜方案Ⅲ分段空场嗣后充填法。

3.2.3 盘区生产能力

3 种方案均将矿体划分为盘区进行开采，其中，方案I和方案Ⅱ盘区长度为400 m，中段高度为90 m，方案Ⅲ按100～150 m 长划分为盘区，盘区之间留设10 m 的盘区矿柱。方案I 和方案Ⅱ盘区生产能力可达到40 万t/a，方案Ⅲ盘区生产能力达20 万t/a。3 个方案均可满足生产能力要求，方案Ⅲ产能最小。

3.3 小 结

通过以上各方法的定性和定量比较，虽然分段空场嗣后充填法的安全性较好（进路内出矿），但考虑到上向扇形深孔采场边界控制困难，容易造成超爆超采，损失指标较差，且采切比较大，成本较高，优先排除。其次，盘区上向分层充填法开采工序较为复杂，对充填的要求较高，如充填不及时，将无法进行回采，针对昆阳磷矿开采的特点，也建议不予采用。方案Ⅲ在安全性、回采连续性、指标经济性和生产能力方面较为均衡，均可以满足要求。经分析比较，优选方案为方案Ⅱ房柱嗣后充填法，采用掘进机落矿非爆连续切割回采工艺。

4 结 论

（1）昆阳磷矿二矿区露天开采境界外深部矿体为缓倾斜厚—中厚的矿体赋存；分别采用普氏分级法和RMR 分级法对其岩体质量进行分级，得出顶板白云岩、黑色粉砂质页岩、粉砂岩、砂岩及夹层属于差岩体，底板白云岩、磷块岩属于一般岩体。

（2）针对特殊开采技术条件，研究选定3 种采矿方法，分别为盘区上向分层充填法、房柱嗣后充填法和分段空场嗣后充填法，其中，盘区上向分层充填法为目前业界使用较常规的上向进路式充填方案，房柱嗣后充填法针对磷矿体特性创新性提出采用掘进机落矿的非爆连续切割回采工艺，分段空场嗣后充填法为沿走向布置的上向中深孔凿岩嗣后充填方案。

（3）研究针对初选开采方案进行定性和定量比较得出：分段空场嗣后充填法的安全性较好，但容易造成超爆超采，且采切比较大，成本较高；盘区上向分层充填法对充填的要求较高，如充填不及时将无法进行回采，建议不予采用。经分析比较，较适宜的方案为房柱嗣后充填法，采用掘进机落矿非爆连续切割回采工艺，该方法为磷矿地下开采创新。