不穩固傾斜中厚礦體開采方法探討

李彥龍

(金川集團有限公司龍首礦， 甘肅金昌市 737104)

不穩固傾斜中厚礦體開采方法探討

李彥龍

(金川集團有限公司龍首礦， 甘肅金昌市 737104)

急傾斜不穩固中厚礦體的開采是一個世界采礦技術難題。對國內外傾斜中厚礦體開采現狀進行了介紹和總結。對急傾斜不穩固中厚礦體，國內外均采用豎井－斜坡道聯合開拓，采礦方法以崩落法為主。對不穩固緩傾斜中厚礦體采礦方法發展趨勢進行了探討。

急傾斜不穩固中厚礦體;開拓方案;開采方法;發展趨勢

在我國金屬礦床地下開采中，中厚傾斜礦體開采數目約占礦床開采總數的23%左右。而隨著地下開采深度的增加，許多礦體都出現尖滅現象或分枝復合現象，這將使中厚傾斜礦體的開采比例進一步增大。對不穩固中厚急傾斜礦體，應根據不同的開采技術條件選擇不同的采礦方法，并且要求礦塊生產能力大，采場周期短，采準工程能靈活布置。

1 開拓方法

國內對于埋深較大的急傾斜中厚礦體，普遍采用豎井－斜坡道聯合開拓，生產規模較大的一般采用多井單斜坡道開拓。例如，凡口鉛鋅礦，礦體長度400～800 m，傾角 70°～80°，生產能力 1200 kt/a。采用豎井斜坡道開拓;金山店鐵礦礦體傾角57°～87°，水平厚度約50 m，設計生產能力2000 kt/a，采用豎井斜坡道開拓;小寺溝銅礦，單條銅礦體厚度3～65 m，主礦體平均厚48 m，傾角65°～68°，生產能力500 kt/a，采用豎井斜坡道開拓;金川礦區均采用豎井斜坡道開拓。

國外也廣泛采用豎井－斜坡道開拓方案，生產規模大的一般采用多井多斜坡道開拓。

瑞典格蘭厄斯貝格(Grangsberg)鐵礦，主礦體長約1400 m，礦體寬20～90 m，平均約50 m，傾角65°～70°，礦體延深1000 m以上，礦山日生產能力1．30 kt，采用豎井－斜坡道開拓。

瑞典基律納鐵礦，主礦體長達4 km以上，平均厚度90 m，局部厚度達 200 m，傾角40°～75°，礦體延深1000 m以上，年生產能力6000～8000 kt，最高達24600 kt，采用豎井－斜坡道開拓。豎井11條，其中10條供提升礦石用，1條提升廢石用。全礦共有斜坡道7條，主斜坡道出口位于露天坑底，人員、設備與材料經主斜坡道進入階段斜坡道至各工作面。

加拿大克賴頓(Creighton)銅鉬礦，礦體下盤傾角大于50°，礦體厚度45～120 m，深度從地表向下延深至少2590 m，日產礦石能力14500 t，采用豎井－斜坡道開拓。該礦從地表至30階段，掘了1條長3048 m的螺旋形斜坡道，垂深570 m，斜坡道斷面 4．8 m ×2．4 m，坡度 10°。

澳大利用芒特艾薩銅鉛鋅礦，成礦帶南北走向，長4 km，寬 900 m，礦體傾角 65°，埋深 600 m，年產礦石量近10000 kt。采用豎井－斜坡道開拓，井下采用有軌運輸。

美國亨德森(Henderson)銅礦，礦體形態如一倒置的茶杯，平面呈橢圓，長軸910 m，短軸670 m，厚400～800 m，平均傾角大于55°，日產礦石30 kt。該礦采用豎井開拓，掘有3條豎井，為通行無軌自行設備，各生產水平及拉底水平之間都掘進了彼此相通的斜坡道，斜坡道坡度6% ～15%，斷面4．8 m×2．4 m。

2 國內外不穩固傾斜中厚礦體開采現狀

該類礦體地下開采常用的采礦方法有無底柱分段崩落法、階段自然崩落法、有底柱分段崩落法等，以及近年發展創新的盤區階段連續崩落采礦法。其中，對礦巖穩固性差或圍巖應力高的開采技術條件，也有采用分層回采的點柱充填法或進路式回采法。

2．1 無底柱分段崩落法

(1)程潮鐵礦無底柱分段崩落采礦法。程潮鐵礦為大冶式熱液交代矽卡巖礦床。礦石主要為磁鐵礦，礦體平均含夾石率18% ～22%，平均厚度40 m，平均傾角46°。該礦使用無底柱分段崩落法，階段高度70 m，分段高度8～14 m，進路間距10 m，礦塊長度40～50 m，回采進路垂直走向布置。生產中每2個礦塊設置1個廢石溜井。設備井與提人電梯井分開布置，設備井間距為300～500 m，這種布置優點是設備能整體上下，不與人員提升干擾。

