缓倾斜破碎薄矿体高效采矿技术及应用论文

　　摘要：采场为沙坝土矿北矿块缓倾斜薄矿体，采用脉外采准分段空场嗣后充填采矿法具有生产能力大、收益高等优势，但该方法采准巷道布置在顶板，脉外工程量大，成本高，建设周期长，应用在缓倾斜破碎薄矿体时爆破难度大，且溜井联络道工程量也快速增大，易导致采切比增加。为确保采场作业安全，且得到理想收益，提出走向条带充填法，对该方法应用中的关键问题及详细流程进行论述，改进采矿技术，提升出矿量。结论表明，高效采矿技术应用后，满足技术经济指标要求，兼备安全高效的特点，显著提升经济效益及社会效益，促进采场作业的创新发展。

 

　　关键词：破碎薄矿体；采矿技术；爆破工艺；高效采矿技术；走向条带充填法

 

　　矿产资源作为基础资源之一，在社会经济高速发展下，矿产需求量与日俱增。由于我国绝大部分矿山进入深部开采阶段，开采难度越来越大，对开采技术的应用提出更高要求。本着“采矿环境再造”的理念，文章提出了在确保采场稳定的前提下，利用高效采矿技术的缓倾斜破碎薄矿体开采方案，结合工程案例，详述爆破、回填等环节关键技术指标。工程开工前，利用建模分析，评估了脉外采准分段空场嗣后充填采矿法的利弊，在此基础上选取更适合本采场的采矿技术，解决矿体生产效能低下且安全性不足的问题。

 

 

　　1.1矿区地质条件

 

　　本工程为沙坝土矿北矿块缓倾斜薄矿体开采施工，矿层的顶板主要为硅质岩、含锰白云岩、粘土岩及同生角砾岩。硅质岩厚1.35m~5.54m，为矿层的直接顶板，厚度稳定，RQD<30，其稳固性能较差。含锰白云岩厚0m~2.10m，为矿层的直接或间接顶板，其稳固性能较好。粘土岩及同生角砾岩呈透镜状产于含锰白云岩与角砾状白云岩之间，为矿层的间接顶板，厚0m~1.44m，RQD<30，遇水软化，崩解，易与上覆岩层脱离产生垮塌，稳固性能差。开采时对于粘土岩及同生角砾岩出露地段要采取必要的处理措施，防止小规模垮塌或掉块现象。开采前对施工地进行实地勘察，数据表明：在顶板未见粘土岩地段，顶板面积＜50m2的一般不冒落；顶板暴露面积＞500m2，出现大面积冒落，介于50m2~500m2之间的局部产生冒落。矿层直接底板一般为中厚层状石英砂岩或含砾砂岩，厚1.35m~17m，稳固性较好。其下为紫红色砂页岩、页岩，致密，凿岩爆破性好，但岩层暴露后易风化垮塌，不稳固。

 

 

　　1.2矿体赋存情况

 

　　1.2.1矿体赋存数据

 

　　为科学选择开采方案，对矿体赋存情况进行调查分析。沙坝土矿段范围内原生沉积磷块岩有两层，分别为赋存于震旦系下统陡山沱组磷块岩(俗称下磷矿)和寒武系下统牛蹄塘组磷块岩(俗称上磷矿)，通过对原勘探资料分析，矿段内上磷矿层厚度变化大，呈透镜状展布，经53个探槽揭露，仅18个探槽见矿，矿层厚0.36m~1.47m，品位变化大(12.19%~26.58%)，因此，综合评价上磷矿不具工业利用价值。下磷矿矿层呈层状产出，其产状与地层产状一致。矿床规模南北长5500m，东西宽900m~1400m，属大型磷块岩矿床。

 

　　1.2.2沙坝土矿磷块岩分布及层状

 

　　沙坝土矿段磷块岩总体为东倾的单倾斜矿层，倾角一般10°~55°。沿走向和倾向产出稳定，形态变化小，矿层露头总体延伸方向为南北向。矿段磷矿层厚度最大为10.74m，最小厚度为1.08m，平均厚度4.99m。P2O5是矿层中主要有益组分，在整个矿段磷矿层中P2O5含量极值25.86%~35.84%，平均32.84%。

 

　　沙坝土矿段磷矿层呈稳定的层状产出，其产状与地层产状一致。原生磷酸盐沉积形成的是单一的一层磷块岩，成岩后磷矿受构造运动的影响，被F41、F44、F403三条逆断层错切，推移分割成相对独立的四个矿块，分别是：F41断层上盘矿，F403断层下盘的中矿块，F44断层上盘的南矿块，F44断层下盘的北矿块。

