中深孔高分段空场法开采急倾斜薄矿体

严成涛 陈思学 王佳 （金诚信矿业管理有限公司）

摘 要

首云矿业股份有限公司铁矿是北京地区最大的金属矿山，采用露天开采已近50年，现正准备转入地下开采，然而400万吨的挂帮矿需要在正式转入地采前提前回收。挂帮矿主矿体是由一、二两层矿组成，其中位于上盘的一层矿仅有2~5m，为典型的急倾斜薄矿体，原采用浅孔留矿法开采，但在实际生产过程中不适合铁矿的生产要求，为此研究提出了中深孔高分段空场法的开采方案。分段空场法是一种采矿强度大、生产效率高、作业安全的采矿方法 ，适用于上下盘均稳固、急倾斜中厚以上的矿体，能否适用于开采此种薄矿体，尚无成功经验可借鉴。经过对薄矿体开采工程环境和开采方案的反复论证，又经一个采场的生产实践验证，表明应用中深孔高分段空场法开采一层薄矿体具有采场作业环境安全，平行矿体采矿方法一致，回采机械化程度高，实现了无间柱连续采矿，提高了采矿强度，缩短了采场的回采周期，采矿管理变得更加灵活、简单，对加速挂帮矿的开采有重要的意义。而首云股份有限公司铁矿的生产实践验证了中深孔高分段空场法开采急倾斜薄矿体的可行性。

关键词： 中深孔，高分段空场法，浅孔留矿法，薄矿体开采

目 录

摘 要 ............................................................................................................................. I 目 录 ........................................................................................................................... II 绪 论 ............................................................................................................................ 1 一、工程地质概况 ........................................................................................................ 2 二、 采矿方法及存在的主要问题 ............................................................................ 2 三、 中深孔高分段空场法 ........................................................................................ 3 1、矿块布置及采切工程布置 ...................................................................................... 3 （1）矿块布置 .............................................................................................................. 3 （2）采切工程布置 ...................................................................................................... 3 2、凿岩爆破及出矿 ...................................................................................................... 4 （1）爆破参数的确定 .................................................................................................. 4 （2）爆破落矿 .............................................................................................................. 5 （3）、空区处理 .......................................................................................................... 6 四、 中深孔高分段空场法的应用效果 .................................................................... 6 结 论 ............................................................................................................................ 8 参考文献 ........................................................................................................................ 9

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绪 论

开采稳固矿岩急倾斜薄矿体,国内外过去多用浅孔留矿法或普通上向分层充填法,机械化程度低,劳动条件差,经济效益不佳。而在矿岩中等稳固到稳固的急倾斜厚矿体开采中,国内外广泛采用中深孔分段空场法,因为该法具有生产能力大、安全性好、生产成本低、机械化程度高等优点。那么,薄矿体是否也可以采用这种方法开采？通过对首云矿业股份有限公司铁矿先后采用浅孔留矿法、高分段空场法开采急倾斜薄矿体实际生产数据对比分析，高分段空场法比浅孔留矿法，落矿效率提高了1.6倍，回采强度提高了3倍。而且采用高分段空场法还实现了不留间柱的连续回采。

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一、工程地质概况

首云矿业股份有限公司铁矿年生产能力200万吨/年，其中露采130万吨/年,挂帮矿地采70万吨/年。露采2010年底结束，铁矿将全部转入地下开采。首云矿业股份有限公司挂帮矿约有400万吨。挂帮矿主矿体一层薄矿体向南倾伏，沿走向长260m，矿体倾角75~85o，厚度2~5m；主矿体二层矿厚矿体向南倾伏，沿走向长518m，矿体倾角75~80 o，厚度15~25m；一层薄矿体与二层厚矿体水平间距7~25m。矿石主要为磁铁石英岩，其次为磁铁片麻岩，块状，容重3.3t/m3，硬度系数f=12~14，中等稳固，TFe含量一般为25~33%。上下盘围岩以黑云辉石长片麻岩、角闪斜长片麻岩为主，片麻状构造，岩性致密，容重为2.7t/ m3,硬度系数f=12~14，稳固性较好。

二、 采矿方法及存在的主要问题

首云矿业股份有限公司挂帮矿开采初步设计中使用了两种采矿方法，一层薄矿体采用浅孔留矿法，二层厚矿体采用分段空场法。上述两种方法中，浅孔留矿法并没有取得预期效果，存在的主要问题是：

