急傾斜薄礦體開采技術及趨勢

房 濤，徐新海，曹書滄

當前我國鐵礦山中急傾斜薄礦體頻繁出現，表現為單斜構造、傾角陡、含水性弱。長時期以來，鐵礦急傾斜薄礦體大面積應用尾砂膠結充填法以及微差擠壓爆破法（我們是70m段高，中深孔20m左右，深孔50m左右，采用微差擠壓爆破，通過鏟運機將礦山運到溜井，采用尾砂膠結充填），在回采時極易出現礦石中混雜廢石的情況，增加了礦石貧化率，加之回采工序復雜、對施工質量要求嚴格，增加了操作者負擔，一旦操作不當，就會造成較大的地下有限資源浪費。因此，探究急傾斜薄礦體的開采技術具有非常重要的意義。

1 急傾斜薄礦體及特征

在鐵礦床中，急傾斜薄礦體多表現為礦體傾角超出55°（多為60°～80°），上盤、下盤圍巖穩固性較高，礦石包括極不穩固、中等穩固、穩固幾種類型。礦體厚度在5m～25m之間，礦體走向較長，彎曲錯動、分枝復合現象出現概率較低，但會出現“香腸狀”、“樹狀”、“巢狀”等不規則狀礦脈?！跋隳c狀”礦脈具有走向長、薄厚差異大、中下層圍巖不穩特點；“樹狀”礦脈具有走向長、分枝復合、波動起伏大、膨脹狹縮、中下層圍巖穩定的特點；“巢狀”礦脈具有走向長、厚度變化幅度大、不集中、中下層圍巖不穩定的特點。

1.1 急傾斜薄礦體的開采技術應用

以70m段高，中深孔20m左右，深孔50m左右的急傾斜薄鐵礦開采為例，可采用微差擠壓爆破，通過鏟運機將礦山運到溜井，進而采用尾砂膠結充填。具體流程如下。

1.2 微差擠壓爆破

微差擠壓爆破又可稱之為毫秒爆破，是以毫秒延期雷管為基礎的控制爆破技術，延期間隔時間在幾毫秒到幾十毫秒之間，因前、后相鄰段藥包爆炸時間間隔不長，可以利用各藥包的能量場相互作用，獲得爆破地震效應小、爆下礦巖塊度均勻、爆堆集中度高、一次爆破量大等爆破效果。如第二炮起爆時可以利用第一炮形成的裂隙構成新的自由面，擴大后炮的應力波反射拉伸作用，提高巖體破碎效果。在微差擠壓爆破應用于急傾斜薄鐵礦開采時，首先需要選擇恰當的微差間隔時間?？紤]到頂板屬于中硬脆性層，爆破時移動速度較快，為了提高巖體破碎效果，可以適當縮短微差間隔時間，即將微差間隔時間設定在35ms～50ms之間。同時考慮到炸藥類型對下部起爆藥包爆后拋離原巖的最大距離具有一定影響，根據所選擇炸藥類型的變化，可以進行微差間隔時間的調整。對于頂板白云巖柱狀2號巖石炸藥，可以設定微差間隔時間在10ms～23ms之間；對于頂板白云巖柱狀粒狀銨油炸藥，可以設定微差間隔時間在10ms～25ms之間。同時為保證爆破安全，技術人員可以設定同段起爆藥量低于設計允許值，將同一段起爆藥量分散布置，降低重復段落布置引發的震動疊加效應，并指派專門人員負責井口撤離指揮與防護、危房備用系數監測、應急準備、采場出口周邊管線與設施設備保護、通風監測與評價作業。

