地下组合式采矿法与联合式采矿法.doc

地下组合式采矿法与联合式采矿法本章提要介绍地下组合式采矿法的原理、判据和适用条件，详细介绍留矿崩落采矿法和沿走向连续退采的分段空场崩落采矿法，简略介绍房柱崩落采矿法、分段空场崩落采矿法（瀑布式采矿法）、阶段留矿崩落采矿法、阶段留矿充填采矿法，并介绍了地下联合式采矿法及其在薄与极薄矿脉中的应用，为改进采矿方法与采矿工艺提供了辩证思维的思路和例子，为复杂难采矿床的开采提供了科学的指导。1 组合式采矿法的原理与适用范围1.1 组合式采矿法的原理空场采矿法存在以下4个问题：一是矿岩欠稳固时，如何有效地控制地压：二是及时、可靠、经济地处理采空区，避免灾难性地压事故的发生；三是怎样有效而合理地控制和处理深部地压；四是一些品位较低且赋存条件复杂的矿床，在开采中相互制约的技术经济条件较多时，往往一般的空场法、崩落法与胶结充填法均难以适应，它们可能通过采用合适的组合式采矿法得到改善或解决。组合是自然界和科学技术领域中应用极为广泛的基本原理。任何一种采矿方法都有局限性，难以适应复杂多变的开采技术条件，即使采用其变形方案，也难以改变各种采矿方法本质决定的不足之处。组合式采矿法以岩石力学为基础，协调采矿工艺、设备和采场结构之间的内在联系，既依存又独立于相关的采矿方法，兼备不同采矿方法的特色和优点，消除其缺点，通常能获得良好的技术经济指标。当前，在改革和推广多种空场采矿法的同时，以一些空场法为基础，兼具充填法、崩落法相应特点的组合式采矿法得到了发展。1.2 组合式采矿法的判据相对于常规的采矿方法， 组合式采矿法的主要判据是：(1)在以矿块或区段为单元的开采作业循环中，及时崩落采空区，是组合式采矿法不可缺少的重要工序，以此控制地压和处理采空区，不存在嗣后专门处理采空区的问题；（2）通常组合式采矿法的出矿或放矿，在前期具有空场法的特点，而后期或同时具有以充填为条件或在覆岩下出矿的特点，不是在空场条件下进行的。在矿块结构和回采工艺等方面，组合式采矿法不仅具有空场法的主要优点，而且兼具另一类采矿方法的优点。1.3 组合式采矿法的适用条件同任何常规的采矿方法一样，组合式采矿法有其最佳的适用条件。几种组合式采矿法的主要适用条件见表1所示。表1 几种组合式采矿法的主要适用条件序号采矿方法地表维护矿体倾角矿体厚度矿体稳定性顶盘稳定性底盘稳定性1留矿崩落法允许陷落急倾斜中厚和中厚以上中稳和中稳以上较稳固较稳固2分段空场崩落法允许陷落倾斜中厚和较厚中稳和中稳以上欠稳至中稳中稳至稳固3房柱崩落法允许陷落缓倾斜至倾斜中厚和中厚以上中稳和中稳以上欠稳至中稳欠稳至中稳4阶段留矿崩落法允许陷落急倾斜中厚至极厚中稳和中稳以上欠稳固欠稳至中稳5房柱充填法不允许陷落倾斜至急倾斜中厚至极厚中稳和中稳以上不稳至欠稳不稳至欠稳6分段空场充填法不允许陷落急倾斜中厚至厚欠稳至中稳中稳欠稳至中稳7阶段留矿充填法不允许陷落急倾斜中厚至厚欠稳至中稳不稳至欠稳不稳至欠稳8全面空场充填法不允许陷落缓倾斜薄中稳和中稳以上中稳至稳固欠稳至中稳9倾斜分条留矿充填法不允许陷落急倾斜薄稳固欠稳固欠稳固注：允许有一定暴露面积，随着暴露面积的扩大将自然崩落；产状规整妥善处理空区具有一定的技术难度，往往成为组合式采矿法试验的核心技术问题，必须加强研究，在保证安全的前提下反复试验与完善，才有可能取得较满意的结果。2 组合式采矿法实例2.1 留矿崩落采矿法这是留矿法与分段崩落法相结合的一种组合式采矿法。