鐵礦緩傾斜厚大礦體采礦技術(shù)的分析

王青文

（河鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司承德黑山鐵礦，河北 承德 067412）

金屬礦山有三種比較常用的采礦方法，包括空?qǐng)龇ā⒈缆浞ā⒊涮罘ǖ龋?dāng)然這些方法都是相對(duì)比較傳統(tǒng)的方法。中國(guó)工程院院士指出在當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)恢復(fù)緩慢、中國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)深度調(diào)整的態(tài)勢(shì)下，全球和中國(guó)礦業(yè)都進(jìn)入一個(gè)相對(duì)困難的時(shí)期，開拓先進(jìn)的、非傳統(tǒng)的采礦新理論、新技術(shù)，是振興金屬采礦業(yè)的必由之路。

1 典型開采方法

1.1 崩落法

如引言部分所述，金屬礦山采礦技術(shù)中有三種非常常用的技術(shù)方法，崩落法是其中之一。崩落法是一種回采過程當(dāng)中不劃分礦房和礦柱，隨著回采工作面的推進(jìn)，用強(qiáng)制或自然崩落圍巖填充采空區(qū)，以實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)地壓管理的采礦技術(shù)方法。

在崩落法采礦中，需要沿著礦體邊界開挖環(huán)形運(yùn)輸巷道，在礦體的上或下盤開挖切割空間，并在塹溝中向上鑿鉆炮孔，并進(jìn)行爆破，后退回采。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一條航道多種用途，采掘工作量較少，采礦成本優(yōu)勢(shì)較好。

就崩落法而言，目前形成了多種類型的技術(shù)方法，如單層崩落法、分層崩落法等，這些方法都有共同的特點(diǎn)，即不再將礦塊劃分為礦房礦柱，而是以整個(gè)礦塊為一個(gè)單元，按照一定的順序開采。回采過程中圍巖自然或強(qiáng)制崩落，直接在覆蓋巖石的直接接觸下放礦，因而存在礦石損失貧化大的不利影響，需要對(duì)放礦進(jìn)行科學(xué)的管理。該方法對(duì)礦山的影響較大，因?yàn)椴扇”缆浞ū仨氁试S地面塌陷。

1.2 空?qǐng)龇?/h3>

空?qǐng)龇ㄒ话阈枰獙⒒夭蓡卧獎(jiǎng)澐殖龅V房礦柱，且分兩步回采，先采礦房，再采礦柱，礦房采空區(qū)一般先不處理，依靠礦柱和圍巖的穩(wěn)固性來(lái)維護(hù)。

空?qǐng)龇ㄔO(shè)計(jì)中需要按礦石、圍巖特性、回采工藝以及設(shè)備等，確定礦塊的結(jié)構(gòu)尺寸以及回采順序，如此才能有利地壓管理和安全生產(chǎn)。

其中結(jié)構(gòu)尺寸主要包含頂柱高度、間柱寬度、底柱高度、階段高度、礦房長(zhǎng)度與寬度，一般礦體厚度20m以內(nèi)，礦房寬度可設(shè)計(jì)為礦體的厚度，若礦體厚度在20m以上，則礦房長(zhǎng)度可設(shè)計(jì)為礦體的厚度。回采方面包括落礦（爆破方式），礦石搬運(yùn)兩個(gè)環(huán)節(jié)，一般要求從中央向兩端開采，或從兩端向中央開采，但順序不同結(jié)果會(huì)不一樣，需要借助數(shù)值分析。礦房采空后需要及時(shí)回采礦柱，并且有效處理采空區(qū)，這種方法工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)能力較強(qiáng)，作業(yè)條件相對(duì)較好，但需要留設(shè)大量礦柱，礦石損失率較大，而且必須要及時(shí)跟進(jìn)采空區(qū)處理，否則將造成礦柱承受壓力巨大，一旦超過極限就會(huì)導(dǎo)致破壞，地表塌陷成必然。

