解聯(lián)庫 萬串串 熊代余 王建文

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京100160；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京100160）

受成礦期不同階段地質(zhì)條件影響，礦體接觸交代、分支復(fù)合現(xiàn)象較為普遍［1-2］，局部經(jīng)常伴有夾層或者軟弱破碎帶等介質(zhì)，主要表現(xiàn)為上盤破碎帶、下盤破碎帶或中間夾層等。此類礦體開采通常面臨作業(yè)條件惡劣、采切工程量大、生產(chǎn)效率低下、損失貧化嚴(yán)重、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等諸多問題，極大限制了礦體的安全高效開采［3-6］。為此很多學(xué)者在含夾石礦體或軟弱破碎礦體開采理論、工藝技術(shù)以及穩(wěn)定性分析等方面進(jìn)行了大量研究，取得了很多成果。周科平等［7］基于對(duì)采礦工程系統(tǒng)復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和非線性特性的深刻認(rèn)識(shí)，提出了“采礦環(huán)境再造”理念，即突破傳統(tǒng)采礦方法設(shè)計(jì)思想的限制，應(yīng)用新的理論、方法和技術(shù)，營造一個(gè)良好的礦巖開采環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)軟破礦體的高效回采。周驥［8］根據(jù)夾石層在礦體中的不同賦存條件，推薦采用分采分運(yùn)、混采分運(yùn)以及棄之不采等開采方案。李朝輝［9］根據(jù)凹地苴礦區(qū)雙層礦體賦存特點(diǎn)，提出了上層礦房柱法、下層礦中礦淺孔組合開采方案，取得了理想的效果。楊立根［10］結(jié)合夾層難采礦體、松軟難采礦體的開采技術(shù)條件，系統(tǒng)性提出了各類礦體安全高效低貧損、低成本采礦設(shè)計(jì)的創(chuàng)新技術(shù)思路，突破了“以法套礦”的陳舊觀念和習(xí)慣的束縛，提高了礦山的經(jīng)濟(jì)效益。馬春華等［11］、金鵬等［12］針對(duì)傾斜厚大的破碎礦體，提出了一種空?qǐng)鏊煤蟪涮钆c水平分層充填法相結(jié)合的開采方案，減小了上盤圍巖暴露面積，提高了礦石回采率與開采強(qiáng)度。夏建波等［13］針對(duì)梁花阱銅礦Ⅲ號(hào)急傾斜厚礦體頂板局部破碎情況，提出上盤2 m 厚分層淺孔留礦法回采、下盤礦體階段礦房法回采的開采方案，相比于原分段鑿巖階段礦房法，提高了回采率與出礦品位。羅周全等［14］針對(duì)傳統(tǒng)緩傾斜多層礦體，提出了一種深孔合采井下礦廢分離連續(xù)采礦法，采用大直徑深孔合采礦巖、礦巖集中分離、連續(xù)采礦等技術(shù)，有效克服了傳統(tǒng)采礦方法的弊端。吳愛祥等［15］、韓斌等［16］針對(duì)湯丹銅礦體及圍巖松散、破碎的基礎(chǔ)條件，采用化學(xué)注漿預(yù)加固方式，提高了巖體強(qiáng)度及礦體完整性，實(shí)現(xiàn)了軟弱破碎礦體的安全高效開采。

綜上分析，針對(duì)含夾層或軟弱破碎帶等難采礦體，雖然部分礦山在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)該類礦體的安全高效開采，取得了較為理想的經(jīng)濟(jì)效益，但現(xiàn)階段大部分礦山生產(chǎn)仍缺乏“協(xié)同性”考慮，即未能從含夾層或軟弱破碎帶等難采礦體的時(shí)空關(guān)系或者地壓協(xié)同管理角度進(jìn)行系統(tǒng)性研究，對(duì)采礦工藝進(jìn)行深度優(yōu)化。因此亟需創(chuàng)新軟破難采礦體安全高效協(xié)同性開采理論與方法，以更好地指導(dǎo)礦山生產(chǎn)作業(yè)。

