低價值極厚大礦體采礦方法的優化及應用

謝炫蓉 陳章林 查裕波 笪良霞

（浙江省工業設計研究院有限公司）

方解石、硅灰石礦的開采由其最終產品應用的特殊性決定，該類礦石開采后，大部分經磨粉加工成重質碳酸鈣粉。重質碳酸鈣粉的白度、純度、色相決定了產品的最終用途和銷售價格。因此，在開采過程中，盡可能地避免礦石被圍巖污染、貧化。而方解石、硅灰石礦石低價值的特性，又決定了此類礦產，必須盡可能地降低開采成本。因此，無論是礦山還是設計單位都傾向于采用房柱采礦法，以期能在頂底柱、間柱的保護下，最大限度地保護開采的礦石不受貧化、污染。

浙江省北部某硅灰石礦礦體厚度高達59 m，分布面積達1.5 km2，礦體與頂底板圍巖界線清楚。礦山采用房柱法回采礦體時，發現存在采場空頂過高（≥15 m）、頂板排險困難、安全性較差等問題，有可能誘發安全事故。

根據浙江省某硅灰石礦的實際情況，針對性地將礦房分為上下2層，采用一房一柱簡化回采工序等優化措施，以期有效地解決礦山現有房柱采礦法回采存在的問題。

1 工程概況

浙江省北部某硅灰石礦為一大型方解石礦床，區內賦存的礦體為極厚大礦體，其礦床特征、開采技術條件、生產現狀簡要敘述如下：

（1）礦床地質特征。礦體走向北東，傾向北西，傾角10～25°，沿走向延伸800 m，沿傾向延伸990 m，呈厚層狀賦存，賦存標高+30～-300m，平均厚度59 m，分布面積約1.5 km2。礦體與頂底板圍巖界線清楚，厚度與化學成分均一、穩定。礦石呈白色，中粗-粗晶大理巖、花崗變晶結構，主要成分為方解石，粒徑1～3.5 mm，呈他形或半自形粒狀，常見機械雙晶體結構。

（2）礦區水文地質條件屬簡單類型。礦區地下水補給來源主要是大氣降水，在灰巖裸露區，降水大部分以地表徑流的形式排至區外，部分直接滲透補給地下水；礦區含水層主要為第四系中上部坡洪積弱含水層、風化基巖裂隙含水層、巖溶裂隙含水層，均為弱含水層。礦區主要隔水層為第四系黏土層，厚6～10 m，含水微弱，滲透系數極低。

（3）礦區工程地質條件屬簡單類型。礦體總體呈北西傾斜的單斜構造，完整巖塊的抗壓強度50 MPa，地面采場及井下采坑工作面礦塊整體穩定性較好，采空區尚無大面積的冒落現象發生。礦體底板為含硅灰石條帶的中、粗晶大理巖，厚層狀、粒狀結構，較穩固，完整性好，抗壓強度50 MPa。礦區地質構造不甚復雜，主要構造破碎帶對礦體影響不大。礦床礦體、圍巖質量級別均為Ⅲ級。

（4）礦區環境地質條件屬復雜類型。礦區位于加速度動峰值0.05g區，處于地震地質環境較穩定的區域，也處于地質災害低發區。104 國道及杭寧高速公路穿越礦區，礦山已在公路兩側按規定范圍劃定了保安礦柱，采場布置在保安礦柱以外。礦區周邊地表建有104國道、李家巷鎮青草塢村及其他民用建筑、高壓供電線路、加油站、工廠企業等，地表不允許陷落。

（5）礦山生產現狀。礦山于1986 年建礦，設計生產規模25萬t/a，開采深度0～-1 330 m。采用地下開采方式，斜井—盲斜坡道聯合開拓，房柱法回采礦體，單翼對角抽出式通風。采場采用TCY—2 型鏟運機和12 t坑內卡車裝運。當前有-53，-73 m 2個生產中段。

2 礦山現采礦方法及存在問題

根據緩傾斜極厚、圍巖穩固等賦存情況，現采用中深孔落礦的房柱法進行采礦。采準和回采以盤區劃分單元，盤區垂直礦體走向布置，長度為礦體水平方向厚度。盤區內設礦塊，標準盤區內設5 個礦塊，礦塊長度為盤區寬度，高度為中段高（40 m）。盤區內設運輸巷、輔助斜坡道、切頂聯絡平巷、切頂平巷、切割天井等采切工程［1-3］。

礦房內的礦體分2 層回采，總回采高度為40 m，每個分層高度為20 m（其中每個分層礦房高15 m、頂柱高5 m），從上往下回采，上層切頂層，切頂時采用光面爆破，以切頂平巷為自由面，刷幫形成10 m 跨度的三心拱。下層礦體回采，采用下向平行中深孔崩礦，礦石崩落后直接采用鏟運機裝礦。

