厚大礦體采礦設計方案優化探討

周 杰，董成龍

（新疆地質礦產勘查開發局第十一地質大隊，新疆 昌吉 831100）

在礦產資源需求量不斷增加的情況下，許多礦區已經接近枯竭，在實際生產過程中面臨著厚大礦體開采的難題。除了要利用先進的采礦技術設備，還要對厚大礦體采礦設計方案進行優化，充分考慮礦區環境因素的影響，對施工作業面進行合理布置。在此情況下，可以為采礦施工過程的安全、順利進行提供保障。

1 工程案例

某磷礦礦區總面積1.87萬m2，礦產儲量為7304.56萬t，保存儲量5210.25萬t。該礦區設計開采能力100萬t/年，設計開采年限32a。該礦區從2009年開始投入生產，經過10年的開采，采空區面積較大，對礦區地質穩定性造成了一定影響。在生產任務要求下，目前該礦區已經引入高效無軌運輸系統以及先進的掘進技術設備，磷礦回收率在80%左右。在現階段的開采過程中，主要面臨厚大礦體開采的難題，需要根據其施工特點，合理設計采礦方案，并結合實際生產條件，對設計方案進行優化，從而提升礦區地質結構穩定性，確保開采過程的安全進行[1]。

2 厚大礦體采礦特點

該礦區在厚大礦體采礦中主要面臨著以下幾方面的難題。

（1）礦床地質條件較為復雜，經過多年的開采，磷礦層頂板部分的結構完整度較低，結構穩定性下降明顯。目前采空區的暴露面積較大，容易因自然塌陷對井下采礦安全性造成威脅，而且會導致地表危巖體出現坍塌。

（2）礦區整體屬于緩傾斜中厚礦體，呈緩傾斜產出，礦層分為三層結構，平均厚度為17.68m，最大厚度為25m左右。此等級磷礦厚大礦體開采尚無可借鑒的成功經驗，具有較大的采礦設計難度。另外，由于礦層傾角在120°以內，無法采用自溜方式運送礦石，需要設計機械裝運系統。僅有少數急傾斜礦體可以采用自溜方式。

（3）該礦區雖然礦石儲量水平高，但是不同品位礦石混雜分布，綜合品位較低，貧富層相間。磷礦平均品位為23.2%，高品位磷礦占比約為30%左右，富礦較少。在同一礦層可能出現不同品位的礦石分布，不利于礦石分類利用。

目前該礦區采用無軌設備，按照分層開采的方式進行采礦，設置了1.8m的錨桿護頂，但支護效果較差。頻繁出現的頂板掉落事故對生產效率及生產安全造成嚴重影響，必須盡快對采礦方案進行優化[2]。

3 厚大礦體采礦設計方案的優化措施

（1）巷道布置。針對該礦區厚大礦體開采面臨的實際問題，在采礦設計方案優化過程中，綜合地質條件等方面的考慮，決定采用錨桿、錨索、錨網聯合護頂措施，并采用切頂房柱法進行施工。在運輸方面，繼續采用無軌運輸方式。為了提高開采效率，通過引入中深孔爆破施工技術，將原三層切頂改變為兩層切頂。對于盤區斜坡道、中段運輸區域的巷道，采用偽傾斜布置方式，并將其貫通。其中，盤區斜坡道靠近礦體底板，平均坡度為10%，在采用中深孔爆破技術的情況下，需要將其作為爆破礦石的運輸巷道。在盤區礦塊布置方面，需要沿礦房底板、切頂層各布置一條鑿巖平巷，并布置在礦房中央位置。最后通過在兩端底板布置通風巷，與中段巷道相連，同時作為盤區的安全出口。

（2）回采工藝設計。在回采工藝設計方案，主要按照中段從上到下的順序進行開采。在一個礦塊內，可以從一側或兩側向著斜坡道的方向進行退采。在整個礦房范圍內，按照從上到下的順序分為兩層進行爆破施工。先完成第三層的切頂層開采施工，再通過采用中深孔爆破技術，完成其余礦層施工。

（3）巖石搬運方案。在巖石搬運方案設計優化方面，切頂層和第三層貧礦的開采，可以采用鏟運機設備裝載到井下汽車中，然后從斜坡道、中段巷道運輸至井下主溜井。在第二層富礦的開采過程中，可以將礦石運輸到井口周圍破碎站，直接對礦石進行加工處理。

在第一層貧礦的開采過程中，則采用鏟運設備與井下汽車運輸方案，從斜坡道運輸通過中段大巷，最后運輸到井下主溜井。根據實際施工條件，部分礦石也可以采用遙控裝置進行鏟礦。在此情況下，能夠進一步提升施工效率。

（4）采空區管理。在采空區管理方面，主要根據磷礦地質條件以及巖石力學參數分析結果，對采空區頂板進行分級，其中1級頂板為結構狀態完整、較為穩固、沒有破碎問題的頂板。2級頂板為結構相對完整、出現不穩定趨勢、存在部分破碎問題的頂板。3級頂板則是已經處于破碎狀態的頂板，需要重點進行防護。然后針對不同等級頂板設計相應的頂板支護方案，1級頂板采用縫管式錨桿和掛網臨時加固方案，并采用錨索設置永久性支護。2級頂板的支護方法基本與1級頂板一致，但在錨索布置過程中，需要縮小錨索間距。在3級頂板的支護過程中，則需要采用聯合支護方案，在礦柱中間頂面噴射混凝土，并采用錨桿、錨索、錨網綜合支護措施。在本次方案優化過程中，采用人工礦柱替換遺留礦柱，然后采用混凝土膠結方式進行填充，有利于提升采空區穩定性。

（5）采礦設備選擇。在采礦設備優選過程中，主要考慮厚大礦體連續開采作業的需求，在結合同類工程先進施工經驗的基礎上，引入國內外先進技術設備，對采、裝、運、支等各個工序環節進行優化。其中，在采切設備優化方面，引入2臺DS310液壓鑿巖臺車，能夠提升礦山掘進作業效率。回采設備主要配置1臺鑿巖臺車、1臺中深孔鑿巖機、2臺柴油鏟運機、4臺井下汽車、1臺臨時護頂錨桿臺車，使整個施工流程的機械化程度得到進一步提升。

（6）優化效果分析。從上述工程的采礦設計方案優化效果來看，首先通過采用綜合支護加固方案，使施工安全性提到明顯提升。在采用上述頂板支護方案后，在采空區頂板處設置了3個觀測點，對其下沉情況進行觀測。觀測結果顯示采用新的錨固方案可以使頂板下沉量得到有效控制，而且在施工過程中沒有再出現頂板掉落現象。其次，采用優化設計方案，對采礦作業效率有明顯的提升作用。在傳統機械設備技術條件下，單班掘進時間為3h，人工錨網面積為10m2，有效掘進尺寸1.8m。在采用新技術設備后，單班掘進時間僅需要2h，臺車錨網面積45m2，有效掘進尺寸3m。另外，使用的裝載機運輸能力從3t提升到6t，足足提升一倍。最后，優化設計方案的應用可以有效降低人工勞動負荷，從而降低施工成本。在采用新設計方案后，作業人員減少為原來的1/2，起到了顯著的成本節約效果。

4 結語

綜上所述，厚大礦體采礦設計方案具有較高的難度，需要同時考慮礦區地質條件、礦體厚度及分布狀態等因素，合理制定采礦設計方案。在采礦設計方案的優化過程中，通過對各項工藝的施工作業面、施工技術進行合理布置，把握好施工技術要點，不僅可以提升施工效率，還可以為施工安全性提供保障。