1 含夾層或軟弱破碎帶難采礦體協(xié)同開采技術(shù)思路

2011年 12 月國內(nèi)學(xué)者陳慶發(fā)等［17-21］正式提出了“協(xié)同開采”理念，根據(jù)該理念，擬開采礦床可能存在影響有序開采的災(zāi)害因素（如空區(qū)、破碎帶、地下水、粉塵、瓦斯、高硫）或者想要實(shí)現(xiàn)其他工程目的，可采取合理的技術(shù)措施（如優(yōu)化采礦方法及工藝參數(shù)、災(zāi)害安全防控技術(shù)與措施等），實(shí)現(xiàn)資源開采與災(zāi)害防控協(xié)同高效處理，促進(jìn)礦產(chǎn)資源低損失貧化、安全高效、綠色生態(tài)綜合開發(fā)利用。任鳳玉等［22-23］、李海英［24］針對(duì)露天轉(zhuǎn)地下過渡期安全條件差、產(chǎn)量銜接困難等問題，提出了掛幫礦地下誘導(dǎo)冒落法開采、坑底礦露天延深開采的連續(xù)轉(zhuǎn)接過渡模式，提出了掛幫礦誘導(dǎo)冒落法開采理論與露天地下安全協(xié)同開采技術(shù)，改善了掛幫礦安全生產(chǎn)條件，提高了礦山露天轉(zhuǎn)地下過渡期的生產(chǎn)能力。聶興信等［25］針對(duì)地下急傾斜薄礦脈群，基于“協(xié)同開采”理念，設(shè)計(jì)了集群連續(xù)化充填協(xié)同開采方法，試驗(yàn)取得了良好效果。陳陽等［26］考慮到礦山使用崩落法和充填法協(xié)同開采，同時(shí)顧及到技術(shù)經(jīng)濟(jì)、采場穩(wěn)定性等因素，通過比較協(xié)同開采系統(tǒng)協(xié)同度的大小來優(yōu)選采礦方法。本研究認(rèn)為，“協(xié)同開采”就是基于系統(tǒng)思維，優(yōu)化彼此關(guān)系，實(shí)現(xiàn)資源開采、災(zāi)害防控及其他工程行為之間的合作、協(xié)調(diào)，促進(jìn)礦山開采系統(tǒng)輸出最佳的協(xié)同效應(yīng)。

針對(duì)含夾層或軟弱破碎帶等難采礦體的開采，一般采用兩類不同的采礦方法進(jìn)行適應(yīng)性開采，或者通過注漿預(yù)加固等方式固化礦體達(dá)到合一開采的目的。但大部分礦山受地質(zhì)特征、作業(yè)安全、采礦成本等因素制約，通常采用采易棄難的回采方式，造成了礦產(chǎn)資源的永久損失?；诖?，本研究提出了一種含夾層或者軟弱破碎帶難采礦體協(xié)同開采技術(shù)，即預(yù)先回采夾層或軟弱破碎帶，實(shí)現(xiàn)回采工序協(xié)同作業(yè)以及地壓協(xié)同管理，從源頭上消除安全隱患，為后續(xù)礦體開采創(chuàng)造安全的技術(shù)條件，突破復(fù)雜難采礦體傳統(tǒng)采礦設(shè)計(jì)思路的制約，最大化發(fā)揮協(xié)同開采的技術(shù)價(jià)值。以國內(nèi)某磷礦與某銅多金屬礦為例，圍繞含夾層或軟弱破碎帶難采礦體協(xié)同開采技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。