 

　　本次开采范围为沙坝土矿北矿块400m中段矿体，北矿块属F44逆断层下盘矿，南起E36勘探线附近；北至矿区边界；西以矿层露头；东至矿区边界。在矿段内走向长4000m，沿倾斜方向最大延伸1200m，面积约3.24km2。矿层产状与地层产状一致，平均厚度3m，倾向85°~120°、倾角7°~37°，南陡北缓，上陡下缓，标高800m以下逐渐变缓，平均倾角15°~20°，矿层形态变化不大，沿走向及倾向产出稳定，该矿块也是矿段内主要工业矿体。

 

 

　　2.1脉外采准分段空场嗣后采矿法

 

　　沙坝土矿使用脉外采准分段空场嗣后充填采矿法，其中段高度为60m~100m，走向长度400m~600m，在倾向上每隔10m划分一个分段，通过在中央设置盘区斜坡道联通中段大巷

 

　　与各分段平巷，以供无轨设备、人员、材料上下，在盘区中央布置盘区溜井，并通过石门与分段平巷相连，供矿废石下溜至中段，在盘区边界布置风井联通分段平巷及上部回风巷，作为盘区回风井。矿石开采时，沿着分段每隔40m~60m掘进穿脉石门联通矿体，并在石门两侧沿着矿体掘进采准(20m~30m)，在采准端部布置切割，采用中深孔台车进行打眼，装药台车装药爆破回采，矿石通过铲运机运至盘区溜井溜至中段大巷，中段大巷设置无轨汽车运输至中段溜井，通过胶带提升至地面。

 

　　2.2采矿方法选择要素

 

　　沙坝土矿采用的脉外采准分段空场嗣后充填采矿法具有矿石回收率高、安全、收益高、生产能力大、不会造成地质灾害、大量消耗磷石膏废料等优点，取得了良好的经济、环境、社会效益。但是该方法采准巷道布置在顶板，脉外工程量非常大，成本高，建设周期长，尤其是当矿体变缓后，为了确保顶板巷道稳定性以及便于中深孔台车一次爆破(确保矿体斜长在20m范围内)，其分段布置必须远离矿体且分段高度需降低，这导致单个中段脉外分段平巷数量增加且穿脉矿房石门变长，另外溜井联络道工程量也快速增大，这使得采切比显著增加，尤其矿体变为3m后，其采切比达到27m/kt。由于脉外工程的变长，铲运机运输距离增大，效率也明显降低，因此需另外设计符合的采矿方法。

 

 

　　3.1参数设计

 

　　根据工程开采需求，在走向上每隔200m设置一个盘区，在盘区中央设置一条盘区上山以供进风与矿废石的运输，另在盘区边界设置一条回风上山供盘区回风与充填使用；沿竖直方向上每隔50m设置一个阶段，每个阶段设置一条延走向的运输大巷，每个阶段划分为14个分段进行回采(每个分段高度3.57m)。根据矿体实际情况，对阶段高度、矿块长度、分段高度、矿块间柱四个参数进行设计。其一，阶段高度根据生产经验初步确定为50m。其二，矿块长度根据顶板稳固长度(稳固-中等稳固)及铲运机有效运输距离(2m3铲运机有效运距150m)，初步确定矿块走向长度200m。其三，分段高度根据凿岩深度(采用YT-28浅孔凿岩，最大凿岩深度5m，有效深度3m)及矿体厚度，确定分段高度3.57m(斜长9.81m)。其四，矿块间柱为满足运输，在斜坡道两侧各布置5m的矿柱(防止爆破影响矿柱宽度>=5m)。

 

　　3.2采切工程位置及尺寸

 

　　盘区生产能力10万吨左右，初步选定3m3铲运机及10吨自卸式胶轮车作为盘区运输设备，其中3m3铲运机尺寸：6645×1956×2247mm；10吨自卸式胶轮车尺寸为：6500×2400×2550mm。由此设计：脉内采准巷道(设计为3×3m三心拱断面，S=8.364m2)、盘区回风巷道(设计为3×3m三心拱断面，S=8.364m2)、盘区上山巷道(设计为3.8×3.467m三心拱断面，S=12.15m)。

 

　　3.3开采要点

 