在參數確定后，可以裝填孔內微差擠壓爆破藥包，從上到下依次為上部充填物、上部起爆藥包、上部藥包、下部充填物、下部起爆藥包、下部藥包。上部充填長度為頂板巖厚度的0.5倍～0.6倍，下部充填長度為上層礦厚度的0.5倍～0.6倍。底盤抵抗線與巖石、炸藥性質具有較大關系，一般在3m左右。眼間距則與鉆孔密集系數、底盤抵抗線有關，一般在1～1.3左右。同時由于急傾斜薄鐵礦開采多選擇便于均勻破碎礦體的正三角形布孔方式，可以布置垂直深孔，設定第二排后起爆各排的排間距為最小抵抗線，超深為0.15倍的底盤抵抗線，留碴厚度則結合堆碴松散系數決定。

在藥包裝填后，可以利用復式并串聯法布置起爆網絡。即利用8號工業導爆雷管起爆炸藥，復式導爆管簇狀串聯起爆網絡，起爆網絡劃分為若干個基本單元，每一個基本單元內，根據功能的差異，炮孔拉槽、正排劃分，炮孔內部8號工業導爆雷管依據設計簇并行連接，炮孔內上部、下部分別采用奇數段微差雷管（1、3、5...）、偶數段微差雷管（2、4、6...）。起爆藥包為2號巖石炸藥、乳膠炸藥；被動藥包為粒狀銨油、乳膠炸藥；炮孔外部則再以簇為節點進行并聯，也可以復式簇的形式串聯后與單位線路相連接，與8號工業導爆雷管形成一個整體。在基本單元簇布置完畢后，以基本單元簇為節點，經并行連接形成一個大區，進而由一個大區簇并行匯總，最終形成基本單元簇、大區、匯總復式串聯的形式。同時考慮到微差擠壓爆破技術應用背景下，起爆網絡可靠度受雷管、導爆管可靠度、網絡設計可靠度、網絡敷設可靠度以及爆破沖擊波、雷管碎片、飛石等偶然因素影響，除了選擇高精度、同廠區同批次雷管與導爆管外，技術人員應進行敷設起爆網絡，保證雷管起爆后被激發的導爆管全部激發。必要情況下，技術人員可以在爆破前利用延期試驗方法對雷管進行驗證，延時誤差強制同步，確定最佳的炮孔內、炮孔外雷管組合。

1.3 礦山鏟運出井

根據礦體賦存狀態以及前期確定的礦體開采方法，為達到投入少、開采便捷、產出高的目的，可以確定中段高度為20.0m，礦石鏟運系統為雙無軌斜坡道?？梢栽诓傻V場內部，進行順路溜礦井架設，中段礦石經采場溜礦井下部振動放礦機裝填到鏟運機中，由鏟運機通過中段運輸巷道、地表公路、斜坡運輸到選廠礦倉、地表礦石堆場。而廢石則由鏟運車經運輸巷道、地表公路、斜坡道運輸到廢石場地，保證井下、地表全部無軌運輸目標的順利達成。

在雙無軌斜坡道應用過程中，根據其主要運輸需求，可以在礦體開采崩落帶以外、距離礦體30.0m～50.0m的下盤巖體中布置，為廢石、材料、人員以及礦石運輸提供充足支持。同時由主斜坡帶再行分岔，促使雙無軌斜坡道開掘進入各個礦石開采場的分支斜坡道。并經礦脈內部主要運輸平巷道，將斜坡道逐一連接，控制雙無軌斜坡道隨著礦體的變化而變化。在雙無軌斜坡道位置確定后，技術人員可以冶金部有色司《關于印發〈對有色金屬生產礦山使用鏟運機的基本要求〉的通知》，結合所通過無軌設備的規格以及車速、有無行人要求，進行雙無軌斜坡道斷面規格的設計。在無軌設備車速處于5.0km/h以內時，若無行人，控制雙無軌斜坡道寬度超出鏟運機最寬位置每側加寬0.80m，轉彎位置外側則再次加寬0.30m，雙無軌斜坡道高度需要依據鏟運機司機室棚頂、巷道頂板軌掛無超過0.60m的標準進行設計；若有行人，雙無軌斜坡道人行道有效寬度需大于等于1.0m，運輸設備、支護之間距離需要大于等于0.60m。