2 協(xié)同開采技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

2.1 某磷礦開采技術(shù)方案

2.1.1 開采技術(shù)條件

某磷礦是一個(gè)礦體邊界平整、厚度負(fù)變小、巖體相對(duì)穩(wěn)固的大型磷塊巖礦床，屬于急傾斜中厚至厚大礦體。礦體走向NE27°左右，總體傾向SE。礦段水文地質(zhì)條件中等偏簡單，巖溶發(fā)育較為微弱，以溶蝕裂隙充水為主，涌水量較少。

區(qū)內(nèi)礦層走向長約3 km，同時(shí)賦存a、b兩層礦。a層礦平均厚11.48 m，平均品位25.34%，堅(jiān)固性系數(shù)f=6～8。b層礦平均厚17.35 m，平均品位23.29%，堅(jiān)固性系數(shù)f=8～10。兩礦層之間賦存一穩(wěn)定夾層，主要由含磷白云巖、硅質(zhì)團(tuán)塊磷塊巖等組成，總厚1.38～5.25 m，平均厚2.59 m。區(qū)內(nèi)礦層頂板為含磷硅質(zhì)團(tuán)塊白云巖，礦層底板是含磷白云巖，堅(jiān)固性系數(shù)f=11～13，穩(wěn)固性較好。由于頂?shù)装鍑鷰r及夾層中含有MgO、CO2等雜質(zhì)，對(duì)P2O5選礦回收指標(biāo)有較大影響，因此礦石開采過程中需嚴(yán)格控制貧化指標(biāo)［27］。

2.1.2 協(xié)同開采技術(shù)思路

考慮到區(qū)內(nèi)礦體為兩層急傾斜中厚礦體，中間夾層厚度為1.38～5.25 m，平均厚2.59 m，基于系統(tǒng)工程思維和協(xié)同開采理念，通過夾層剔除與切割槽作業(yè)協(xié)同實(shí)施，以及a層礦與b層礦協(xié)同開采，有利于減少采切工程投入，提高開采效率，降低礦石貧化。具體思路為：①厚度L≤2 m 的夾層，與a、b層礦直接混采，夾層不剔除；②厚度2 m＜L≤4 m 的夾層，首先在夾層內(nèi)施工切割井，再利用布置在切割井附近的大直徑深孔進(jìn)行高分段爆破成槽，對(duì)夾層進(jìn)行預(yù)剔除，破頂層夾層混采；③厚度L＞4 m 的夾層，直接利用大直徑深孔進(jìn)行VCR 爆破成槽，對(duì)夾層進(jìn)行預(yù)剔除，破頂層夾層混采。

2.1.3 推薦的開采方案

根據(jù)國內(nèi)外類似礦體安全高效開采技術(shù)現(xiàn)狀，同時(shí)結(jié)合選礦工藝對(duì)礦石貧化指標(biāo)的要求，當(dāng)?shù)V體為急傾斜厚大礦體時(shí)，礦塊垂直于礦體走向布置，劃分礦房、礦柱二步驟回采，采場寬15 m，長度為礦體厚度（含夾層），階段高度為70 m。a、b層礦與夾層協(xié)同開采時(shí)，采用下行式大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，夾層預(yù)先剔除，可以滿足綠色礦山建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展要求。上部中段布置深孔鑿巖硐室，選用潛孔鑿巖臺(tái)車從鑿巖硐室底板向下鑿大直徑深孔至受礦硐室頂板。按照上述協(xié)同開采技術(shù)思路，在不增加工程的前提下，進(jìn)行夾層預(yù)剔除與切割槽作業(yè)同步實(shí)施，可有效降低采出礦石的貧化率，保證入選礦石品質(zhì)。切割槽形成后，a、b層礦采用倒梯段側(cè)向爆破協(xié)同回采，鏟運(yùn)機(jī)在下部受礦硐室集中裝礦。出礦完畢后，礦房采場用全尾砂膠結(jié)充填，礦柱采場用廢石或尾砂非膠結(jié)充填。開采方案如圖1 所示。上下中段采場回采結(jié)束后，此時(shí)底柱等被上下礦房充填體包裹，可考慮進(jìn)行底柱、三角柱等殘礦回收。底柱回收采用小分段空?qǐng)龇ㄋ煤蟪涮畈傻V方案，上向中深孔爆破落礦，鏟運(yùn)機(jī)出礦；三角柱主要采用進(jìn)路充填法回采。

