硬巖無底柱無巖覆蓋層開采技術

胡杏保

(西安建筑科技大學材料與礦資學院)

對于無底柱分段崩落法開采，覆蓋巖層的形成是開采的前提。覆蓋層的主要作用是為了安全緩沖及爆破后礦石的有效回收。在國家《金屬非金屬礦山安全規程》中已經明確要求其厚度必須達到2倍左右分層的高度。因此，作為該采礦法，首先是怎么采用最經濟的方法形成覆蓋層;其次是怎么保證所形成的覆蓋層達到分層高度的2倍左右，以達到安全開采。通常覆蓋巖層的形成有3種方式:一是自然崩落，二是強制崩落，三是局部強制崩落(強制+自然)。對于很多礦山而言，尤其是硬巖頂板礦床的礦山，需要強制崩落形成覆蓋層，這不但增加放頂工程、增加了礦山投資及開采成本，而且延長了礦山投產時間，影響了礦山高效率的生產。即對于礦山來說既增加了開采成本，又增加了基建時間。為此，一些礦山開始嘗試采用不崩頂板的“延時”—“等”冒落的采場開采技術，以解決覆蓋層的形成。

1 無巖覆蓋層開采原理

無巖覆蓋層開采技術是指在無底柱采礦法在開采過程中不專門開展強制放頂而依靠巖石的自然冒落形成所需要的覆蓋層。而對于硬巖條件下的巖石冒落一般不會即時發生，其存在一個“延時”過程。因此，覆蓋層形成原理需要創造一個可以“等”頂板冒落的開采配套技術。該開采技術的要點是在無底柱的首采分層(或者緩傾斜礦體的上盤)以上不布置專門的放頂工程。將首采分層按照無底柱工藝進行回采(由于該分層尚未形成正常的菱形布置，在鑿巖設備允許的條件下盡量加大首采分層高度)，而首采分層一般出礦量只能達到崩落礦量的35%～40%，剩余礦石則殘留在采場之內。第二分層開采時，仍然進行正常的爆破落礦，其崩落的礦石出礦量取決于上部頂板巖層的冒落狀況:當上部頂板已經大量冒落時，可以出的礦石量也可以增大;相反，如果冒落量比較少，則第二分段出礦量也相應較少，其原則是保證在出礦進路的上方有足夠多的覆蓋層。

在開采期間，利用類似低貧化放礦的特點，將部分礦石進行暫時的殘留，其目的是“等”上部巖石的冒落，上部巖石冒落快則所殘留的礦石可以在接下來的分層盡快回收;相反，則需要將殘留的礦石多“殘留”段時間。因此，上部巖石需要具有一定的可“崩”性，并盡可能地擴大開采面積，加大頂板暴露面積，以超過其最大自穩定面積而人為造成頂板的失穩，創造自然崩落條件。在條件適當情況下，可以在應力集中區域適當的布置削弱工程進行工程誘導崩落巖石;或者在開采過程中盡可能人為造就要崩落部位“頂板應力集中”，以達到打破其穩定平衡并產生冒落。圖1為該覆蓋層形成技術過程示意圖。

圖1 覆蓋層組成

圖2為崩落礦石與巖石厚度轉化示意圖，H=H1+H2為要求的覆蓋層厚度，當H1大于所要求的H后，下部出礦可以不受低貧化放礦限制。即在巖石不斷崩落的過程中，所殘留的礦石也可以不斷地進行回收，直到崩落巖石足夠厚(達到2倍分層高度)時可將所留礦石層全部回收出來。此外，為了精確保障控制過程中頂板崩落狀況及上部真實覆蓋層的厚度，該技術需要建立頂板冒落及厚度監測系統，對已經冒落巖石及存在的覆蓋層厚度進行準確把握，以指導各個分層的出礦計劃及管理。

圖2 崩落礦石與巖石厚度轉化

2 低貧化放礦技術

低貧化放礦以數個分層為礦石回收的考核單元，上部分層允許殘留適當礦石在采場內，殘留的礦石既是減少礦巖石的混和，同時獲得較高品位的采出礦石，并可以作為覆蓋層使用。低貧化放礦工藝是介于截止品位放礦和無貧化放礦之間的放礦方式。該方法放礦是一個區域方式，而無貧化放礦和截止品位放礦屬于點放礦方式，因此，低貧化放礦為礦山提供更為寬闊的使用區間。采用該放礦方式可以實現:①在生產過程中有意識地預留部分礦石在采場內，減少了礦巖石的混和，提高采出礦石品位，降低貧化，并保證綜合回采率基本不變;②減少了礦巖混合程度、礦巖混合層量，減少采出原礦中巖石的混入量;③上分層部分礦石暫時殘留在空區內，下分層可以在尚未形成足夠頂板巖石冒落的“覆蓋層”下進行繼續開采，即在“礦石+巖石”組成的覆蓋層下繼續進行下分層的開采，給上部巖石頂板的冒落提供了充分的時間。