　　本工程对缓倾斜破碎薄矿体进行爆破开采，并非沿用传统方案将施工流程分为矿房与矿柱。而是在第一步骤利用回采矿房，第二步骤利用回采矿柱。所有阶段均不知靶矿层，并在相邻矿房位置进行连续回采，借助分段凿岩的方式保证出矿量。其一，划分盘区，目的是满足矿体开采需求，同时利用回采工艺沿着矿体走向持续推进，回采阶段并不受空区顶板围挡岩石的影响。其二，借助分段与预留临时矿壁的方式，最大限度减小暴露面积，从而控制接触面地压，保证工作面的安全性与稳定性。其三，利用浅孔爆破的方式，借助毫秒导爆管实现微差爆破，从而降低大块矿石出现率，避免二次爆破或多次爆破，同时避免爆破强度过大对顶板造成坍塌风险，进一步增强工作面的安全性。其四，改变矿石滞留在采场的时间，为矿石及时放出提供保障，让矿石可在空场基础上被放出，解决废弃石块的混入问题。其五，利用电靶在矿场底部造出结构，提升采场的出矿能力。其六，利用破碎带坍落几率高的特点，在围岩可发生自然坍落的蚊子会作为顶板压力的释放点，同时将空场及坍落的优点有机结合。其七，利用最为先进的开采工艺，结合矿场实际情况，实现技术与工程实际的有机结合，进一步提升方案的可行性与可靠性。

 

　　3.4采准系数及工程量

 

　　根据采矿方法布置情况，经计算单个矿块工业储量25.36万吨，采出工业矿量22.81万吨，采出矿石总量24.05万吨，矿石综合回采率90%，废石混入率5%。条带开采法采切工程量合计3448m，采出矿岩总量31347m3，计算可知采切比14.3m/kt(130.3m3/kt)。开采中，利用电靶道和穿脉运输联合的方式进行采准系数的设计。且工程涉及阶段运输、脉外人行天井、脉内溜井、分段联络道、切割槽等。具体施工流程为：从阶段运输巷道向上挖掘进入脉外人行天井，随后垂直向矿体走向分段联络道。当分段联络道形成后，将其贯穿到整体通畅，形成脉内溜井。脉内溜井可布置在震动放矿漏斗位置，目的是提升出矿效率。此时利用上向下挖掘的方式进入分段凿岩巷道，随后切割并通过分段凿岩巷道，达到切井位置后达到采场端口与中部。开采过程中，采准施工和回采施工同步开展，但采准矿段需比回采工程早一到两个矿段。

 

 

　　3.5回采技术及其应用

 

　　采准切割工程布置后，沿着进路联络道继续施工回采进路。回采阶段需为正台阶布置，上分段需超前下分段。考虑到上下分段干扰情况不明显的问题，为了提升矿体出矿能力，各个分段矿石分两步分别回采。

 

　　3.5.1凿岩与爆破

 

　　矿体开采厚度3m，预计采用YT-28，炮孔直径38mm。抵抗线W=0.038×25=0.95m，取最小抵抗线W=1m(排距)，炮孔间距a=W=1m(间距)，炮孔深度2.5m，每排设置3个炮孔，倾向上分3次进行爆破。根据矿房布置一个矿房矿量6428t，炮孔总长度2048m。其中，每米炮孔的崩矿量为。根据炮孔布置，一个矿房炮孔总长为2048m，YT-28凿岩机台班效率50m/(台.班)~70m/(台.班)，取一个台班60m，每个矿房设置1台凿岩机，配凿岩工2人，则一个矿房凿岩工作所需总时间34班，所需时间为11.4天。本工程爆破采用岩石乳化炸药，并非毫秒雷管。距离孔口定长后不装设炸药或装设少量炸药，让爆破后分段造成坑道前沿位置形成棚结效应，避免矿石经冲击后阻塞坑道，从而减少凿岩巷道清理工作量。

 

　　3.5.2采场出矿

 

　　考虑到应用连续回采工艺后，崩落矿石在空场条件放出，因此需在盘区顶板崩落基础上形成覆盖岩的条件下进行放矿。采场破碎矿石在爆破抛掷后，在自身自重的影响下汇集到电靶道漏斗位置，随后利用电靶将其运送到溜井位置。放矿阶段可能出现大块矿石，将其在电靶道内处理。相对中等块度的矿石则在溜井的格栅位置处理，并进行小规模二次破碎。为避免顶板突然崩塌而造成施工安全隐患，放矿阶段漏斗内部不可放空处理，需保证崩落的松散矿石可在漏斗内聚集。此外，让采空区位置和上中段的巷道相连，形成天窗，避免产生冲击而极大地压。

