無底柱崩落爆破技術在復雜多空礦山開采中的實踐

吳 濤

（中國江西國際經濟技術合作有限公司，江西 南昌 330038））

0 引言

目前，我國礦山的開發程度越來越高，易采富礦的數量也在逐年下降，國內可利用的礦產資源中，復雜、難以開采的礦山比重越來越高，嚴重制約了國內礦產資源的有效供給。同時，由于礦山的無序開采，造成了大量的礦料流失和空洞的殘留，致使礦區的采礦狀況變差，提高了采礦的難度。因此，科學選用礦山開采技術，確保復雜、多空區域礦山的安全、高效開發，是礦產資源有效供給的唯一出路。本文以復雜多空的西石門鐵礦為例，在介紹常用礦山開采施工技術的基礎上，對無底柱崩落爆破技術在復雜多空礦山開采中的實踐進行總結。

1 工程概況

西石門鐵礦是中部地區某礦業集團下屬的重要礦區，采用無底柱分段崩落法礦山施工技術，礦井年產量達2200,000t,是全國有名的施工難度較大的礦山，表面上有一條小溪，礦床通常為1.2～30m，礦層的平均厚度為15.13m，礦床的軸線傾角較小，兩側的側向角度通常在10°～30°之間，屬于中、慢傾斜的中厚礦床。民采礦點采空區的分布廣泛，主要集中于礦區的淺層至Om中段。空區結構復雜，大部分都已塌陷，一些空區積水嚴重，對西石門鐵礦生產構成了巨大的危險，對開采工作也產生了很大的影響，導致礦井開采速度過快，采區后續資源不足，產量銜接緊張，開采難度加大，生產礦石品位低下等問題。

圖1為西石門鐵礦南區生產狀態圖。多空區的地質情況比較復雜，開采困難也就越大，西石門空區有大量的噴落物，很可能會提前滲出，造成礦床的貧化。另外，在下盤內存在大量的軟硬硅卡巖、易于上浮的煤層和多空區引起的開采場壓等問題。由于礦山施工所處的自然環境條件較為惡劣，礦井空間相對狹窄，且呈現高壓、粉塵和潮濕的特征，對工程安全構成了嚴重威脅。且參與礦山施工的機電設備長期高強度運轉，難免會在過程中遇到大量的摩擦、損壞，這就加快了設備老化和產生故障的速度，加上設備的長期養護不力等原因，導致設備存在巨大的安全隱患，繼而引發嚴重安全事故[1]，如在運行中出現起重機墜落等事故，不但會影響工作進度，還可能會導致人員傷亡[2]。

圖1 西石門鐵礦南區生產狀態圖

鑒于上述多空區礦體開采面臨的諸多問題，并根據礦區的生產實踐，提出針對此類礦體的高效開采施工技術，以實現提高礦井生產能力和安全高效開采的目的。

2 常用礦山開采施工技術

2.1 礦井空場法開采施工技術

在采礦作業中，最常見的空場法，可以用于礦井和礦柱等的采掘，突破了采礦的限制，以礦柱為依托，保證工作人員在正常開采時，可以大面積地開發新的資源。該技術需要相關的設備和儀器支撐，對采掘過程進行監控，增加采收率。

2.2 綜合類型施工技術

在采礦過程中，常常采用的是復合式采礦技術，如硬頂煤技術。硬頂煤技術包括了爆破、高壓注水等技術，這種技術可以用于大型煤礦的開發，開采中需對工藝進行嚴格控制管理，才能達到使用要求和開采效果。

2.3 礦山崩落施工技術

礦山崩落技術在礦井生產中占有重要地位，包含了分層崩塌、階段崩塌等技術。利用崩落技術可以對地層壓力進行有效控制，在圍巖區的開采中具有良好效果。并且，在機械的協助下，可降低工作人員數量，保證采礦作業人員的安全，有效節約成本。

2.4 斜層礦產施工技術

煤礦生產中因其地質條件的復雜性，在實際采礦過程中往往會發生傾角，給開采工作造成很大的困難。對于煤礦井下的傾角問題，必須運用儀器等技術手段進行持續深入調查，以便在出現相關問題時，能夠及時采用合理的方法保證礦井的安全生產。在運用儀器時，要選用小型儀器，以方便工人的操作，增加作業的效能；同時，還要對礦區的支撐進行檢驗，確保其能夠滿足要求，防止礦山的破壞。

3 西石門鐵礦開采方案的創新

3.1 施工方案的選擇

根據對西石門鐵礦的實地考察和礦巖穩定性的研究，發現其礦體為緩慢斜坡，上部的灰巖節理裂縫多，穩定性差，而下盤的閃長巖石則相對穩定，在灰巖與閃長巖體間的硅卡巖層巖性疏松、不穩定。西石門礦區針對頂板的不穩定性，采用崩落法采礦。崩落法采礦包括有底柱崩落法和無底柱崩落法。在有底柱崩落法中，電耙巷道設在硅卡巖中，由于巖石的軟弱、地質壓力和爆破震動等因素，造成了多處損壞，開采效果不佳，產量大打折扣。而在無底柱崩落法采區，通過多年的實踐，尤其是在深部硅卡巖礦體的開采過程中，已有了比較成熟的巷道開挖和支護技術，使無底柱崩落法對不穩定巖體的適應能力得到了改善。