在雙無軌斜坡道斷面規格確定后，根據其井下使用特點，技術人員應設定其轉彎半徑在15.0m左右，坡度則在20%左右，彎道坡度小于等于10.0%，連續縱坡小于等于15.0%，緩和段坡度小于等于3.0%，長度大于等于80.0m。在雙無軌斜坡道設計完畢后，技術人員應選擇先常規掘進后盤區開采的方式，即先開掘斜坡道折返段（40.0m以上、205m以下）端部垂直溜井（垂高8.0m），進而由溜井位置從下層到上層進行第一段斜坡道的開掘。

1.4 尾砂膠結充填

鐵礦急傾斜薄礦體的回采自始至終都是采礦方法策劃的難點，當前采礦業并沒有價值較高的礦石開采法供參考。而尾砂膠結充填采礦法在鐵礦急傾斜薄礦體中的應用，可以有效解決全面采礦中采空區坍塌陷落、頂板支護不到位、礦石搬運難度大等問題，且可以在一定程度上控制鐵礦急傾斜薄礦體開采損失、貧化率。因此，在鐵礦急傾斜薄礦體回采時可以選擇尾砂膠結充填方法。實施程序如下：

第一步，沿著走向長50.0m、以礦體厚度為垂直走向、中段高度70.0m進行礦塊劃分，礦塊之間留設6m礦柱，從上、下中段礦塊兩側垂直走向進行開鑿采準穿脈，在礦體內延走向布置鑿巖巷道，礦塊中間計布置三條出礦進路，結合出礦進路、采準穿脈和鑿巖巷道出礦，能夠有效的利用各出礦口進行出礦，營造回采條件。

第二步，以礦脈延伸情況為依據，提前劃定礦塊及礦柱，在將礦柱保留的前提下，分別開采礦塊。爆破后機械出礦，機械鏟運車將礦石運輸到溜井、運輸水平、礦山提升系統。

第三步，以一個礦塊開采完畢為節點，在采空區下部每個出礦進路及鑿巖巷口施工鋼筋混凝土墻體，上部安裝充填管路，尾砂由地面充填站攪拌好比例經管路輸送到采空區，同時鋼筋混凝土墻體安裝濾水布排水孔。采用分段充填，鋼筋混凝土墻體以下采用充填料灰與尾砂比例為1/6，鋼筋混凝土墻體以上采用充填料灰與尾砂比例為1/20，頂部結頂采用充填料灰與尾砂比例為1/6。

第四步，在整個礦塊充填完畢且充填體養護21d后，達到設計強度，作為下一個回采中段的地板，逐段上向回采。

1.5 急傾斜薄礦體開采技術的優勢與不足

1.5.1 微差擠壓爆破優缺點

在微差擠壓爆破技術應用過程中，可以控制爆破地震效應、空氣沖擊波，降低飛石作用。同時微差擠壓爆破可以保證一次爆破量處于較大的水平，提升一次爆破量，促使大規模設備利用率提升，降低爆破次數，并獲得均勻的礦巖塊度。而微差擠壓爆破中較為集中的爆堆，也可以提高鏟裝生產率。

由于微差擠壓爆破規模較大，器材耗量也較大，補充空間在11.5%～12.8%之間，處于較小的水平，無切割槽。加之爆破環境較為復雜（井下、地面、地層均需保護對象），對作業質量具有較高的要求，且存在較多質量風險因素。比如，雷管或導爆管質量不合格導致起爆不可靠、鉆孔底距與排間距過大導致超深、裝藥時起爆雷管段別差錯造成串爆、起爆網絡考慮不周導致爆破效果差等。

