地下组合式采矿法与联合式采矿法.docx
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地下组合式采矿法与联合式采矿法
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①
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①
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②
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4～6m）与矿柱（宽3～5m），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50～80m，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4～6m，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150～200m；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7～12m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7m×7m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2～2.5m。
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10％～15％；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5～7m，倾角一般为30°～40°，不稳固到中等稳固，节理发育，f＝4～6。
矿层上盘为白云岩，f＝7～12，中等稳固至稳固，暴露面积超过1000～1500m2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3m以下，易冒落。
下盘为泥质石英砂岩，f＝8～12，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65～70m掘进一条行人与溜矿天井，从天井内每隔13～14m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2～3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50～60mm，孔深3～12m，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YZQ－12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800～1500m2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30°～50°，厚9～12m。
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9～35m；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30～50m，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2～6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15～20m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30m，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3～4.5m厚的矿壁支撑矿房内的尾砂非胶结充填体。
矿石损失率为10％～15％，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，f＝14～16，倾角40°，平均厚度0.97m；上下盘均为混合片麻岩，f＝12～14，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16.7×26.5m2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29.0×14.1m2，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面法之间的空白，从而可实现薄与极薄矿脉之间合理采矿方法的转换。
在类似条件下，由这四种采矿法组成的结合式采矿法，可以在采出矿石贫化率最小的情况下，最大限度地回收矿石储量，获得良好的经济效益。
这几种方法具有转换灵活的特点，既可在采空区中留矿，又可用废石充填。
用废运输胶带作为矿岩的隔离层时，只适于胶带埋在矿岩之下的电耙运搬。
当耙运到胶带外露时，宜改用人工方法清理剩余的矿岩。
建立更有效的、方便的隔离层是今后的发展方向。
本章小结
任何一种采矿方法都有它的局限性。
组合原理与联合方法，是自然界与科学技术领域中应用极为广泛的原理和方法。
在介绍地下组合式采矿法的原理及其判据和适用条件的基础上，详细介绍了得到成功应用的留矿崩落采矿法，该方法构思巧妙地把下部矿房的尺寸确定为比上部矿柱尺寸宽1m，并使后者位于前者的正上方，当下部矿房开采完毕，上部矿柱即失去支撑而崩落，在放矿过程中受摩擦与挤压作用而解体，覆岩随之下落，同时完成采矿和采空区处理工作，具有多重功效，成为启迪我们改革采矿方法与工艺的典范。
详细介绍分段空场崩落采矿法后，简略介绍了房柱崩落采矿法、分段空场崩落采矿法、阶段留矿崩落采矿法和阶段留矿充填采矿法，起到开拓眼界的作用。
最后介绍了地下联合式采矿法及其在薄与极薄矿脉中的应用。
由于几十种传统采矿方法已经比较成熟与规范，因此，大力发展地下组合式采矿法，扬长避短，巧妙结合，可望创造出新的高效、安全、经济的组合式采矿法，解决复杂难采矿床的矿石贫化与损失率高的难题。
它们是采矿方法和工艺改革与完善的重要方向。
习题
1地下组合式采矿法的原理、判据与适用条件是什么？
2留矿崩落法是如何回收上分段矿柱的？
它对矿体有什么要求？
3用崩落法控制地压和处理采空区可能遇到的主要技术困难是什么？
4你能设想出几种新的组合式采矿法方案？
它们的适用条件是什么？
5什么是地下联合式采矿法？
你能设想出哪些联合式采矿法？
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