由于礦山開采深度的增大，深部礦體逐漸變細，無底柱分段崩落方法顯示了不適應情況。一方面，由于礦區的壓力較大，導致了支撐的位移加速；另一方面，采用這種方法開采的單一煤層開采比重加大，并且由于頂板的不能隨采、塌落區域的礦體無法得到高效的回收，導致了礦山回收率下降。基于以上原因，綜合目前礦區崩落采礦技術和經驗，結合煤礦安全生產的目的，本文介紹了一種采用無底柱崩落爆破技術改造礦井的新工藝，合理利用多個空洞的新的采礦方法。

3.2 礦山施工方案的設計

3.2.1 分區方案選擇

經現場勘查發現40m以上的礦山大多為殘余開采，-40m以上的主要是下盤賦存厚層矽卡巖的多空區礦體；-40m以下的主要是受深度的影響，大多數仍然是礦體。為了達到“低‘貧礦’”和“低‘富礦’”的同時開發目的，劃分邊界應以-40m為好（如圖2所示）。通過這種方法，在全礦體系中，上段含有殘余礦的多層礦與下層礦可以同時進行，從而解決了上礦單一工作面生產礦石品位低、生產能力低、生產效率低的消極狀況，依靠上、下分區貧富并用，使礦山生產能力、品位和采掘效率得到了改善。

圖2 上下雙工作面分區回采示意圖

3.2.2 “上下分層”方案優勢

西石門鐵西區礦區劃分采用了“上下分層”的方法，與以往采用的由上向下分層、單一工作面的方法相比較，本設計方案有三個主要特點：

（1）多了一個回采工作面，產量可以大幅提高；

（2）下層原生礦體數量多，出礦質量也比較高，與上層低礦配合使用，可以完全恢復整個礦區；

（3）頂部的尾礦圍巖滯后冒落所造成的空場出礦狀況，可以防止上層巖石的早混，降低礦體的貧化率，實現“貧富兼采”。但新的開采計劃能否得到安全、高效的執行，其核心問題是如何確保下分區第一期的開采期長短，下段開采時間越短，兩層工作面開采越安全。

3.2.3 崩落法施工方案的確定

無底柱分段崩落采礦法是將各段按段進行分層開采；各區段又分為若干條，各條中各有一條采巷；分條中沒有特殊的下層構造，只在回采巷中進行下料和搬運。礦層的開采是按照從上往下的次序進行的。在開采過程中，開采出了被覆的塌陷圍巖，使其充滿采空區。分條開采是在回采巷道中開挖上向扇形的炮眼，采用較短的崩塌步距（1.5～3m）對崩落區進行擠壓和爆炸；落下的礦體在松軟的覆巖層中，由回采裝置將其從采巷道端底送至溜井。

在崩落法上下分區的礦山施工方案中，根據采礦需要的覆巖采用了巖體冒落特性形成。所以，這一設計需要達到連續冒落的臨界值，而當頂部的巖體有較好可冒性時則更加合適。崩落法是在覆巖層下方開采，由于礦體傾斜較大、延伸較小，上分區會因下部分段回采崩落而造成工程損壞。在此項工作中，崩落開采的礦體傾角不大于40°，為緩傾斜～傾斜的一種礦體。該方法在小傾角情況下較為適合，特別適合于緩傾斜～傾斜的礦體，可以較大幅度提高開采能力。

3.3 支護技術方案

通過對礦井支護結構失效的原因剖析發現，由于圍巖穩定性差和不能按時支護而導致的支護失效。這兩個成因都緣于對軟巖特性缺乏理解。因此，從綜合防治的觀點出發，對石門鐵礦軟碎礦的支護技術進行了改造。

通過實地考察，得出了支護失效的兩個主要影響因素：巖石破裂和地面壓力較大。因此，針對這兩個條件并存的礦井，建議采用噴錨網法+U形伸縮式金屬拱橋組合支撐技術。為了確保其良好的支撐性能，必須將拱架與隧道截面緊密結合，在縫隙中填充對開式木材，并且在拱肋間采用焊接接頭，以確保整體性。在施工過程中，應先進行噴錨網的建設，然后進行U形伸縮式金屬拱橋的建設，以確保其具有高的承載力和大的變形，從而可以在使用過程中滿足連續支撐需求。

4 結束語

在礦山工程施工過程中，必須對各個工序進行認真檢查，并嚴格按照有關規范進行施工。要遵循“先調整、后計劃、后施工”的科學施工流程，充分利用礦井地質工程勘察的作用，以提供科學、準確、具體的礦井地質工程資料，為礦山工程施工技術進行科學設計提供依據，確保后續施工安全和開采效率。本文所探討的復雜多空礦山的開采，不僅再一次證明了遵循“先調整、后計劃、后施工”的科學施工流程的重要性，也證明了無底柱崩落爆破技術對復雜多空礦山開采的適用性。