特点是把阶段划为分段，在分段上将矿体划分为矿房(宽46m)与矿柱(宽35m)，上下两个分段的矿房和矿柱错开布置。先用留矿法回采矿房，随着下分段矿房回采的结束，在全面放矿的过程中，上分段的矿柱在自重作用下自然崩落到下分段矿房内，在下移过程中逐渐解体，到达底部后由铲运机运到矿石溜井(图1)。为了保证矿柱在11米的下移过程中解体并能从装矿巷道中运出， 显然需要矿体有较发育的裂隙和节理。（1）矿块构成要素阶段高度根据围岩的稳固情况和矿体的倾角等因素确定，通常为5080m，最高可达200m；分段高度一般为12m；矿房宽度应根据矿体的稳固程度和地质构造确定，要保证矿房回采的安全和提高上分段矿柱的回收率，通常为46m，并趋向于加大矿房宽度以提高效率；矿柱宽度比矿房小lm，以便能在下分段放矿时崩落放出；矿房长度可按装矿机的合理运距和矿体赋存条件确定，一般为150200m；没有顶柱和底柱。图1留矿崩落法采区横剖面图1矿房；2矿柱；3装矿巷道；4第一水平；5第二水平（2） 采准切割工作以金伯利岩管金刚石矿体的布置为例，采准工作包括：从图2所示的阶段运输平巷3掘进斜坡道4和矿石溜井5连通各分段；在每一分段上，从脉外分段盲井6（图3）开掘一条穿过岩管中心的分段巷道7至岩管的另一端；从分段巷道的末端每隔21m或33m (相当于3个采区的宽度)开掘分段运输巷道1与脉外运输巷道和矿石溜井5相通；在与分段运输巷道垂直的方向上，每隔712m开掘装矿巷道2。切割工作是在分段巷道的末端每隔7m开掘矿房拉底巷道，与装矿巷道形成7m7m的连续采区。图2留矿崩落法采准布置1主井；2风井；3阶段运输平巷；4斜坡道；5矿石溜井；6分段盲井；7分段巷道图3 留矿崩落法分段平面图1分段运输巷道；2装矿巷道；3矿柱；4矿房；5矿石溜井；6分段盲井；7分段巷道(3) 回采工作回采工作可以从岩管的中部向两端推进，也可以从一端向另一端推进（图4）。用浅眼留矿法回采矿房的矿石。炮眼深度22.5m。最上一排炮眼的深度不得超过上一分段水平面，以避免上分段矿柱在回采工作中突然冒落。回采工作面通常要保持一定的斜面，以保证回采工作的安全。矿体不稳固时应在回采工作面架设临时支护。为避免上分段矿柱崩落的滚石造成事故，应在矿石堆的顶部安设挡板。在浅眼崩矿期间进行部分放矿。当矿房采至上水平附近时，上分段矿柱随着矿房的大量放矿而崩落。用铲运机把矿石从装矿巷道运到矿石溜井。图4留矿崩落法矿房纵剖面图1切割立槽；2炮眼；3装矿巷道；4废石；5临时支护；6挡板；7崩落矿柱；8溜井(4) 留矿崩落法的评价留矿崩落法适用于围岩较稳固、矿体较厚的矿床。它兼有留矿法和崩落法的优点：不留矿柱，矿石回收率高，可达95，贫化率为1015；矿房凿岩爆破回采，矿柱靠自重崩落，回采效率高；采准切割工程量较少，投资少；用于露天转地下过渡开采时，回采前不用建立安全覆盖层，可提前由露天转入地下开采。缺点是矿房用浅眼落矿，安全条件较差；矿房宽度小，影响效率的提高；通风条件不够好。适当加大矿房与矿柱的宽度，采用中深孔落矿是其发展方向。2.2 分段空场崩落采矿法这是开阳磷矿矿务局和中南大学研究试验成功的一种组合式采矿法。（1） 开采技术条件浅海相沉积磷块岩矿床，矿层厚度57m，倾角一般为3040，不稳固到中等稳固，节理发育，f46。矿层上盘为白云岩，f712，中等稳固至稳固，暴露面积超过10001500m2自然冒落。