低价值极厚大矿体采矿方法的优化及应用

谢炫蓉 陈章林 查裕波 笪良霞

（浙江省工业设计研究院有限公司）

方解石、硅灰石矿的开采由其最终产品应用的特殊性决定，该类矿石开采后，大部分经磨粉加工成重质碳酸钙粉。重质碳酸钙粉的白度、纯度、色相决定了产品的最终用途和销售价格。因此，在开采过程中，尽可能地避免矿石被围岩污染、贫化。而方解石、硅灰石矿石低价值的特性，又决定了此类矿产，必须尽可能地降低开采成本。因此，无论是矿山还是设计单位都倾向于采用房柱采矿法，以期能在顶底柱、间柱的保护下，最大限度地保护开采的矿石不受贫化、污染。

浙江省北部某硅灰石矿矿体厚度高达59 m，分布面积达1.5 km2，矿体与顶底板围岩界线清楚。矿山采用房柱法回采矿体时，发现存在采场空顶过高（≥15 m）、顶板排险困难、安全性较差等问题，有可能诱发安全事故。

根据浙江省某硅灰石矿的实际情况，针对性地将矿房分为上下2层，采用一房一柱简化回采工序等优化措施，以期有效地解决矿山现有房柱采矿法回采存在的问题。

1 工程概况

浙江省北部某硅灰石矿为一大型方解石矿床，区内赋存的矿体为极厚大矿体，其矿床特征、开采技术条件、生产现状简要叙述如下：

（1）矿床地质特征。矿体走向北东，倾向北西，倾角10～25°，沿走向延伸800 m，沿倾向延伸990 m，呈厚层状赋存，赋存标高+30～-300m，平均厚度59 m，分布面积约1.5 km2。矿体与顶底板围岩界线清楚，厚度与化学成分均一、稳定。矿石呈白色，中粗-粗晶大理岩、花岗变晶结构，主要成分为方解石，粒径1～3.5 mm，呈他形或半自形粒状，常见机械双晶体结构。

（2）矿区水文地质条件属简单类型。矿区地下水补给来源主要是大气降水，在灰岩裸露区，降水大部分以地表径流的形式排至区外，部分直接渗透补给地下水；矿区含水层主要为第四系中上部坡洪积弱含水层、风化基岩裂隙含水层、岩溶裂隙含水层，均为弱含水层。矿区主要隔水层为第四系黏土层，厚6～10 m，含水微弱，渗透系数极低。

（3）矿区工程地质条件属简单类型。矿体总体呈北西倾斜的单斜构造，完整岩块的抗压强度50 MPa，地面采场及井下采坑工作面矿块整体稳定性较好，采空区尚无大面积的冒落现象发生。矿体底板为含硅灰石条带的中、粗晶大理岩，厚层状、粒状结构，较稳固，完整性好，抗压强度50 MPa。矿区地质构造不甚复杂，主要构造破碎带对矿体影响不大。矿床矿体、围岩质量级别均为Ⅲ级。

（4）矿区环境地质条件属复杂类型。矿区位于加速度动峰值0.05g区，处于地震地质环境较稳定的区域，也处于地质灾害低发区。104 国道及杭宁高速公路穿越矿区，矿山已在公路两侧按规定范围划定了保安矿柱，采场布置在保安矿柱以外。矿区周边地表建有104国道、李家巷镇青草坞村及其他民用建筑、高压供电线路、加油站、工厂企业等，地表不允许陷落。

（5）矿山生产现状。矿山于1986 年建矿，设计生产规模25万t/a，开采深度0～-1 330 m。采用地下开采方式，斜井—盲斜坡道联合开拓，房柱法回采矿体，单翼对角抽出式通风。采场采用TCY—2 型铲运机和12 t坑内卡车装运。当前有-53，-73 m 2个生产中段。

2 矿山现采矿方法及存在问题

根据缓倾斜极厚、围岩稳固等赋存情况，现采用中深孔落矿的房柱法进行采矿。采准和回采以盘区划分单元，盘区垂直矿体走向布置，长度为矿体水平方向厚度。盘区内设矿块，标准盘区内设5 个矿块，矿块长度为盘区宽度，高度为中段高（40 m）。盘区内设运输巷、辅助斜坡道、切顶联络平巷、切顶平巷、切割天井等采切工程［1-3］。

矿房内的矿体分2 层回采，总回采高度为40 m，每个分层高度为20 m（其中每个分层矿房高15 m、顶柱高5 m），从上往下回采，上层切顶层，切顶时采用光面爆破，以切顶平巷为自由面，刷帮形成10 m 跨度的三心拱。下层矿体回采，采用下向平行中深孔崩矿，矿石崩落后直接采用铲运机装矿。

