缓倾斜中厚矿体采矿方法研究

刘克安

摘  要：该文以国外某缓倾斜中厚铅锌矿体赋存条件及开采技术问题为背景，提出一种高效的垂直分条嗣后充填采矿法，并对该采矿法成功应用存在的技术问题进行分析。针对矿体上盘围岩条件差、下盘三角矿体回收困难，提出双进路出矿巷道2步骤回采控顶技术和预控顶垂直分条嗣后充填采矿法2种解决技术方案，以争取实现此类缓倾斜中厚矿体的安全高效开采。

关键词：缓倾斜；中厚矿体；垂直分条采矿法；破碎顶板；控顶技术

中图分类号：TD853      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）05-0145-04

Abstract： Based on the occurrence conditions and mining technical problems of a gently inclined medium-thick lead-zinc orebody abroad， this paper puts forward an efficient vertical slicing and subsequent filling mining method， and analyzes the technical problems existing in the successful application of this mining method. In view of the poor surrounding rock conditions in the upper wall of the orebody and the difficulty in the recovery of the lower triangular orebody， two technical solutions are put forward： the two-step mining and roof control technology and the pre-controlled roof vertical slicing and subsequent filling mining method in order to realize the safe and efficient mining of this kind of gently inclined medium-thick orebody.

Keywords： gently inclined; medium-thick orebody; vertical slicing mining method; broken roof; roof control technology

緩倾斜中厚矿体的安全高效开采技术是采矿界的世界性难题，由于矿体赋存倾角较缓，带来下盘放矿和采场顶板管理2方面的技术问题，一是矿体下盘倾角小于矿石自然安息角，崩落矿石不能通过自重全部放出，导致放矿难度大，下盘三角矿体的回收困难；二是随着回采工作面的推进，矿体上盘顶板的暴露面积大，采场顶板空顶高度高，采场顶板管理困难，容易出现采场顶板冒落事故[1]。

为此，国内外学者进行了大量卓有成效的研究，取得了一些宝贵的经验和研究成果。杨宁等[2]提出中深孔菱形矿房分段充填采矿法，取得了较好的技术经济指标。李新成等[3]从生产能力、经济指标、安全性评价方面对比了分段空场嗣后充填采矿法的优势。池秀文等[4]采用条带式分层充填采矿法开采倾斜中厚磷矿矿体，通过对充填体的破坏机理进行研究，优化开采参数，提高了采场围岩稳定性。董凯程等[5]对破碎顶板下缓倾斜中厚矿体安全高效开采技术进行了研究，利用顶板加固支护或矿体护顶方式对顶板控制，利用大直径深孔及中深孔对矿体进行高效开采。

然而受限于特殊的开采条件，对于缓倾斜中厚矿体的安全高效开采技术，普遍存在着安全性差、工效较低、支护工程量大、材料消耗多和损失贫化率高的问题。本文提出了一种应用于缓倾斜中厚矿体的垂直分条嗣后充填采矿方法，并且针对上盘破碎围岩条件提出了2种解决技术方案，以争取实现这类矿体的安全高效开采。

1  工程背景

国外某铅锌矿由2个主矿体和若干个小矿体组成，矿床位于原始森林保护区范围内，开采后地表不允许沉降破坏。矿体赋存标高526～838 m，走向延伸近800 m，垂向延深约300 m。矿体总体走向北西-南东340°，倾向北东，矿床埋深较浅，矿体侧伏产状示意如图1所示。其中主矿体倾角一般为33°，平均厚度为15 m，属于中厚缓倾斜矿体，主矿体产状侧视图如图2所示。矿区体中发育有2条主要断层，其中断层JF在垂向上将主矿体错断大约15～20 m。矿床矿体主要矿物成分是方铅矿、闪锌矿及硫铁矿，矿体构造较简单，节理裂隙较发育，岩性较坚硬，矿体本身的强度及性质相对较好。矿体围岩主要为页岩和粉砂岩，节理、裂隙较为发育，总体来说矿体上盘围岩不稳，下盘围岩稳定性相对较好。从水文地质、工程地质、环境地质3方面总体上评价，矿区开采技术条件为中等-复杂类型。