在矿层与上盘白云岩之间常夹有不稳固的含锰白云岩、黄绿色与褐色页岩，厚度3 m以下，易冒落。下盘为泥质石英砂岩，f812，中等稳固。（2） 矿块结构在阶段高度40米的范围内，划分为3个分段。如图5所示，沿矿体底板在矿体内掘进分段出矿平巷1，通过分段联络道与采区行人和溜矿天井相接，形成独立的分段运输系统。在分段平巷上部垂高5米处，沿底板接触线掘进拉底切割平巷4；沿分段出矿平巷靠底板一侧每隔 8米开掘装矿横巷2。图5 分段空场崩落采矿法1 分段出矿平巷；2装矿横巷；3斗颈；4拉底切割平巷；5矿块下部回采炮孔；6矿块上部回采炮孔；7隔离矿柱；8切割天井矿块不留间柱，只留斜高为5米的斜底柱。在下分段回采时，保留3米斜高作为分段隔离顶柱，不回收，用作下分段回采过程中支撑矿房和隔离上分段崩落的废石。矿块底部结构用作放矿、运搬和通风。（3） 采准切割沿矿体底板在矿体内掘进分段出矿平巷，到达矿块边界；沿矿体下盘每隔6570m掘进一条行人与溜矿天井，从天井内每隔1314m垂高开凿分段出矿联络道到达矿体，在分段出矿联络道之上5m处，掘进拉底凿岩联络道，沿矿体底板掘拉底凿岩平巷。在矿块边界，从拉底凿岩平巷，沿底板接触线在矿体内掘进倾斜切割天井；在切割天井，从拉底凿岩平巷向顶板方向掘进凿岩硐室；在分段平巷靠底盘一侧掘进装矿横巷，水平间距为5.5m。切割工作包括用扇形中深孔爆破形成切割槽，其爆破顺序为由下盘向上盘分23段毫秒雷管一次起爆，以及由斗颈钻凿上向中深孔，一次爆破扩漏。（4） 回采工艺 凿岩。矿房下部的回采炮孔是从拉底凿岩巷道钻凿上向扇形中深孔，炮孔直径5060mm，孔深312m，排间距2m。矿房上部炮孔是从上分段装矿横巷，逆回采方向钻凿单向倾斜扇形炮孔，排面垂直于矿体顶板，最小抵抗线2m。 爆破。分两步进行。先从切割槽开始，沿走向逐排崩矿，崩落矿石通过漏斗放至装矿横巷，这部分矿石占矿房矿量的65。待下部崩矿工作面推进8m左右时，爆破上部炮孔，利用爆力将矿石抛入堑沟，通过漏斗放出，这部分矿石占矿房矿量的20。 矿石运搬。用YZQ12型装运机将矿石运至溜矿天井。 通风。新鲜风流由人行天井进入分段平巷和拉底凿岩平巷，清洗工作面后，污风经矿房进入上部平巷，由回风系统排出。 顶板管理。通过沿走向逐步退采，不断扩大顶板暴露面积，当暴露面积大于8001500m2后，顶板自然冒落，消除空场。近工作面的区域有形成不久的隔离顶柱保护，仍能保持合适的工作空间。（5）主要技术经济指标试验所取得的主要技术经济指标为：采出矿量7.19万吨，矿块生产能力140t/d，矿石损失率31.34，贫化率12.12。（6）评述方案的特点是：将阶段划分为3个分段，留永久隔离顶柱，不留房间矿柱，倾斜矿柱占矿量仅为15；以脉内采准为主，有底部结构；人员、设备不进入空场作业，安全性好；用高效自行设备完成主要作业，生产能力大；中深孔崩矿，崩矿与出矿错开，可实现多分段作业；沿走向连续退采，让顶板自然崩落。本方案的采准工程量少，采准费用低，矿石贫化率低，安全性好，具有较好的技术经济指标。2.3 房柱崩落采矿法20世纪50年代，在法国洛林铁矿区，对于顶板围岩由中等稳固至欠稳固的缓倾斜中厚矿体，在典型房柱采矿法的基础上，通过对采矿工艺、采装设备和采场结构的变革，逐步演变为在该矿区全面推广的房柱崩落采矿法。（1）矿块结构把矿脉划分为盘区，盘区划分为矿房和连续矿柱，见图6所示。