2.1.4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為減少廢石混入采出礦石，該礦原計(jì)劃采用分采分運(yùn)的分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，千噸采切比為132.3 m3/kt，礦塊采準(zhǔn)切割作業(yè)時(shí)間長，且增加了礦塊采切工程費(fèi)用。采用a、b層礦與夾層混采的大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方案后，盡管可以有效增加礦塊生產(chǎn)能力，但是礦石貧化率高達(dá)10%（夾層混入率為12.5%），同時(shí)降低了P2O5選礦回收指標(biāo)。通過對(duì)原有開采方案進(jìn)行改進(jìn)，采用含夾層難采礦體協(xié)同開采技術(shù)方案，即夾層預(yù)剔除與切割槽作業(yè)協(xié)同實(shí)施，a層礦與b層礦協(xié)同開采。根據(jù)礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，千噸采切比降為88.2 m3/kt，礦石貧化率降為5%（夾層混入率為6.3%），計(jì)充填時(shí)間的礦塊綜合生產(chǎn)能力為410 t/d，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯優(yōu)于原方案。因MgO、CO2等雜質(zhì)混入量減少，從而間接提升了P2O5精礦品質(zhì)。

2.把好引種和繁殖關(guān)。一是在引進(jìn)種兔時(shí)，要做好引種計(jì)劃，應(yīng)到有種兔經(jīng)營許可證的正規(guī)種兔場引種，不可到疫區(qū)特別是患有兔球蟲病嚴(yán)重的或飼養(yǎng)管理?xiàng)l件較差的種兔場引種；選種時(shí)應(yīng)選擇外貌符合該品種特征，系譜檔案資料齊全，精神良好，行走姿勢正確，耳朵轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，被毛光潔，毛短齊密，無皮膚病等的種兔，種兔年齡應(yīng)選擇4～5月齡的青年兔。二是在配種繁殖時(shí)，要做好配種繁殖計(jì)劃，配種時(shí)間宜選在1～4月份、8～12月份等階段，氣溫較高時(shí)應(yīng)安排在早晨和夜間的8～10點(diǎn)，氣溫低時(shí)可在上午9～10點(diǎn)或在晚上7～9點(diǎn)，配種時(shí)期還應(yīng)避開高溫多雨季節(jié)；此外，配種前最好先對(duì)種兔的糞便進(jìn)行檢測，患有球蟲病的種兔不得用于配種繁殖。

2.2 某銅多金屬礦開采技術(shù)方案

2.2.1 開采技術(shù)條件

某銅多金屬礦床以矽卡巖型礦體為主，角巖型礦體為輔。矽卡巖型礦體特征表現(xiàn)為上陡下緩，較陡部分礦體為靠近地表的鉛鋅礦體，傾角為60°～70°；較緩部分礦體為深部隱伏銅鉬礦體，傾角≤20°。該礦一期工程范圍內(nèi)較陡的矽卡巖型鉛鋅礦體進(jìn)行露天開采；二期工程范圍內(nèi)較緩的深部矽卡巖型銅鉬礦體采用地下開采方式，劃分3 個(gè)標(biāo)段同時(shí)開采，目前已轉(zhuǎn)入地下大規(guī)模生產(chǎn)。

二期工程揭露表明：部分開采范圍存在節(jié)理裂隙、小溶洞和軟弱破碎氧化帶等構(gòu)造，破壞了礦體的完整性，現(xiàn)有的分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法無法滿足該軟弱破碎氧化帶的開采要求，因此，針對(duì)此種情況，本研究基于“協(xié)同開采”理念制定相應(yīng)的開采方案［28-30］。