在矿体实际回采中，发现存在以下问题：

（1）顶板前期容易控制，后期困难，矿房回采时空顶高度最大为15 m。顶板暴露时间较长，提前切顶暴露的顶板将受到下层开采中深孔爆破振动的影响，易产生新的浮石，且顶板过高（15 m），不易检查发现浮石，也很难完成撬毛处理。在其内部作业的人员和设备安全风险较大，不利于安全管理。

（2）采用中深孔崩矿，较大的爆破振动对周边环境影响比较大，易产生纠纷，影响矿民和谐。

（3）下层回采采用潜孔钻下向穿孔，中深孔爆破落矿［4-5］，易对下中段矿房的顶柱产生撕裂，伤害较大。矿房内由上而下回采，爆破炸药单耗高，从而回采成本较高。

（4）切顶层的采切掘进工程量较大，单个矿房采切工程量为116.4 m，矿块采切成本约40.74万元。

（5）切顶、扩帮、中深孔落矿、出矿交替循环进行，采矿工艺相对复杂。

（6）中深孔落矿使得矿石贫化率最高为3%，影响矿石的最终售价。

3 采矿方法优化

3.1 矿块结构参数

沿垂直矿体走向划分盘区，盘区长度为矿体水平方向厚度，盘区宽度为72 m，盘区间设宽度为12 m的间柱。采矿方法优化设计如图1所示。

盘区内划分5 个矿块，矿块垂直盘区布置，矿块长度为盘区宽度，矿块宽度为18 m，高度为20 m，矿块内设有矿房（宽度10 m、高度12 m）和连续矿柱（宽8 m），连续矿柱位于矿房两侧，矿房顶部设有厚度8 m 的顶柱［1］。矿块以一房一柱的方式设置，盘区间柱于上下盘区间相互竖直对应，连续矿柱在运输层和切顶层间相互对应，并于上下盘区间相互竖直对应。

矿块内设有切顶层结构和运输层结构。切顶层结构由辅助斜坡道、切顶水平联络巷和上层切顶层构成，辅助斜坡道设置于盘区两侧，上层切顶层位于矿房顶部，切顶水平联络巷位于盘区切顶层，并设置于盘区两侧沿矿体走向分布。运输层结构由盘区运输巷、切顶水平联络巷、辅助斜坡道构成，盘区运输巷位于盘区内矿体两侧且沿矿体走向设置；辅助斜坡道与盘区运输巷连通，并按15%的坡度上向布置且与切顶水平联络巷连通。切顶水平联络巷上方设有回风天井，回风天井与矿体上中段的盘区运输巷连通。

3.2 采准与切割工程

矿块主要采切工程：①由中段运输巷道按盘区宽度向回风巷道掘进盘区运输巷，长度为盘区长度；②切顶联络平巷和盘区运输巷对应布置于切顶水平［1-3］；③矿块内垂直矿体走向设有拉底出矿平巷，掘穿矿体且将两侧的盘区运输巷连通。标准矿块采切工程量如表1所示。

3.3 回采工艺

采矿顺序为中段间由上而下、中段内由两翼到中央、由上盘到下盘、向各中段出入口后退，为确保并改善采矿生产安全和通风条件，回采工作面采用直线或阶梯工作面。矿房分2步回采（图2）。

（1）第一步在出矿平巷内，从离开盘区运输巷3 m 位置开始扩喇叭口（矿房两端保留4 m 矿体留作矿柱），向两侧刷帮并压顶到设计的矿房宽度（10 m），同时出渣。拱顶按三心拱保留，中心高5.5 m（平均高约5 m）。完成矿房全长刷帮压顶，并逐炮出矿到最后一个爆堆，留一个长3～4 m（实际施工中可根据需要具体设置，但不宜过长，过长将相应增加平场工作量）的矿堆作为下一步压顶采矿作业的操作平台。即完成第一步回采。

（2）第二步利用第一步回采保留的矿堆作为作业平台，向上用斜眼压顶［2］，7 m 矿石分3（或4、5）层，逐层压顶，完成全矿房回采落矿。爆落的矿石，经平场后，作为下次压顶爆破的施工作业平台，不进行出矿外运，待完成全矿房落矿，并清理顶板后，再一次性出完矿房内的全部矿石。当压顶到矿房边界（特别是顶板边界）时，采用光面爆破进行落矿。对于矿房上部7 m 的矿石开采（第二步），爆落的矿石按照1.5的松散系数计算，约可形成10.5 m 高的矿石堆，上部保留有1.5 m 的空间，容留工人清理顶板浮石和采场通风。顶板最终形成10 m 跨度的（1/5）三心拱。在清理顶板后，再一次性出完矿房内的全部矿石，完成第二步回采。