(1).作业安全性差。在回采过程中，工人直接在爆破后的矿岩暴露面下作业，矿体和顶板围岩容易片落，安全威胁大。

(2).工人劳动强度大。局部放矿后，采场内需要对浮石进行处理，平整场地，并破碎大块。这些工作主要靠人力完成，致使工人的劳动强度大。

(3).采场生产能力低。浅孔留矿法机械化装备低，工人劳动强度大，因此采场采矿强度低，功效低，中段下降速度慢。而二层厚矿体采用分段空场法采矿强度高，其中段下降速度快。考虑到矿山生产的安全，一层薄矿体的回采必须超前于二层厚矿体，为平衡一、二层矿的中段下降速度，只能减缓二层厚矿体的回采，制约了矿山生产能力。

(4).经济效益低。大部分采下矿石暂留在采场内，积压了资金。

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2007年以后，首云铁矿总结了生产中存在的问题，采用了金诚信矿业股份有限公司提出的中深孔高分段空场法，改进了落矿方式，取得了显著的效果。

三、 中深孔高分段空场法

1、矿块布置及采切工程布置 （1）矿块布置

矿块布置与二层厚矿体布置应相一致，有以下两点原因： ①可以共用部分采准工程，降低采准成本；②便于一层薄矿体与二层厚矿体回采平衡管理。据此，布置方式如下：

矿房沿矿体走向布置，每50m为一矿房，不留间柱。阶段高60m，分段高20m，不留顶柱。不留底柱，底部采用堑沟平底结构。参见图3-1

（2）采切工程布置

如图3-1所示，采切工程有：阶段运输平巷、沿脉出矿巷道、分段凿岩巷道、拉底巷道、切割天井等。其中阶段运输平巷布置在出矿水平以下15m，距矿体下盘15m~20m沿走向掘进；沿脉运输巷布置在出矿水平，距矿体下盘8m~10m，每隔10m布置一条出矿进路与拉底巷道贯通；拉底巷道、分段凿岩道沿矿体下盘施工；切割天井布置在采场最北端，每个矿房设置一条切割天井，沿矿向上掘进；不另设人行通风井，矿房回采时，利用相邻采场切割天井作为人行通风井。

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Ⅰ-ⅠⅡ10ⅠⅡ-Ⅱ310820m210mⅢⅢⅡ91°8050mⅠⅢ-Ⅲ578249611-阶段运输平巷； 2-沿脉出矿巷道3-分段凿岩道； 4-探矿穿或出矿道；5-拉底巷道； 6-出矿进路；7-人行通风天井； 8-切割天井；9-矿石溜井； 10-炮孔图3-1 中深孔高分段空场法工程布置图

2、凿岩爆破及出矿 （1）爆破参数的确定

中深孔高分段空场法开采急倾斜薄矿体尚无成功经验可以借鉴。确定合适的爆破参数是使本采矿方法在技术上能否实现，在经济上能否达到效益最大化的关键因素。本采矿方法在中深孔设计上遇到的主要问题有：

i.

矿石坚硬，矿岩结合紧密，爆破难度大。

ii. 矿体薄，分段高，爆破时岩石的夹制性非常大。 iii. 无成功经验可以借鉴，经验参数不能确定是否适用。 iv. 由于分段高度大，一旦出现悬顶，很难处理。

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v. 采场沿走向布置，不留间柱连续回采。由于断层较多，矿体在走向

上发生多次水平错动，在中深孔设计中，如何控制矿石的损失贫化并实现矿房连续回采，以达到经济效益最大化。

针对上面的几个问题，结合经验参数，采用谨慎性原则，选定了几组数据进行采场实验。通过对实验数据的技术经济对比分析，得出了最终的中深孔设计施工参数。中深孔采用上向垂直扇形炮孔布置，使用YGZ-90型钻机钻孔，炮孔直径∮55mm。中深孔设计参数参见表3-1：

表3-1 中深孔设计参数表 排间距 孔底距 最大孔深

1.2m 1.7m 21m

分层边孔角 出矿水平边孔角

15 30

o

o

中深孔设计、施工中需要注意以下几点：

i. 由于分段高度大，矿体薄，如果严格按照中深孔设计参数孔底距布孔，可能造成顶板孔只有1~2个。在崩矿时很容易产生悬顶，而无法正常回采。因此，在炮孔设计时，无论矿体厚度是多少，必须保证顶板孔至少有3个。 ii.