图6 房柱崩落采矿法1矿房；2连续矿柱；3切割巷道；4矩形临时矿柱；5切割小巷；6残柱（2）回采工艺矿房回采就是进路掘进。矿房回采依次超前进行，直达采空区。对于留下的大尺寸连续矿柱，从采空区以后退的方式，先以垂直于连续矿柱走向的切割横巷3进行穿插回采，形成一个间断的孤立矿柱4；再对孤立矿柱以切割小巷5进行穿插回采，形成两个残柱6，最终崩落残柱。以这样的方式把矿房已采区的矿柱化整为零，通过逐渐加大顶板暴露面积达到放顶的目的，消除顶板的压力，处理采空区。采用锚杆支护加固矿房（进路）的顶板，采准、回采和出矿作业都是在进路的空场中进行，出矿采用自行设备。（3）技术经济指标梅里铁矿年产矿石190万t，定员191人，采矿工效177/工班，全员工效50.7t/工班，比原来采用的房柱法工效高7倍，矿石损失率为15。2.4 分段空场崩落采矿法在开采倾斜中厚矿体中采用，要求矿体稳固，顶板中等稳固，能通过扩大顶板暴露面积使之自然崩落。在赞比亚木富利腊铜矿，矿体倾角3050，厚912m。矿块沿走向长度300m；阶段高度75m，分段斜长视矿体倾角而定，为935m；将分段划分为下部矿房和上部矿柱，均沿矿体走向布置，上部矿柱相当于顶板，兼作间柱。在底盘的分段平巷内钻凿上向扇形深孔落矿，崩落矿石通过底盘漏斗或贮矿堑沟，用装运机运往溜井。矿房回采超前于上部矿柱回采3050m，然后爆破在上部矿柱中钻凿的扇形深孔，崩落矿柱的矿石在覆岩下放矿，实行后退式连续回采和连续出矿，一个阶段可同时回采26个分段，相邻分段由上而下依次超前60m，矿块月生产能力可达万吨，采矿工效80.5/工班，矿石回采率84，又称瀑布式采矿法。2.5 阶段留矿崩落采矿法锦屏磷矿在倾角为60、厚度50m的矿体中试验阶段留矿崩落法。矿体稳定，顶盘岩体稳定性差。阶段高度60m，矿房走向宽24m；房间矿柱宽12m。水平扇形深孔落矿。在底柱中垂直走向布置两条电耙道。结束矿房落矿工作并放出部分矿石后，以矿房上部的空场作为补偿空间，利用预先钻凿好的深孔，一次崩落总厚为1520m的顶柱和上水平底柱，同时崩落补偿空间一侧的上段间柱，上阶段已崩落的覆岩随之下落，然后在覆岩下进行大量放矿。该法已占该矿区产量的50，平均采矿工效为43t/工班。2.6 分段空场充填采矿法加拿大福克斯铜锌矿矿体平均厚度18m，倾角70，阶段高度122m，分段高度30 m，房间矿柱宽14m；当开采深度在 610m水平以下时，由于地压较大，阶段高度降至60m，矿房和矿柱沿走向宽度均取23m。扇形深孔落矿，铲运机出矿。房间矿柱一般在回采相邻矿房一个月前完成采矿和充填作业，采用1：30的水泥尾砂作一次充填，同时保留34.5m厚的矿壁支撑矿房内的尾砂非胶结充填体。矿石损失率为1015，贫化率很低。2.7 阶段留矿充填采矿法加拿大吉柯铜锌矿急倾斜矿床的厚度在20m左右，矿体较稳固，距矿体较远的两盘围岩也较稳固。矿房按一般深孔留矿方法开采，但是在大量放矿过程中，为了避免上下盘围岩因暴露面积不断加大而冒落，采用边放矿边用废石进行充填，待结束覆岩下放矿时，再用1：30的水泥尾砂灌入废石中，使充填料胶结为整体。由于充填体沉降率较大，难以接顶，矿房顶柱曾发生冒落，采用预应力锚索加固顶底柱，效果良好。矿石回收率高，贫化率不超过14。3 地下联合式采矿法3.1 概述地下联合式采矿法是指在同一矿块内，运用两种或两种以上的采矿方法同时或顺序开采的采矿方法。因为可以在不同的条件下发挥各自采矿方法的优点，因而具有良好的适应性，可以提高劳动生产率和降低矿石贫化损失。