1.3 充填法

充填法是根據(jù)回采工藝要求，用充填料將采空區(qū)回填，進(jìn)而控制采場(chǎng)地壓，支撐圍巖，控制采空區(qū)圍巖破壞和移動(dòng)，同時(shí)充填體保護(hù)采區(qū)，進(jìn)行回采作業(yè)。

充填法需要按照礦床開采技術(shù)條件和回采方案確定充填料回填工藝，一般包含分層充填、嗣后充填。該方法可以有效回收礦柱，礦石損失率較低，且廢料可以直接回填，頂板相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)地表影響較小。

2 鐵礦緩傾斜厚大礦體采礦技術(shù)

2.1 緩傾斜厚大礦體采礦技術(shù)思考

埋藏淺、質(zhì)量好品位高的鐵礦資源隨著開采的日趨深入而減少，開發(fā)并利用深埋藏、條件差的鐵礦資源成為關(guān)鍵點(diǎn)。近期我國(guó)開發(fā)的鐵礦礦山大多數(shù)都是厚大第四系下的礦床，比如安徽霍邱地區(qū)的鐵礦床、山東萊蕪地區(qū)、固家臺(tái)、淮北地區(qū)等等。據(jù)相關(guān)資料的不完全統(tǒng)計(jì)，厚大第四系下的礦床擁有50億t的鐵礦儲(chǔ)量。厚大第四系下鐵礦床通常具備如下一些特點(diǎn)，緩傾斜～急傾斜，礦體厚度薄～厚大同存，礦體資源量一般在幾千萬(wàn)噸至數(shù)億噸。礦床的上部覆蓋物巨厚，且基本都是第三、第四系松散沉積物，地表地形平坦，通常多數(shù)都開發(fā)出來(lái)作為農(nóng)田，明顯若按照崩落法來(lái)開采這些礦體，很可能造成地表沉降，甚至塌陷。實(shí)際上不管是崩落法還是其他方法，緩傾斜厚大礦體的開采都必須要確保地表不塌陷、不沉降或減緩沉降，因而對(duì)于這類礦體的開采必須要選擇合理的采礦技術(shù)方法。

基于緩傾斜厚大礦體的特點(diǎn)，從近些年國(guó)內(nèi)開發(fā)的礦場(chǎng)所采取的采礦方法以及相關(guān)的研究來(lái)看，這一類采場(chǎng)環(huán)境差，安全程度低，國(guó)內(nèi)比較常用的緩傾斜礦體主要采取房柱法、全斷面法、長(zhǎng)臂式崩落法、短壁式崩落法等，這些方法都有一些典型特點(diǎn)，如需要鑿巖、需要爆破、需要支護(hù)、需要有效運(yùn)輸，但這些環(huán)節(jié)必須要在采場(chǎng)大面積暴露的頂板下進(jìn)行，稍有不慎就會(huì)出現(xiàn)落石、冒頂或垮頂事故，尤其是開采緩傾斜厚大礦體時(shí)，采礦人員需要在高空區(qū)下作業(yè)，無(wú)法檢查并排除頂板上的浮石，作業(yè)環(huán)境非常差，安全程度很低。同時(shí)不論采取何種方法，目前都要遇到頂板管理上的難題，包括采場(chǎng)合理跨度如何確定，采場(chǎng)頂板、底礦柱、礦石點(diǎn)柱參數(shù)不好確定，一般采取保守參數(shù)，礦石容易損失，而且采空區(qū)該如何處理也是個(gè)難題。

所以不管采取何種采礦技術(shù)，都需要明確以下幾個(gè)要求。其一，安全。所選采礦技術(shù)方法應(yīng)當(dāng)能夠改善作業(yè)環(huán)境，提高安全性。