由于矿体薄，沿走向厚度不均匀以及受断层影响矿体的水平错动，

很容易造成爆破衰减及爆破自由空间不足。因此在中深孔设计时，应该充分考虑所有回采的后续工序，必要的损失贫化是不可避免的。

iii. 中深孔施工时，必须随时监控钻孔返浆的变化情况，做好台班记录，为下一步矿石损失贫化的计算提供有效数据。如遇设计炮孔深度与实际矿体边界差别大时，及时向设计人员反馈。设计人员根据反馈信息判断是否调整中深孔设计。

（2）爆破落矿

矿房回采时，以切割天井为自由面，分段次爆破，形成切割立槽，再以切割立槽为自由面，分次进行爆破，每次2~4排，沿走向推进；当推至相邻矿房切割天井处时，重新拉槽形成新的自由面。爆破采用多孔粒粒状铵油炸药，采用非电

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导爆管、导爆索复式起爆网络，排间微差爆破。崩矿步距2.4m~4.8m。爆破后的矿石由铲运机在出矿进路出矿，并运至采区矿石溜井。注意采场内需要存留至少5m矿石垫层封堵住各个出矿进路，以保证采空区与出矿水平各巷道不连通，避免采空区顶板发生冒落时，空气冲击波造成人员伤亡及设备损伤。

（3）、空区处理

首云矿业股份有限公司铁矿地表允许塌落，因此空场出矿结束后，经过一段时间的地压作用，部分顶板及矿体上下盘围岩自然震荡垮落填入采空区，不需要再用其他方法处理。

四、 中深孔高分段空场法的应用效果

首云矿业股份有限公司铁矿一层薄矿体先后采用浅孔留矿法、中深孔高分段空场法开采，获取了两种采矿方法的实际生产数据。通过对两种采矿方法的技术经济指标、采矿成本以及经济效益对比分析（参见表4-1，表4-2，表4-3），我们不难看出，相比浅孔留矿法，中深孔高分段空场法在开采一层薄矿体中，不但提高了生产安全性，减轻了工人劳动强度，回采效率也大幅度提高，而且有效的平衡了一层矿薄矿体与二层矿厚矿体的中段下降，从而最大限度的发挥了整个铁矿挂帮矿的生产能力，为首云铁矿下一步全面转地下开采打下了坚实的基础。

表4-1 技术经济指标对比表 生产采切比采矿方法 能力(m/kt) (t/d) 中深孔高分段空场法 浅孔留矿法

凿岩效率(m/班) 设备 YGZ-90 YT29

台班效率 70 40

出矿效率(t/班) 设备 2m铲运机 2m铲运机

33

每米崩矿量台班效率 (t/m) 265 70

损失率 (%) 贫炸药消化耗 率 (kg/t) (%) 20 8

0.6 0.75

700 200

18.8 12.9

4.0 15 2.6 11

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表5-2 采矿成本对比表

采矿费用(元/t) 钻孔 2.65

落矿 2.40

铲运 6.24

矿石成其它 本 (元(元/t) /t) 采矿方法 采切费用(元/t) 预选费 (元/t) 中深孔高分段空场法 浅孔留矿法

21.00 5.00 2.43 39.72

14.50 5.52 4.54 7.90 0.00 2.43 34.89

表5-3 经济效益对比表

采矿方法 生产能力 (t/月) 精矿粉产量 (t/月) 效益 (万元) 成本增加量 (万元/月) 增加效益 (万元/月) 中深孔高分段空场法 浅孔留矿法

21000.00 6000.00

7000.00 2248.00

105.00 34.00

19.00 0.00

86.00 0.00

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结 论

首云矿业股份有限公司铁矿通过采矿方法的改进，有效的解决了一层薄矿体回采效率低，安全性差以及制约二层厚矿体回采等问题。实践表明，中深孔高分段空场法在对急倾斜薄矿体的开采中取代浅孔留矿法是可行的。与浅孔留矿法相比，中深孔高分段空场法作业条件安全、机械化程度高，回采强度大，管理简便，而且不留间柱连续回采，可大幅度降低采场存矿量。该种采矿方法可在类似矿山推广应用。

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参考文献

[] 董洪桥.薄矿体采矿方法改进.IM&P化工矿物与加工，2005，（11） [2] 杨日平.薄矿体分段空场法研究.矿业研究与开发，1992，（01） [3] 王青、史维祥.采矿学，2001，（第一版）

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