在礦體實際回采中，發現存在以下問題：

（1）頂板前期容易控制，后期困難，礦房回采時空頂高度最大為15 m。頂板暴露時間較長，提前切頂暴露的頂板將受到下層開采中深孔爆破振動的影響，易產生新的浮石，且頂板過高（15 m），不易檢查發現浮石，也很難完成撬毛處理。在其內部作業的人員和設備安全風險較大，不利于安全管理。

（2）采用中深孔崩礦，較大的爆破振動對周邊環境影響比較大，易產生糾紛，影響礦民和諧。

（3）下層回采采用潛孔鉆下向穿孔，中深孔爆破落礦［4-5］，易對下中段礦房的頂柱產生撕裂，傷害較大。礦房內由上而下回采，爆破炸藥單耗高，從而回采成本較高。

（4）切頂層的采切掘進工程量較大，單個礦房采切工程量為116.4 m，礦塊采切成本約40.74萬元。

（5）切頂、擴幫、中深孔落礦、出礦交替循環進行，采礦工藝相對復雜。

（6）中深孔落礦使得礦石貧化率最高為3%，影響礦石的最終售價。

3 采礦方法優化

3.1 礦塊結構參數

沿垂直礦體走向劃分盤區，盤區長度為礦體水平方向厚度，盤區寬度為72 m，盤區間設寬度為12 m的間柱。采礦方法優化設計如圖1所示。

盤區內劃分5 個礦塊，礦塊垂直盤區布置，礦塊長度為盤區寬度，礦塊寬度為18 m，高度為20 m，礦塊內設有礦房（寬度10 m、高度12 m）和連續礦柱（寬8 m），連續礦柱位于礦房兩側，礦房頂部設有厚度8 m 的頂柱［1］。礦塊以一房一柱的方式設置，盤區間柱于上下盤區間相互豎直對應，連續礦柱在運輸層和切頂層間相互對應，并于上下盤區間相互豎直對應。

礦塊內設有切頂層結構和運輸層結構。切頂層結構由輔助斜坡道、切頂水平聯絡巷和上層切頂層構成，輔助斜坡道設置于盤區兩側，上層切頂層位于礦房頂部，切頂水平聯絡巷位于盤區切頂層，并設置于盤區兩側沿礦體走向分布。運輸層結構由盤區運輸巷、切頂水平聯絡巷、輔助斜坡道構成，盤區運輸巷位于盤區內礦體兩側且沿礦體走向設置；輔助斜坡道與盤區運輸巷連通，并按15%的坡度上向布置且與切頂水平聯絡巷連通。切頂水平聯絡巷上方設有回風天井，回風天井與礦體上中段的盤區運輸巷連通。

3.2 采準與切割工程

礦塊主要采切工程：①由中段運輸巷道按盤區寬度向回風巷道掘進盤區運輸巷，長度為盤區長度；②切頂聯絡平巷和盤區運輸巷對應布置于切頂水平［1-3］；③礦塊內垂直礦體走向設有拉底出礦平巷，掘穿礦體且將兩側的盤區運輸巷連通。標準礦塊采切工程量如表1所示。

3.3 回采工藝

采礦順序為中段間由上而下、中段內由兩翼到中央、由上盤到下盤、向各中段出入口后退，為確保并改善采礦生產安全和通風條件，回采工作面采用直線或階梯工作面。礦房分2步回采（圖2）。

（1）第一步在出礦平巷內，從離開盤區運輸巷3 m 位置開始擴喇叭口（礦房兩端保留4 m 礦體留作礦柱），向兩側刷幫并壓頂到設計的礦房寬度（10 m），同時出渣。拱頂按三心拱保留，中心高5.5 m（平均高約5 m）。完成礦房全長刷幫壓頂，并逐炮出礦到最后一個爆堆，留一個長3～4 m（實際施工中可根據需要具體設置，但不宜過長，過長將相應增加平場工作量）的礦堆作為下一步壓頂采礦作業的操作平臺。即完成第一步回采。

（2）第二步利用第一步回采保留的礦堆作為作業平臺，向上用斜眼壓頂［2］，7 m 礦石分3（或4、5）層，逐層壓頂，完成全礦房回采落礦。爆落的礦石，經平場后，作為下次壓頂爆破的施工作業平臺，不進行出礦外運，待完成全礦房落礦，并清理頂板后，再一次性出完礦房內的全部礦石。當壓頂到礦房邊界（特別是頂板邊界）時，采用光面爆破進行落礦。對于礦房上部7 m 的礦石開采（第二步），爆落的礦石按照1.5的松散系數計算，約可形成10.5 m 高的礦石堆，上部保留有1.5 m 的空間，容留工人清理頂板浮石和采場通風。頂板最終形成10 m 跨度的（1/5）三心拱。在清理頂板后，再一次性出完礦房內的全部礦石，完成第二步回采。