在合适的条件下，联合式采矿法具有良好的发展前景。 3.2 联合式采矿法在薄与极薄矿脉中的应用在薄与极薄矿脉的回采中，矿石贫化率高是一个突出的问题。某些有色金属与贵金属矿脉不仅厚度多在lm以下，而且矿脉形态复杂，频繁出现膨胀、收缩、分支、复合、尖灭等现象，因此，在同一采场内使用单一的采矿方法难以获得良好的经济效益，从而为联合式采矿法的应用提供了条件。这里介绍武汉理工大学在河南省灵宝市安底金矿进行的全面法、分采充填法、留矿全面法、分采留矿全面法组成的联合式采矿法试验。（1）矿块开采技术条件矿脉为含金石英脉，坚固稳定，f1416，倾角40，平均厚度0.97m；上下盘均为混合片麻岩，f1214，稳定性较好。阶段高度40m，矿块走向长度50m。该矿块东富西贫，东厚西薄，西部宽l0m和上部斜长28m为表外矿。（2）矿块结构与开采工艺见图7所示，在矿块西部表外矿中掘进漏斗9和溜井6，溜井长度30m。在溜井中沿斜高每隔8m掘进电耙硐室7，并掘进电耙道8与采场相通。图2.12.7 四种采矿方法组成的结合式采矿法1全面采矿法；2分采充填法；3留矿全面法；4分采留矿全面法；5天井；6溜井；7电耙硐室；8电耙道；9漏斗；10废石墙图2.12.8 分采留矿全面法1天井；2待采矿石；3隔离层；4矿石电耙；5矿石溜井；6存留矿石；7矿石漏斗；8废石电耙；9废石溜井；10废石漏斗矿块东部沿走向17m的矿脉平均厚度为1.4m，可以满足1.8m垂高的最低采幅要求，用全面法开采，形成16.726.5m2的采空区。矿块中下部矿脉的平均厚度为0.59m，若继续采用全面法开采，则保持最低采幅的废石混入率高达57.21，于是改用分采充填法开采。先用抛掷爆破方法把废石崩向采空区，清除工作面的残余废石后，再用松动爆破方法把矿石崩落在工作面，用电耙把矿石耙运至溜井放出。在工作面向上推进的同时，挑选大块废石在新形成的采空区东侧堆砌宽约2m、高度接顶的废石墙，阻止充填废石的滚落。当用分采充填法上采到斜高14.1m时，因矿脉变宽，采下废石远不足以填满采空区而停止使用。它的开采面积为29.014.1m2，废石混入率为13.5。在此高度以上，矿块西部18.5m宽度的矿脉变窄到1.24m，其垂高达1.67m（平均倾角为42），采用留矿全面法开采所需同时采下的围岩厚度只有0.098m，于是决定用留矿全面法开采这部分矿量；矿块东部10.5m宽的矿脉厚度变宽到0.86m，对应垂高1.16m，满足最低采幅的废石混入率不小于35.6。为了减少东部矿石的贫化，试验成功一种新的采矿方法分采留矿全面法(图8)。其采场结构参数与留矿全面法相同，只是矿石与岩石分采，把采空区作为留矿空间，先用抛掷爆破方法把位于采幅上部的矿石崩落到留矿空间，需部分放矿的矿石用电耙沿水平方向耙到矿石溜井运出；平整好采下的矿石后，在它上面铺上废运输胶带建立的隔离层，然后松动爆破围岩达到最低采幅，把崩下的废石沿水平耙至废石溜井运出。如此循环，待整个矿房采完后，进行大量出矿，同时相应回收矿柱。在分采充填法的充填废石之上用废运输胶带建立起隔离层后，矿块东部用留矿全面法上采12.9m，达到矿体边界，废石混入率为10.8；矿块西部用分采留矿全面法上采12.6m达到矿体边界，废石混入率为11.9。最后将留矿空间暂留的矿石用电耙耙运到溜井全部放出。（3）评价分采留矿全面法弥补了分采充填法和留矿全