其二，盡量使用無(wú)軌采掘設(shè)備，提高生產(chǎn)能力，因而在采切工程布置時(shí)需要考慮相應(yīng)的便利條件。

其三，建設(shè)少?gòu)U甚至零廢礦山，因?yàn)榫弮A斜厚大礦床賦存的位置，地表很多都是農(nóng)田，開采活動(dòng)會(huì)對(duì)周邊造成巨大影響，因而選擇的采礦方法必須要滿足廢石回填采空區(qū)的要求。

其四，地表不能塌陷或沉降。一般而言需要采礦方法合適而且回采順序合理。例如礦床隱伏在厚大第四系松散巖層下，且地表存在村莊、農(nóng)田不能使用崩落法。而緩傾斜厚大礦體所屬礦山規(guī)模通常都比較大，也不宜采用工藝復(fù)雜的充填采礦方法。空?qǐng)霾傻V方法相對(duì)來(lái)說(shuō)也不是最合適的，但卻擁有最大的優(yōu)化空間，可以設(shè)計(jì)空?qǐng)龇ǎV房采空后，用廢石嗣后充填到采空區(qū)，這種方法是空?qǐng)龇ê统涮罘ǜ髯詢?yōu)勢(shì)的結(jié)合。同時(shí)要注意回采的順序一般而言從上至下是比較常用的順序，但是緩傾斜厚大礦體顯然不能按照此種順序，因?yàn)闀?huì)影響地表，且采區(qū)容易發(fā)生事故，在開采過程中必須要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行及時(shí)處理，用廢石或尾砂充填，回采順序應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛上碌缴希驗(yàn)榈V體上下盤圍巖一般都比較穩(wěn)固，因而下層采空后立即用尾砂、廢石膠結(jié)充填，錯(cuò)動(dòng)范圍不會(huì)影響上盤的開采和采準(zhǔn)巷道，但需要根據(jù)具體地質(zhì)情況做支護(hù)。

2.2 適合緩傾斜厚大鐵礦開采的技術(shù)分析

基于前述思考，本節(jié)列舉部分適合緩傾斜厚大鐵礦的開采技術(shù)。

其一，分段空?qǐng)霾傻V嗣后充填方法。這種方法比較適合礦體傾角在20°～40°，8m以上厚度，頂板圍巖穩(wěn)定，底板圍巖穩(wěn)固的礦體。礦塊按照礦體走向進(jìn)行布置，長(zhǎng)度可設(shè)定為100m，并劃分兩個(gè)采場(chǎng)，并布置6m寬礦石間柱，間柱內(nèi)開路上山，同時(shí)該路與礦房、礦柱采場(chǎng)的溝相連，作為通風(fēng)通道。采場(chǎng)設(shè)定44m凈長(zhǎng)度，高度50m，按4礦房、4礦柱標(biāo)準(zhǔn)布置。巷道按由下到上的回采順序依次布置，每12.5m可布置一條沿走向的運(yùn)輸巷道，這條巷道要與斜坡道連接，巷道內(nèi)每8m設(shè)置出礦進(jìn)路并與礦房、礦柱的鑿巖巷道連通，鑿巖巷道寬度3m。按無(wú)軌運(yùn)輸水平，抬高10m，便于放礦，回采與運(yùn)輸水平之間設(shè)置礦石溜井與人行天井。回采時(shí)結(jié)合礦體傾斜角度從下向上回采，然后先采相鄰礦柱，采后空?qǐng)隽⒓椿靥睿涮铙w養(yǎng)護(hù)結(jié)束，回采礦房。回采中利用鑿巖臺(tái)車配合鑿巖機(jī)打深孔，利用乳化油炸藥爆破。安全爆破后鏟運(yùn)機(jī)在出礦進(jìn)路鏟礦運(yùn)走。礦柱采空后可使用1：6尾砂膠結(jié)料，從上山路鋪設(shè)充填管深入礦柱采空區(qū)進(jìn)行充填，充填養(yǎng)護(hù)時(shí)間需要1個(gè)月～2個(gè)月。合格后開采礦房，并處理礦房采空區(qū)，可用1：12灰砂比的尾砂膠結(jié)料填充。