1.5.2 礦山鏟運出井優缺點

雙無軌斜坡道是集成采、裝、運、卸的高度機械化無軌設備，其是一種可以直通地表或不直通地表僅在井下主要階段、分段之間互相連通的裝置，部分可以作為運輸斜坡道，負責運輸礦石，部分則可以承擔材料、人員甚至無軌車輛運輸責任。通過在礦山鏟運出井環節應用雙無軌斜坡道，可以提高勞動生產率，增強礦山生產能力，為礦山開采經濟效益的順利獲得提供依據。

雙無軌斜坡道開拓基礎建設工程量較大，較之豎井，同等井深時雙無軌斜坡道開拓掘進量將超出3倍以上，且因運行無軌設備坡度在20.0%以內，礦山開拓深度受限較大。同時在雙無軌斜坡道鏟運出井時，因總體生產機械化程度較高，需要大量的機械設備，一次性投資較大，且對維護技術具有較高的要求。特別是以柴油為動力的無軌設備，將對井下空氣造成污染，需提高通風率，相對應的通風成本也會增加。

1.6 尾砂膠結充填優缺點

通過利用尾砂膠結充填技術，可以提高尾砂利用率，保證尾砂利用率在90.0%～95%之間，極個別情況下可以達到99.0%。同時尾砂庫經營、維護費用較低，可以在滿足環境保護排放標準的情況下，避免礦山進行尾砂礦的再次建立。而較高的充填料漿濃度，也可以降低水泥用量，提高充填經濟效益。一般在充填體強度一定的情況下，全尾砂充填損耗費用較水泥充填成本降低30.0%左右。除此之外，在采場中利用尾砂充填方式，可以改善井下作業環境，避免井下排水、污泥污染。

尾砂膠結充填對配合比具有較為嚴格的要求，一旦把控不合理，就會導致尾砂膠結充填體強度與設計要求不符，影響充填效果。同時在整個操作過程中，對儀器儀表具有較大需求，用于料漿流量測量、攪拌桶液位測量、料漿濃度測量，一旦儀器儀表選擇、安裝不當，就會影響料漿控制精度，進而影響尾砂膠結充填效果。

2 急傾斜薄礦體開采技術的趨勢

2.1 分段分采

分采空場技術是鐵礦急傾斜薄礦體主要發展趨勢，下一步發展重點是降低礦石損失貧化。即綜合考慮急傾斜薄礦體礦石爆破性、厚度、變化規律，在開展低分段分采空場技術、高分段分采空場技術以及階段分采空場技術試驗的基礎上，進行聯合分段分采空場技術的分析，探明其在降低材料消耗、降低礦石損失貧化以及提高采場生產能力、提高勞動生產率方面的可能性。聯合分段分采空場技術是一種根據礦體厚度條件變化而從上步向下步劃分高分段、低分段，進而在分別開采掘進分段平巷的基礎上，向平巷上層極薄礦體、下層極薄礦體鉆設開鑿炮孔分別開采礦體而不開采圍巖的技術。聯合分段分采空場技術采場結構劃分階段斜長、階段內區段走向長度、區段內礦體走向長度范圍均不變，具體數值由上盤圍巖穩固性決定。但在礦塊內需要沿著礦體傾向，進行高分段、低分段的劃分，具體斜向長度為20.0m～15.0m～10.0m～8.0m，決定因素為礦體規則程度、礦體厚度、礦石爆破性。在采場上部為大厚度、均勻、良好爆破性礦體時，可以選擇較大的分段高度，反之則選擇較小的分段高度，并控制階段礦柱斜高在8.0m以上、10.0m以下。同時在采場崩礦時，依據高分段斜長、低分段斜長差異，選擇10.0m～8.0m～6.0m～4.0m～3.0m深的炮孔。因上述技術僅回采極薄礦體不開采圍巖，可以在提高出礦石品位（降低礦石貧化率）、勞動生產率、采場生產效率的同時，改變生產礦山現行計算，細化礦體最低可采厚度、最低可采品位界限，降低回采材料損耗以及地下有限資源浪費，滿足厚度條件沿傾向變化的礦體開采要求。