(2)加拿大克萊蒙銅礦無底柱分段崩落采礦法。礦體急傾斜，主礦體厚度為45 m，走向長240 m，延深在600 m以上。礦石有黃銅礦、磁鐵礦、鏡鐵礦等，銅礦石品位1．76%，地質儲量為17000 kt以上。礦體有裂隙斷層影響，開采時需要支護。圍巖為硬砂巖、安山巖和閃長巖等，裂隙和節理發育，嚴重的角礫巖化，很不穩固。該礦采用無底柱分段崩落采礦法。分段高度9．5 m，回采平巷斷面為4 m×3 m，間柱寬度為7 m，回采平巷水平間距為11 m，邊孔傾角為74°。采場垂直走向布置，各水平之間以最大斜率為20%的斜坡道聯通，全部運輸平巷和斜坡道都掘在巖石里，巷道斷面形狀為拱頂，高為3．6 m，寬為4．0 m，所有巷道均采用光面爆破施工，并用錨噴支護。在回采巷道未端掘進15 m高的切割天井并分段爆破形成切割槽，礦石用鏟運機缷入溜礦井中。

2．2 階段自然崩落法

(1)俄羅斯巨人礦階段自然崩落采礦法。該礦為水赤鐵礦和假像赤鐵礦床。礦體厚度超過50 m，急傾斜，含鐵品位56%，礦體不太穩固，f=4～6。頂板巖石為角巖，f=6～8，粘土質絹云母片巖，f=4～3。底板巖石為水赤鐵礦角巖和假像赤鐵礦角巖，f=8。該礦采用階段自然崩落采礦法，礦塊高51 m，寬52 m，底柱高9 m。底部布置有電耙出礦的二次破碎巷道和漏斗，漏斗間距5～6 m。在礦塊垂直高度上每隔10 m掘進分段平巷，以便圈定和切割礦體邊界，拉底層高5～7 m。拉底層為先掘豎向切割天井和拉底平巷，然后以切割天井和拉底平巷為自由面一次爆破形成拉底層。拉底層和邊界切割巷道完成后，礦塊即開始自然崩落，崩落的礦石經漏斗到二次破碎巷道，二次破碎后用電耙扒至平巷裝車運出。礦塊面積4500～5700 m2;電耙工效60～100 t/工班;采礦工效58～61 t/工班;礦石損失率6% ～14%;礦石貧化率5．4%。

(2)山西銅礦峪自然崩落采礦法。銅礦峪是我國成功應用自然崩落采礦法的礦山，年生產能力4000 kt以上，銅品位0．57%左右。該礦5#礦體全面采用自然崩落采礦落法，礦體平均厚180 m，長600 m，礦巖界線明顯，礦體傾角 40°～50°，礦巖堅固穩定，f=8～12。中段高120 m，底柱高7～10 m，漏斗間距10 m，為回采下盤礦石，降低貧化，在下盤巖石中布置3層放礦漏斗，采用穿脈運輸巷道裝車的環形運輸系統，穿脈間距60 m，出礦巷道垂直布置在穿脈巷道頂板上，間距20 m。每條電耙巷道成對稱式布置3對漏斗，漏斗間距10 m。拉底巷道沿礦體走向布置，間距10 m，與出礦巷道垂直距離7 m左右，采用上向中深孔拉底，拉底高度7 m，并用巷道和深孔切幫等方式，削弱礦塊與相鄰礦石和圍巖的聯系，使礦塊內的礦石在自重的作用下自然冒落。采用90 kW電耙和3．5 m3鏟運機出礦。鏟運機出礦效率280 t/臺班;電耙出礦效率40 t/臺班;礦石損失率8．9%;礦石貧化率11．9%。

2．3 有底柱分段崩落法

該礦屬中溫熱液浸染型礦床，礦體水平厚度3～50 m，平均厚度18～22 m，礦體傾角70°～80°，比較穩固，但節理發育，易于冒落，對貧化影響大，下盤為紫色泥質白云巖和板巖互層，f=4～6，不穩固。

采場垂直走向布置，一般1條電耙道劃分1個采場，只有在礦體較薄的區段才沿走向布置。由于下盤巖石不好，放礦溜井、人行、進風、材料天井均布置在上盤巖石中?；夭陕涞V采用豎向崩礦，擠壓爆破，補償空間一般不超過18% ～20%。鑿巖采用YQ－100型鑿巖機，炮孔直徑為105～110 mm，炮孔深度為15～20 m，最小抵抗線為3．0～3．3 m，孔底柱3．0 ～3．5 m，礦石用電耙運輸，礦房回采后，回收礦柱。