2  推荐采矿方法概述

2.1  采矿方法选择

该铅锌矿设计采选处理能力为100万t/a，开拓方式采用斜坡道开拓。根据开采技术条件、矿床赋存特点、矿山生产规模，考虑到矿岩稳固性均较差等显著特征，尤其是上盘围岩稳固性很差，地表处于原始森林保护区且地表不允许破坏等因素，采用充填类采矿方法。以高效率、低成本、规模化安全生产为基本原则，对于厚度8～10 m以上的主矿体采用垂直分条充填法，主矿体端部厚度较小部分及小矿体则采用上向进路充填法，2种采矿方法的回采矿量所占比例分别约为85%和15%。2种采矿方法具体应用范围如图3所示。

2.2  垂直分条充填法采矿工艺

垂直分条充填法类似于分段充填法，由于矿体倾角较缓，为了提高采空区的自稳性，将常规的矿块划分方式由水平划分改为垂直竖向划分。将矿体每60 m划分为一个中段，每20 m划分为一个分段，采场沿矿体走向布置，沿矿体倾向方向每隔15 m垂直竖向划分成一个回采分条，然后沿走向每100 m左右将每个回采分条划分成若干个矿块，矿块间不留矿柱。矿块形状类似于一个棱形柱体，长约100 m，宽15 m，高约15～20 m。在矿体下盘沿矿体走向布置分段巷道，分段巷道通过分段联络道与主斜坡道连接，采场通过采场联络道与分段巷道连接，采准工程有采场联络道、上下盘联络道、凿岩巷道和出矿巷道等。切割工程主要为切割井，每个回采步骤均需在采场端部设置切割井。垂直分条嗣后充填采矿法工艺如图4所示。

矿块以采场联络道为界划分为2个采场，回采顺序为由端部开始，后退式开采，沿走向每20 m为一个回采、充填步骤。凿岩巷道进行上盘围岩支护、穿孔、爆破和充填，凿岩采用中深孔台车凿岩，布置下向扇形中深孔，出矿巷道采用遥控铲运车出矿。采场顶板采用锚索支护，采场凿岩出矿前，通过凿岩巷道预先对采场顶板上盘破碎围岩进行中长锚索超前支护，以保证回采作业的安全。锚索支护采用扇形孔布置，孔深约15 m，排距1.5 m，每排布置8个钻孔，每孔安装2根锚索。对极破碎和松散的岩层，可适当加密锚索支护网。鉴于该矿采场顶板支护的重要性，同时减少支护工序的耗时，锚索支护设备选用先进的锚索台车，大大提高了支护效率。凿岩巷道、出矿进路及采场联络道视围岩稳固情况，采用锚喷、锚网、锚网喷支护等组合支护形式。垂直分条充填采矿法工艺配置示意图如图5所示。

2.3  主要技术经济指标

该采矿方法的主要技术经济指标详见表1。

3  关键技术问题

针对该矿的开采技术条件，欲成功应用垂直分条充填法并取得较好的技术经济效果，需解决以下3个方面的关键技术问題：一是要采取可靠有效的预支护措施，预先对拟开采采场顶板进行支护；二是要采用高质量的全尾膏体充填技术，以提升充填体的强度，缩短采充转换时间，提高采场出矿能力的目标；三是选择合理的采场结构参数，控制好采场暴露面积。此外，该采矿方法采用平底出矿结构，铲运机需要进入较大空场进行铲装作业，为此也需要应用遥控出矿设备。依托以上关键技术的协同配合，实现强采强充，以充分缩短空区的暴露时间，最终达到安全高效开采。