3 無巖覆蓋層開采技術要求及實施要點

無巖覆蓋層開采技術要求:①在硬巖條件下的頂板一般不能及時冒落，但應具有冒落的可能性，其冒落具有延時的特性;②分層開采區域的面積足夠大，以利于頂板的持續崩落;③不專門進行頂板巖石的強制崩落;④利用預留礦石作為覆蓋層，保證開采過程的安全;⑤利用低貧化放礦的特點，先期可以進行多分層的開采而“等待”頂板的冒落，為頂板冒落留有充足的等待時間;⑥當完成頂板冒落(達到2倍分層厚度時)后利用低貧化方式實現所“留”礦石的完全回收;⑦利用可靠的監測手段，準確掌握頂板冒落高度，指導生產出礦。

無巖覆蓋層開采技術實施要點:①開展該礦山頂板巖石工程地質調查，對該頂板在其礦體平面開采面積內崩落的可能性及穩固性進行評價，確定其存在可能崩落的可能性;②當頂板具有可崩性(但不能隨采隨崩)、不再需要進行強制崩落放頂;③在開采時利用第一開采分層本身出礦少、留礦多的特點，以所殘留在采場內的礦石做為初期覆蓋層;④在開采第二分層(甚至第三分層)時，根據監測的反饋結果，采用低貧化的放礦方式適當再殘留部分礦石在采場內，保障“礦+巖”覆蓋層達到2倍左右的分層高度;⑤在保證覆蓋層達到高度要求的情況下，進行下分層的開采與控制出礦，“等”到崩落的巖石覆蓋層達到安全要求的厚度;⑥隨著開采的進行，空區面積的增大，其頂板巖石必將逐步進行冒落，當其冒落的巖石厚度達到要求的覆蓋層厚度后，其前期殘留的礦石可全部回收出礦，完成整個覆蓋層的形成;⑦建立可靠、有效的頂板崩落及空區內覆蓋層厚度監測系統，及時、準確地確定空區內巖石已經冒落狀況及覆蓋層變化，指導分層出礦控制與管理。

由此可見:低貧化放礦是無巖覆蓋層開采技術的基礎(截止品位放礦滿足不了該技術)，利用“留”礦石而滿足安全覆蓋層厚度，“等”待頂板巖石冒落的方法實現該安全開采。既保障足夠的覆蓋層，又可以將全部礦石完好地進行回收。

此外，確定頂板巖石崩落的量是無巖覆蓋層開采技術的關鍵技術之一，只有在明確已經發生崩落多少巖石的基礎上才能確定需要留多少的礦石進行配合，才能有效的保障覆蓋層的厚度，保障開采過程的安全及礦石的回收。因此，該開采技術對頂板的冒落監測也是其重點之一。目前作為頂板巖層冒落高度的監測手段有很多種方法，如鉆孔多點位移計法、鉆孔探頭激光掃描法、鉆孔數字井徑儀法、介質密度物探法。在實際礦山應用中，為了保障監測的可靠和有效性，一般建議需要2種監測方法相互印證。

4 無巖覆蓋層開采技術適用條件及優點

無巖覆蓋層開采技術適用條件:

(1)采用低貧化放礦工藝，在上部分層開采時適當殘留部分礦石在采場內，保障在頂板巖石尚未完全冒落情況下進行下部分層的繼續開采，以“等”頂板巖石進行冒落;因此，采用該方法進行開采時，最少應該有4個以上的重疊分層進行開采，保證有足夠的回收分層對上部殘留進行回收。

(2)硬巖頂板盡管堅硬，但不能“硬”到在礦體開采面積范圍內仍崩落不了的程度。即該頂板盡管不能及時進行冒落，但隨著開采面積的增大、爆破震動的影響、有限的等待時間內或者適當采取適量措施的情況下能逐步進行崩落，在允許“等”的期限內(開采到最低分層)頂板可以自行累計崩落達到2個分層高度。

(3)具有有效的“崩落厚度”實時監控系統，及時指導礦山生產出礦及安全管理。

因此，無巖覆蓋層開采技術一般適用于礦山頂板巖石不能及時跟落但慢慢可以冒落的礦山，并且為了保證安全，要求礦山在采用該技術工藝時要有相應的覆蓋層厚度準確的監測手段進行支撐，及時掌握其上部覆蓋層的厚度，指導進路出礦量控制。

無巖覆蓋層開采技術優點:①不需要進行專門的放頂設計及工程布置，節省投資及開采成本;②減少礦山基建時間;③無大量的巖石混入，提高初期出礦品位;④采用低貧化放礦(留礦石層等頂板冒落)，提高礦山開采礦石品位;⑤利用暫時預留的礦石層代替崩落巖石層，當完成頂板巖石崩落后利用低貧化放礦方式進行回收。

5 工程實踐

某礦山礦體走向長度約1 100 m，平均厚度80 m，傾角45°～65°。采用無底柱分段崩落法進行開采，設計生產規模為100萬t/a，中段高度為50 m，按照分段高度為12.5 m進行布置，在垂直方向可以重疊布置4～5個分層。由于該礦山頂板巖石比較堅硬，而礦山為減少基建工程及生產成本，礦山開采初期并未進行強制崩落頂板巖石圍巖作為覆蓋層。因此，按照本覆蓋層形成技術及組合開采進行了多年開采，已經完成3個分層的安全開采，平面上形成約8萬m2的開采空區，已經累計安全開采出礦760萬t。