2.2 中深孔回采

對于鐵礦急傾斜薄礦體開采來說，回采是工序，在未來的急傾斜薄礦體開采技術發展過程中，中深孔回采將呈主流趨勢。中深孔回采主要是在分段出礦的基礎上，每間隔1～2分段設置0.5m～1.0m鋼筋混凝土墊層（鋼筋為15.0mm～20.00mm直徑的圓鋼，混凝土強度為C15～C20）并將上部分段空壓圍巖混入回采下部分段，同時利用人溜兩用井采準，分段鑿巖巷道支護，規避人員不在空區、無支護采場作業，同時提高采場穩定性、分段作業效率、生產作業安全性以及礦石貧化率控制效果。具體操作過程中，需要將礦石劃分為長度40m～100.0m、高度20.0m～100.0m的礦塊（留有少量2.0m～4.0m間柱），在礦塊內部劃分6.0m～10.0m的區段。進而將脈外運輸巷道設置在礦塊一端，沿著與礦體呈90°方向，進行穿脈巷道掘進，并在礦塊另外一端掘進人形溜礦天井、脈內電耙硐室、分段鑿巖巷道、1.8m×1.8m～3.0m×3.0m中央先進天井。最終以中央先進天井為自由面，依據由上層至下層、由中央到兩端的順序進行礦塊回采。同時以分段鑿巖巷道為對象，進行上向炮孔設置，并利用電耙將爆破崩落礦石耙到對應溜井位置經礦漏斗放出。出礦時則依據上一分段回采結束后進行下一個分段回采的方式，結合采場圍巖條件、應力分布情況，分段出礦，并在第二個采場回采結束后進行預留間柱回收。

2.3 智能采礦

以往金屬礦急傾斜薄礦體開采過程中，因自動化、智能化開采技術遠遠滯后于國外礦業發達國家，造成我國地下金屬礦特別是鐵礦開采效率、生產安全性嚴重受限，對礦業的快速發展也造成了干擾，因此，以采礦生產過程智能化監控、采礦裝備智能化運行為目標的地下鐵礦智能開采技術，將成為我國鐵礦急傾斜薄礦體開采技術的主要發展方向之一。在智能開采關鍵技術體系中，包括地下智能鏟運機、智能中深孔金液壓鑿巖臺車、鐵礦智能采礦爆破技術與裝備、鐵礦開采智能調度與控制、井下無線通信、地下高氣壓智能潛孔鉆機等。比如，利用同時攜帶16根鉆桿并可通過液壓回路、電路控制的鉆桿庫系統，可以實現鉆桿自動接卸，其軟特性也從根本上解決了卡桿問題，可提高鑿巖臺車效率；而具有自動稱重系統的地下鏟運機，可以依據內部稱重算法，自動換擋，自動規劃目標路徑，適應礦下巷道環境條件，保證鏟運風險控制效果以及整體作業效率；利用基于Dimine軟件編制的鐵礦3a滾動計劃，可以自動實現井巷掘進炮孔設計、編輯、輸出，并結合原有鉆孔、坑道調查參數構建礦井地質塊段模型，實現鐵礦首次開采區急傾斜薄礦體上下圍巖穩定性的模擬與預測，為實際生產奠定基礎。

3 總結

綜上所述，尾砂膠結充填法以及微差擠壓爆破法是當前鐵礦急傾斜薄礦體開采主要采用技術，但均存在礦石貧化率高、回采工序復雜、安全風險大的缺陷。因此，在未來鐵礦急傾斜薄礦體開采技術發展過程中，可以聯合分段空場技術為重點，降低礦石貧化率，提高礦石品位。并優選中深孔回采法，簡化回采工序，引入智能采礦設備，提高鐵礦急傾斜薄礦體的開采效率。