 

　　3.5.3通风

 

　　本采矿场工程采用专用通风系统，让其形成主风流及工作面。为进一步提高采矿出矿效率，所有回采施工工作面均配备局部风扇进行通风。根据实际情况，若局部单排风效果不佳，则采用双扇抽压混合式通风。根据工程实际需求，采场风速需控制在0.15m/s以上，并且小于4m/s。当采场工作面局部风扇处于运行状态时，需在确保设备安全的基础上将风扇设备向工作面靠拢，利用软风筒将工作面污风送向天井，让其回到上部系统中。本工程爆破8排，爆破量不大，预计通风时间30min，通风系统运行状态根据工程所需动态调整。

 

　　3.5.4撬顶或支护

 

　　目前，部分矿场开采过程中采用管缝式锚杆支护方式，该支护方式的支护效果不理想，并且施工质量较低，易埋下安全隐患。因此，本工程采用树脂锚杆。树脂锚杆具有极强的抗拉性能，相比管缝式锚杆高出约2倍左右。本工程支护过程中结合托盘与螺母，最大限度地产生支护效果。首次使用过程中，树脂锚杆网度控制在1.5m2，考虑到进路向导高度问题，金属杆体长度调整至工程所需，锚固形式为全长锚固、半长锚固两种。在撬顶及支护过程中，对现场进行安全检查，整体支护预计一个循环4h，0.5班。

 

　　3.5.5充填

 

　　当分层进路回采结束后，开采人员利用废石对进路掩高处理，高度控制在1.5m~2.0m之间。随后对各进路进行充填处理，下坡位置且距离平坡约为三米处用毛石阻挡，随后利用胶结充填。系统充填能力Q=200m3/h，(每天2班，每班6h)。单个矿房充填量为5699m3，充填时间4.75个班，充填挡墙及管路铺设安排2人，2个班，总计需时6.75班，即3.4天(单个循环预计时间为0.1985班，1.19h)。充填是整个矿房回采完毕后充填，可以与其他工序平行作业不影响作业时间。

 

　　3.6回采与采空区处理

 

　　利用空场法开采矿山后，必须对采空区进行及时处理。如果采空区面积达到临界数值后，将发生大规模坍塌等自然灾害，严重威胁人员与财产安全，严重者对周边群众及建筑带来巨大影响。传统矿房将采矿分为矿房矿柱，利用先采矿房，后采矿柱的方式。矿柱的控制标准是释放地压。利用阶段矿房连续采矿法后，相邻的矿房可连续回采，有效提高回采强度，同时减少矿石的贫化损失，有利于控制采场地点的地压。进行地下开采工作时，矿体力学性质、裂纹分布、地下水等均会影响矿岩的实际可暴露面积，比如，如果地下水总量较大，矿岩可暴露的安全面积顺应缩小。对此，回采过程中，矿房顶板组保证自然冒落，目的是为连续回采的地压控制提供保障。采矿过程中，盘区矿柱和矿体走向基本一致，相邻盘区位置连续回采三个矿房后，所有盘区暴露面积均在可控范围Neri，但崩落盘区矿柱长度存在一定危险系数。理想状态是中段盘区矿柱的顶板诱导崩落，人为导致空区顶板临时崩塌。在此基础上，回采盘区的后续矿房与矿柱可满足空场处理要求。在开采过程中，辅以顶板的诱导崩落，二个盘区的空区顶板将会及时崩落，采空区得到有效处理。该创新的连续采矿方案，不仅提高了采矿效率，改善了回采指标而且空区得到了有效控制和处理，最大限度减少或消除回采过程中的重大安全隐患。

 

 

　　工程实践表明，采用高效采矿技术后，矿石损失率及生产效率显著提升，且采场形貌得到维稳，整体工程取得圆满成功。该成果表明，矿山生产尤其是过渡期采场开采，应按需分配采矿量，同时优化采矿技术，扩大采场经济效益。依托深部矿体开采技术，对进路爆破工艺进行改良，同时科学设置爆破点位，相比预估采矿技术，炸药及引线用量显著下降。利用高效采矿技术后，充填成本得以降低，且缩短施工周期，解决进路采矿接替难题。整体而言，缓倾斜破碎薄矿体开采中，需合理利用采矿工艺，优化采矿流程，提升工程的社会效益及工程效益。