5.1 頂板穩固性評價

在礦山開采初期，為確定頂板巖石的穩定性能，礦山采用多種方法對其工程地質等進行相關分析與評價。根據調查結果，礦山節理傾向玫瑰花圖、傾角頻率直方圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 節理傾向玫瑰花圖

根據圖3可知，存在2組優勢節理:第1組節理平均走向為NE52°左右，第2組為NW305°左右。根據巖石判斷準則，采用RMR法、Mathews法等穩定性方法進行評價，綜合得出該礦山頂板巖體可崩性處于中等位置，可崩性尚好;在達到適當的暴露面積后空區頂板具有良好的崩落性能，即頂板達到一定暴露面積后，存在自然崩落的可能性。

圖4 節理傾角直方圖

5.2 采場出礦與控制

在開采過程中，為了保證足夠厚度的安全覆蓋層，在建立了地表鉆孔加井下物理探測頂板巖體崩落及覆蓋層厚度監測的基礎上，在首采分層采用了殘留礦石做覆蓋層的回采工藝，并采取封閉空區與巷道的通道防止空區出現大冒落產生的壓縮氣流危害工程措施。具體在出礦方面，第1分段出礦量控制在所崩落礦量的25%～35%，第2分段出礦量控制在所崩落礦量的45%～55%，根據爆破后礦石的松散系數(約1.5)計算，采礦水平下降到第2個分段時采空區內留礦厚度層已達20 m;當第2分段開采結束時，頂板巖層已經平均冒落約11 m，按照冒落巖石松散系數1.2～1.3進行計算，其巖石冒落形成的覆蓋層厚度已經達到13.2～14.3 m，仍小于安全覆蓋層厚度(25 m);但此時空區內已經存在有礦石墊層+巖石層厚度達到33 m，大于安全覆蓋層要求的25 m，因此，其第3分段開采時可以按照正常采礦時的出礦進行控制出礦，并可以適當回收上部分層殘留在采場內的礦石;隨著第3分段的開采頂板巖層也在不斷的進行著冒落，通過監測發現:在第2分段開采結束時，上部巖體的覆蓋層厚度已經達到了39 m，遠遠大于安全覆蓋層25 m的要求。實現了巖石覆蓋層的完全形成及硬巖礦山在不需要進行強制崩落頂板巖石的條件下的安全開采。

6 結論

(1)詳細介紹了采用低貧化放礦為基礎的無巖覆蓋層開采技術在硬巖礦山實現不需要強制崩落頂板實現安全開采的技術。該開采技術的應用，提高采出礦石品位，減少了廢石的混入。該開采技術的應用，為礦山節省了強制放頂直接費用，并保障了礦山快速投產與達產，為礦山創造了較好的直接經濟效益。

(2)為了有效指導礦山安全生產及控制出礦，在開展該工藝開采時要求采用有效的頂板崩落和空區狀況監測的手段進行配合使用，保障開采安全及礦山有效出礦;實踐表明:采用JJY－ID數字井徑儀鉆孔監測及地質雷達探測2種監測手段(相互驗證)可以較精確地確定掌握空區冒落及覆蓋層的實際厚度，滿足礦山安全與生產要求。

(3)通過對實例礦山的工程地質調查，巖石取樣，巖石力學試驗等工作，對礦山采空區頂板利用RMR法、Mathews法進行了可崩性評價。分析認為該礦采空區頂板具有較好的可崩性;因此，對于該礦開采的巖石條件，其頂板巖石雖然不能隨著開采而及時進行冒落，但在開采范圍達到一定區域后，在不斷的開采過程中可以由零星冒落累加而形成足夠的覆蓋層厚度。

(4)對礦山的采礦方法現狀和采空區現狀進行了調查，對礦山前期的鉆孔觀測結果進行分析，采空區頂板隨著開采已經開始逐步冒落，經過2年的生產，采場上部的覆蓋層厚度已經達到了2個分段的高度左右，因此，礦山在按照低貧化放礦過程控制、確保維持兩個分段的高度左右覆蓋層的前提下可以繼續進行開采。即為了實現開采的連續作業，為滿足巖石崩落“滯后”及無底柱開采要求覆蓋層的要求，采用低貧化放礦方式進行出礦可以實現礦山在不需要強制崩落的條件下進行安全開采。

［1］ 胡建華，周科平，羅先偉，等.頂板誘導崩落爆破效果的全景探測與評價［J］.巖石力學，2010，31(5):

［2］ 李 江，王喜兵.邯邢礦山崩落法空區下的安全回采［J］.金屬礦山，1998(8).

［3］ 周宗紅.傾斜中厚礦體損失貧化控制理論與實踐［M］.北京:冶金工業出版社，2011.