采場生產能力200～240 t/d，電耙效率(28 kW或30 kW)75 t/臺班，采掘比31 m/kt，礦石損失率15% ～20%，礦石貧化率20% ～30%。

2．4 盤區階段連續崩落采礦法

會東鉛鋅礦礦床由1號和2號2個礦體組成，1號礦體規模較大，是勘探和開采對象，分為9個礦段，其中Ⅰ－Ⅴ礦段儲量占總量的95%以上。

該礦二期地下開采采用盤區階段連續崩落法，該法是有底柱分段崩落法的發展，其回采工藝相同。不同之處是以盤區為采場，不分礦房礦柱，采場端部全階段全斷面擠壓爆破;出礦道走向與鑿巖平巷垂直布置;放礦點滯后回采工作面一定距離，每次只放出部分崩落礦石，使崩落礦石與覆蓋層的接觸面保持斜面，從而簡化采礦工藝，提高采場生產能力、降低礦石貧化損失，減少覆蓋層工程量，獲得好的經濟效益。

盤區寬度為邊坡表面至邊坡內礦體邊界線之間的距離，盤區長度為南邊坡1線至西邊坡9線兩端礦體邊界線之間的距離，分段高度12 m，分段鑿巖平巷垂直南邊坡走向布置，間距18 m。電耙道沿南邊坡走向布置，間距12～14 m，底柱高度6 m。各分段聯巷布置在南邊坡內礦體邊界線外，均與電梯井、進風井、礦石溜井、廢石井、采區回風井相通。

2．5 點柱式充填采礦法

(1)印度摩沙巴尼銅礦。該礦礦體厚度大于6 m，個別達20 m，傾角45°左右。礦體頂板不太穩固，需要支護。在礦體中或礦體下盤，沿礦體走向每隔13 m設1條礦石溜井，溜井傾角50°。在采場中央沿下盤接觸帶掘1條輔助天井，并在采場兩端緊靠上盤接觸帶開鑿通風天井。采場底柱高8～10 m，采場內留方形點柱，點柱斷面4 m×4 m，間距10 m×20 m?；夭晒ぷ鲝牡字侠讓娱_始，由下至上分層進行，淺孔鑿巖，分層最大采高4．7 m，分層礦石出完后，即用分級尾砂進行充填，充填高度2．2 m，留下2．5 m的凈空以便采礦作業。采場頂板局部破碎處采用錨桿支護。該礦礦石損失率為15%。

(2)加拿大斯特拉斯康納(Strathcona)鎳礦。該礦是加拿大鷹橋鎳礦公司下屬礦山，1970年代其礦石年產量為2200 kt。礦山開始采用水平分層充填采礦法(采用兩步驟回采)，以及房柱法開采。該礦是世界上最早把垂直走向布置采場的方案改用點柱充填法的礦山，點柱充填法采場長為56～57 m，包含3～4排斷面為5．4 m×5．4 m的方形點柱。

2．6 下向分層充填采礦法

布爾弗羅格礦的礦體向西傾斜，傾角45°。走向SN，礦化帶從海平面以上1010 m水平延到775 m水平。北礦體走向長度從露天坑北邊坡延長650 m，走向總長度為1500 m，包括主要位于露天坑底下面的西南延伸部分。礦體不穩固，下盤圍巖較堅硬，其抗壓強度為34．5 ～103．4 MPa。

礦山采用下盤斜坡道開拓，斜坡道入口標高1006 m，從露天坑北部邊坡向下掘進。該主斜坡道坡度－15%，斷面尺寸5 m×4 m。斜坡道位于下盤圍巖中，距礦體40 m。在幾個中段水平，掘進分支斜坡道與礦體相聯。

該礦采用下向分層進路充填采礦法，回采進路用單臂鑿巖臺車鑿巖，藥卷爆破。爆破后用氣腿式鑿巖機在爆堆上鉆鑿錨桿孔。在拱基線(2．4 m)以上鋪設金屬網，用1．8 m長的縫管式錨桿固定。礦體中的進路部分至少在拱基線以上都要采用金屬網全面支護，并加以噴射混凝土。用2．7 m3的鏟運機出礦，礦石用114．5 t的汽車運出。

3 國內外不穩固傾斜中厚礦體采礦方法綜述

國內外對于埋深較大的急傾斜厚礦體，普遍采用豎井－斜坡道聯合開拓，生產規模較大的一般采用多井單斜坡道開拓。

低品位不穩固急傾斜厚礦體地下開采常用的采礦方法有無底柱分段崩落法、階段自然崩落法、有底柱分段崩落法等，以及近年發展創新的盤區階段連續崩落采礦法。其中，對礦巖穩固性差或圍巖應力高的開采技術條件，也有采用分層回采的點柱充填法或進路式回采。