3.4 通风

新鲜风流自盘区运输巷进风，流经斜坡道、中段下盘运输巷进入上风侧盘区运输巷，依次进入各采场，清洗采矿场工作面后的污风从下风侧盘区运输巷排至中段上盘回风巷，汇入回风天井，最终由主风机抽排出地表。

在矿房开口端压顶落矿时，由于有作为作业平台的第一步回采保留的矿堆存在，可能因为崩落矿石量过多，堵塞出口（影响通风和双安全出口），应局部出矿，以确保通风畅通和双安全出口完整。

矿体回采结束后须及时对采空矿房进行封闭处理，以减少漏风，保证通风效果。局部系统通风不良地段采用局扇进行加强通风。

3.5 地压管理

优化后的采矿方法对矿房的顶板控制相对比较容易，顶板暴露时间短。矿房顶板采用光面爆破（或其他有利于顶板安全的控制爆破技术进行爆破），可以提高顶板稳固性。采用集中落矿的方式，暴露的顶板围岩可以最大限度地减少了爆破作业的振动和冲击影响。

矿块回采完成后，采场尽量采用废石充填，在矿房内留设规则矿柱以支撑顶板，连续矿柱宽8 m，高12 m，顶柱高8 m，低品位矿体随时留作矿柱。所留规则矿柱和顶柱不得回采（注意上下各中段的规则矿柱必须对应保留，只能多留，不得少留），对不良矿柱和顶柱应采取保护措施，并对顶板进行监测、检查，以保证顶板安全。矿石回采后应对空区相互连通的巷道进行封闭（或者隔离），使其隔绝采空区。以防设备和人员的误入。

3.6 采矿技术参数及设备规格

（1）最小抵抗线W初步取2.0 m，后续在回采过程中逐步修正；孔底距b取2.2 m，孔口距a取1.0 m。

（2）炮孔填塞长度L取0.8 m，炸药单耗约为0.38 kg/t。

（3）采场日生产能力按每天2个作业面、每次爆2排炮孔计算，约1 200 t。

（4）YT-28 型凿岩机的工作气压0.6～0.8 MPa、钻孔直径40 mm、凿岩耗气量≤4.86 m³/min、穿孔深度≤5 m。

（5）2 m³铲运机的工作宽度≥3.0 m、斗容2 m³、最大卸载高度≤1.4 m、卸载距离≥0.88 m、装载能力80 m³/h、爬坡能力≤12°。

4 应用效果

矿山根据优化后的采矿方法在硅灰石矿这种低价值、极厚大方解石矿体中实践应用，矿房的顶板在最后压顶后才暴露，顶板暴露时间相对较短，同时简化了采矿工艺，分别集中进行爆破和出矿；将采切工程量从116.3 m 降低至90 m、矿房采切成本从40.74万元降低至31.5 万元；同时通过浅孔凿岩机、轮式铲运机等采矿机械设备的应用，不但大幅度提高了矿山采矿作业机械化程度，还有效控制了矿石的贫化率（基本上可控制到0%的矿石贫化率）、大幅度降低下中段顶板的稳固性影响和对周边环境的震动影响，满足矿山对高品质方解石的要求。具体技术经济指标见表2。

5 结语

浙江省北部某硅灰石矿是低价值传统厚大矿体，采用房柱采矿法开采时存在的中深孔落矿贫化率高、爆破振动影响到下中段顶板的稳固性和周边环境、采切工程量大、采切成本高等问题，对原采矿方法进行优化：

（1）矿房（采场）的两头各设置1 个出口，中间无隔离，人员、设备能直接通行。

（2）采用光面爆破技术，能提高顶板稳固性。

（3）矿房开采落矿工作全部采用浅孔作业，对下中段顶板的稳固性影响较小，对围岩的影响相对较小，矿柱稳定性较好。

（4）减小单孔装药量，爆破振动减小，爆破扰民问题相对较少。

（5）简化采矿工艺，分别集中进行爆破和出矿，采切工程量小。

优化后的开采方法简化了开采工序，减少了采切掘进工程量，采矿成本也相对比较低，安全性也较矿山原采矿方法提高，不仅在低价值、极厚大矿体得以广泛应用，对其他类似开采技术条件的矿山也有较好的参考价值。