其二，對(duì)于傾角0°～10°，8m～20m厚度，頂板、底板圍巖穩(wěn)固的礦體可采用礦房采空嗣后充填方法。具體是先沿礦體走向布置盤區(qū)，長(zhǎng)度100m為宜，并劃分4礦房、4礦柱。盤曲沿礦體的傾向長(zhǎng)度宜為100m，端部應(yīng)當(dāng)預(yù)留8m礦柱。礦柱圍巖內(nèi)需要布置一條運(yùn)輸巷道，該巷道需要與采區(qū)貫通，礦柱頂板下礦體內(nèi)需要設(shè)置回風(fēng)、充填的巷道，該巷道要與運(yùn)輸巷道平行，處于其正上方。一對(duì)礦房礦柱采區(qū)設(shè)置一條共用聯(lián)絡(luò)巷道，兩側(cè)布置出礦進(jìn)路，該進(jìn)路需要與礦房礦柱鑿巖巷道貫通。鑿巖巷道中部位置需要設(shè)置切割井，用作回采作業(yè)的初始作業(yè)面。回采時(shí)先以礦體傾向方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，先采下盤，下盤采空并填充廢石、尾砂后再采上盤。沿走向的回采則要求后退回采，盤區(qū)內(nèi)隔一采一，即先采礦柱，再采礦房。回采工藝則與上一個(gè)方法相當(dāng)。采空區(qū)充填需要設(shè)置充填巷道，充填料與上一個(gè)方法的相當(dāng)。

2.3 仿真分析

基于上述幾個(gè)針對(duì)緩傾斜厚大鐵礦開采技術(shù)的分析，為了進(jìn)一步明確其合理性，采取仿真分析方法，選取某鐵礦山為例進(jìn)行研究，該礦山早期使用的是崩落法，因?yàn)椴粔虬踩缆浞ㄖ鸩奖蝗∠枰恍┬碌姆椒▉?lái)開采緩傾斜厚大礦體。該礦山主礦體垂直厚度20m～40m，最厚位置達(dá)到63.58m，最薄位置進(jìn)2.61m，平均厚度為27.07m，較穩(wěn)定，因?yàn)闊o(wú)底柱分段崩落法已經(jīng)不適應(yīng)礦山要求，因而變更采礦方法，因此模擬盤曲分段鑿巖空?qǐng)鏊煤蟪涮睢⒈P曲無(wú)礦柱分段鑿巖空?qǐng)鏊煤蟪涮睢⒈P區(qū)大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮詈捅P區(qū)無(wú)礦柱大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮钏姆N方法進(jìn)行仿真分析。經(jīng)過仿真分析盤曲分段鑿巖空?qǐng)鏊煤蟪涮罘椒ㄊ窃摰V山最優(yōu)化的緩傾斜厚大礦體開采技術(shù)方法，數(shù)值分析上位移的變化量受采區(qū)寬度的影響，不過選對(duì)方法后總體唯一變化值小，在相同的100m長(zhǎng)度下，礦柱寬度8m，采區(qū)寬度設(shè)置13m、15m、17m分別仿真，三種寬度均能保證安全，但最安全的是13m，但空間相對(duì)狹窄，環(huán)境較差，15m是一個(gè)合適范圍，同時(shí)這個(gè)寬度范圍也能保證塑性破壞區(qū)范圍小，穩(wěn)定性有保證。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，金屬礦的開采方法有多種，這些方法各有優(yōu)劣，但單純的崩落法、空?qǐng)龇ā⒊涮罘ǘ疾皇呛苓m合緩傾斜厚大礦體的開采，因此采取綜合性的方法，一般為空?qǐng)龇ㄅc充填法優(yōu)勢(shì)的綜合，經(jīng)過本文的分析，目前綜合采礦方法，是最優(yōu)勢(shì)的方法，既能保證安全，也能保證生產(chǎn)能力。