4  解决技术方案概述

4.1  双进路出矿巷道2步骤回采控顶技术

缓倾斜中厚主矿体在回采过程中，特别是对于矿体倾角较缓的矿体，存在着采场下盘三角矿体回收困难、损失率高，采场顶板暴露面积大、空顶时间长的问题。在不改变原有斜坡道开拓系统的前提下，在矿体下盘沿矿体走向布置分段巷道，分段巷道通过分段联络道与主斜坡道连接，采场通过采场联络道与分段巷道连接，在采场下盘布置双进路出矿巷道，完成双进路出矿巷道掘进，巷道断面尺寸为宽×高=4.4 m×4.2 m，解决采场下盘三角矿体回收及采场顶板空顶时间长的问题。从凿岩巷道至下部第一条进路用反井钻机切割拉槽，凿岩巷道内凿下向中深孔，第二条出矿巷道内预凿上向中深孔，先进行第一出矿进路上部矿体的开采，在下向中深孔装药爆破，遥控铲运机进入出矿巷道内出矿，作为第一回采步骤，再进行上向中深孔的装药爆破，遥控铲运机出矿作为第二回采步骤，2步骤回采完成后进行采空区的膏体充填。双进路出矿巷道2步骤回采技术方案的示意图如图6所示。

4.2  预控顶垂直分条嗣后充填采矿法

预控顶垂直分条嗣后充填采矿法采用上行式开采，适用于倾角及厚度较大的主矿体。在不改变原斜坡道开拓系统的前提下，沿矿体走向在矿体上盘围岩中布置凿岩巷道，凿岩巷道的断面尺寸为宽×高=4 m×3.2 m。沿矿体走向在矿体下盘边界布置出矿巷道，采场内的矿石采用遥控铲运机铲出，在凿岩巷道内利用反井钻机形成切割井，形成矿块采切工程。

在矿体上盘一定高度沿矿体走向布置一条充填通风巷，巷道的布置需考虑围岩条件及卸压范围，调整布置的高度位置和巷道宽度，在巷道内向上采用锚喷支护巷道顶板，并采用锚索向下进行采场顶板支护，从而提高采场顶板的整体稳定性，降低采场顶板冒落的风险，减小开采损失贫化率。每一垂直分条矿块回采结束后，从上盘充填回风巷施工充填孔对采场空区进行全尾砂膏体胶结充填，降低充填作业对于凿岩巷道凿岩的影响，同时可以保证充填体完全结顶。预控顶垂直分条嗣后充填采矿法工艺图如图7所示，预控顶垂直分条充填采矿法工艺配置示意图如图8所示。

5  结论

1）针对缓倾斜中厚矿体开采效率低、损失贫化率高的问题，提出应用垂直分条嗣后充填采矿方法，下向中深孔落矿工艺以提高采矿效率。

2）分析了垂直分条嗣后充填采矿法应用存在的问题，为解决下盘放矿和采场顶板管理2方面的技术问题，提出了2种具体解决技术方案。

3）对于本矿体的开采技术条件，分析成果可以开拓下一阶段采矿方法研究的思路，也可作为现场采矿试验应对不利地质条件的解决措施。

参考文献：

[1] 尹升华，吴爱祥.缓倾斜中厚矿体采矿方法现状及发展趋势[J].金属矿山，2007（12）：10-13.

[2] 杨宁，尹贤刚，欧任泽，等.缓倾斜中厚矿体采矿方法研究[J].矿业研究与开发，2021（3）：10-12.

[3] 李新成，于振，周士霖，等.高效缓倾斜中厚矿体采矿方法研究[J].采矿技术，2020（5）：8-10.

[4] 池秀文，柴志杰，何治良，等.缓倾斜中厚矿体分层开采与围岩控制研究[J].金属矿山，2020（10）：92-97.

[5] 董凯程，汪海峰，于永纯，等.缓倾斜中厚矿体高效开采技术研究[J].有色金属，2021（9）：1-7.