3.4 通風

新鮮風流自盤區運輸巷進風，流經斜坡道、中段下盤運輸巷進入上風側盤區運輸巷，依次進入各采場，清洗采礦場工作面后的污風從下風側盤區運輸巷排至中段上盤回風巷，匯入回風天井，最終由主風機抽排出地表。

在礦房開口端壓頂落礦時，由于有作為作業平臺的第一步回采保留的礦堆存在，可能因為崩落礦石量過多，堵塞出口（影響通風和雙安全出口），應局部出礦，以確保通風暢通和雙安全出口完整。

礦體回采結束后須及時對采空礦房進行封閉處理，以減少漏風，保證通風效果。局部系統通風不良地段采用局扇進行加強通風。

3.5 地壓管理

優化后的采礦方法對礦房的頂板控制相對比較容易，頂板暴露時間短。礦房頂板采用光面爆破（或其他有利于頂板安全的控制爆破技術進行爆破），可以提高頂板穩固性。采用集中落礦的方式，暴露的頂板圍巖可以最大限度地減少了爆破作業的振動和沖擊影響。

礦塊回采完成后，采場盡量采用廢石充填，在礦房內留設規則礦柱以支撐頂板，連續礦柱寬8 m，高12 m，頂柱高8 m，低品位礦體隨時留作礦柱。所留規則礦柱和頂柱不得回采（注意上下各中段的規則礦柱必須對應保留，只能多留，不得少留），對不良礦柱和頂柱應采取保護措施，并對頂板進行監測、檢查，以保證頂板安全。礦石回采后應對空區相互連通的巷道進行封閉（或者隔離），使其隔絕采空區。以防設備和人員的誤入。

3.6 采礦技術參數及設備規格

（1）最小抵抗線W初步取2.0 m，后續在回采過程中逐步修正；孔底距b取2.2 m，孔口距a取1.0 m。

（2）炮孔填塞長度L取0.8 m，炸藥單耗約為0.38 kg/t。

（3）采場日生產能力按每天2個作業面、每次爆2排炮孔計算，約1 200 t。

（4）YT-28 型鑿巖機的工作氣壓0.6～0.8 MPa、鉆孔直徑40 mm、鑿巖耗氣量≤4.86 m3/min、穿孔深度≤5 m。

（5）2 m3鏟運機的工作寬度≥3.0 m、斗容2 m3、最大卸載高度≤1.4 m、卸載距離≥0.88 m、裝載能力80 m3/h、爬坡能力≤12°。

4 應用效果

礦山根據優化后的采礦方法在硅灰石礦這種低價值、極厚大方解石礦體中實踐應用，礦房的頂板在最后壓頂后才暴露，頂板暴露時間相對較短，同時簡化了采礦工藝，分別集中進行爆破和出礦；將采切工程量從116.3 m 降低至90 m、礦房采切成本從40.74萬元降低至31.5 萬元；同時通過淺孔鑿巖機、輪式鏟運機等采礦機械設備的應用，不但大幅度提高了礦山采礦作業機械化程度，還有效控制了礦石的貧化率（基本上可控制到0%的礦石貧化率）、大幅度降低下中段頂板的穩固性影響和對周邊環境的震動影響，滿足礦山對高品質方解石的要求。具體技術經濟指標見表2。

5 結語

浙江省北部某硅灰石礦是低價值傳統厚大礦體，采用房柱采礦法開采時存在的中深孔落礦貧化率高、爆破振動影響到下中段頂板的穩固性和周邊環境、采切工程量大、采切成本高等問題，對原采礦方法進行優化：

（1）礦房（采場）的兩頭各設置1 個出口，中間無隔離，人員、設備能直接通行。

（2）采用光面爆破技術，能提高頂板穩固性。

（3）礦房開采落礦工作全部采用淺孔作業，對下中段頂板的穩固性影響較小，對圍巖的影響相對較小，礦柱穩定性較好。

（4）減小單孔裝藥量，爆破振動減小，爆破擾民問題相對較少。

（5）簡化采礦工藝，分別集中進行爆破和出礦，采切工程量小。

優化后的開采方法簡化了開采工序，減少了采切掘進工程量，采礦成本也相對比較低，安全性也較礦山原采礦方法提高，不僅在低價值、極厚大礦體得以廣泛應用，對其他類似開采技術條件的礦山也有較好的參考價值。