無底柱分段崩落法主要優點是:采礦方法結構簡單，靈活性大，不需留礦柱;工藝過程簡單，能充分發揮大型鏟、裝、運設備的優勢，便于實現機械化配套作業，安全性好，采礦成本低，生產效率高。其主要缺點是:在覆蓋巖下放礦，損失貧化率高，一般15% ～40%;通風條件差，要施工專用通風巷道;設備維護維修工作量大，維護成本高。

階段自然崩落法的主要優點在于作業環境安全，通風良好，生產能力大，生產成本低。其主要缺點是基建投資大，建設周期長;靈活性小，一旦使用不成功，要改其它采礦方法很困難;在自然崩落一定范圍內大塊產出率高，二次破碎工作量大，采準時間長，底部結構的維護費用高，礦石的損失貧化率高，配礦難度大。

有底柱分段崩落法與階段強制崩落法比較，采礦工藝相同，有底柱分段崩落法爆破規模小，一次鉆孔量也少，爆破易于控制，大塊率低，出現不良情況時，易于處理，造成的經濟損失小，放礦管理簡單，能改善底盤傾斜厚礦體的采礦效果。但由于分段采礦，開拓采準工作量大，采礦成本較高。分段崩落法的一次崩出礦量比階段崩落法的一次崩出礦量少，放出礦石過程中，礦石和覆蓋巖石接觸量要多，貧化損失率也大些。國外分段高一般在20～30 m之間，貧化率5．7% ～8．3%，損失率6% ～15%，國內分段高一般在10～15m之間，貧化率15% ～35%，損失率10% ～35%。

盤區階段連續崩落采礦法適用于中等穩固以上的極厚大礦體和穩固性一般的極厚大礦體。該方法能主動控制回采放礦過程，只要嚴格放礦管理，可以獲得較低的貧化損失指標，而且生產能力大、效率高、回采工藝較簡單、作業集中、管理方便。

點柱式充填采礦法是房柱采礦法和充填采礦法的結合，無軌鏟裝設備的廣泛應用，促進了該采礦方法的形成和發展。這種采礦方法生產能力大、成本低，而且能有效控制地壓。

4 國內外不穩固傾斜中厚礦體開采發展趨勢

(1)采礦設備高效化、大型化、自動化?？v觀采礦工業的發展和生產效率的提高，無不與采礦機械化和自動化程度的提高密切相關。一般而言，先進的技術和設備在礦山的應用總是滯后于其它行業。但是近年來，各種大型高效的鏟裝運設備、大孔徑鑿巖設備、振動出礦和連續采礦設備在礦山的應用推廣迅速?？梢哉f，未來的采礦是建立在機械化和自動化基礎上的，礦山的整體裝備水平將出現質的跨越。采礦設備的高效化、大型化和自動化將是礦山設備的發展趨勢。

(2)礦山開采深井化。深井開采將是獲取礦產資源的有效途徑。經濟的發展，促進了礦產資源的過度開采，近年來，礦石每年的開采量遠大于當年探明的新增儲量，礦產資源緊缺的矛盾將會日益突出，深井開采將是延長礦山服務年限，獲得資源的有效途徑。研究攻克深井開采中的地熱、地壓、通風、防水等關鍵技術，是未來礦山發展的必經之路。

(3)充填采礦法將成為未來低品位不穩固急傾斜厚礦體開采的主要方法。對形態復雜、礦石品位較高的礦體，采用分層充填采礦法開采有諸多優點，但由于其采礦效率低而一度受到限制。近年來，充填采礦機械化水平日益提高，充填采礦法得到了日益廣泛地應用，并進入了高效采礦的行列。在國外，尤其是在發達國家，采用充填采礦法的比例近年來也呈逐漸增長趨勢。如加拿大充填采礦法的比例就高達40%以上。加上空場采礦法嗣后充填，總量達到70%～80%以上。世界上著名的南非金礦開采深度達3000 m以上，為避免巖爆，廣泛采用了充填采礦法?？梢灶A計，隨著國家對環境保護要求越來越嚴格，以及對資源的日益重視，充填采礦法，尤其是機械化分層充填采礦法，將是今后我國采礦技術的一個主要發展方向。

(4)礦山數字化、智能化。應用綜合集成化的人工智能技術，解決采礦工程中復雜的系統問題，是采礦工業的前進方向。而數字化礦山是對礦山整體及其相關現象的統一認識與數字化再現，表現為高度信息化、自動化，高效率，以至實現無人采礦和智能采礦。數字礦山以高速企業網為核心，以礦山各個應用技術軟件為工具，以高效、自動化的數據采集系統為手段，最終實現礦山產業的信息化、自動化和產業化。

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2010－12－08)

李彥龍(1971－)，男，甘肅天水人，工程師，主要從事礦山生產技術及管理工作。