2.2.2 協(xié)同開采技術(shù)思路

基于“協(xié)同開采”理念，本研究發(fā)展了一種軟弱破碎氧化帶礦體協(xié)同開采方法，即一步驟采場使用尾砂高強(qiáng)度膠結(jié)充填，通過一步驟采場進(jìn)路膠結(jié)充填與地壓協(xié)同管理，為二步驟采場深孔分段空?qǐng)鏊煤蟪涮铋_采提供安全的圍巖條件，使得原本不具備使用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的破碎礦體可以采用高效率采礦方法。該方法主要針對(duì)軟弱破碎氧化帶礦體回采，并可延伸回采氧化帶兩側(cè)的穩(wěn)固礦體，實(shí)現(xiàn)軟弱破碎氧化帶礦體安全高效回采，同時(shí)可選擇與氧化帶兩側(cè)的穩(wěn)固礦體進(jìn)行合采或分采，工程布置靈活性好。

沿破碎氧化帶礦體走向依次劃分盤區(qū)、盤區(qū)間柱，在每個(gè)盤區(qū)內(nèi)垂直走向依次劃分一步驟礦柱采場、二步驟礦房采場。其中一步驟礦柱采場水平方向由兩個(gè)并行進(jìn)路構(gòu)成，豎直方向的進(jìn)路數(shù)量由分段高度決定，采完即充，形成充填體置換條柱；盤區(qū)內(nèi)一步驟礦柱采場采充完畢之后，轉(zhuǎn)為二步驟礦房采場回采，由于采場兩側(cè)為一步驟尾砂膠結(jié)充填體，開采環(huán)境得到改善，因此二步驟礦房采場采用長錨索預(yù)加固的下向平行深孔嗣后充填的高效采礦方法，采場高度提高至一個(gè)分段高度，采場頂部施工鑿巖硐室，采場底部施工拉底硐室。在采場拉底的同時(shí)，采用全長注漿錨索對(duì)破碎礦體進(jìn)行全加固，施工鑿巖硐室時(shí)留點(diǎn)柱，與長錨索共同支撐鑿巖硐室頂板的安全。采用大孔徑下向深孔進(jìn)行拉槽、側(cè)崩，遙控鏟運(yùn)機(jī)出礦，尾砂非膠結(jié)充填。開采方案如圖2所示。

2.2.4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

該礦新建了40 000 t/d 選礦廠，為保障選礦廠充足供礦，礦山需要滿負(fù)荷生產(chǎn)，故目前主要開采Ⅰ標(biāo)段礦體和Ⅱ、Ⅲ標(biāo)段的穩(wěn)固礦體，破碎氧化帶礦體尚未正式開采。目前基于環(huán)境再造理念的破碎氧化帶礦體協(xié)同開采技術(shù)方案已得到礦山認(rèn)可，正在進(jìn)行回采工業(yè)試驗(yàn)。經(jīng)測算，破碎氧化帶礦體協(xié)同開采方案相比進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，損失貧化指標(biāo)會(huì)稍有增加，采場綜合生產(chǎn)能力將由65 t/d 提高至90 t/d，開采成本由230 元/t 降低至200 元/t。該協(xié)同開采技術(shù)方案有望突破傳統(tǒng)的、低效率的破碎礦體上向或下向進(jìn)路充填采礦法開采制約，為破碎難采礦體開采創(chuàng)造出一種新的協(xié)同開采技術(shù)方案。

綜上所述，針對(duì)軟弱破碎氧化帶礦體的地質(zhì)賦存特征，基于地壓協(xié)同或環(huán)境再造理念，提出了軟弱破碎氧化帶礦體協(xié)同開采方法，即一步驟采場使用進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填開采，為二步驟采場分段空?qǐng)鏊煤蟪涮铋_采提供安全的圍巖條件，使得原本不具備使用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的破碎礦體可以采用高效率采礦方法，可有效解決軟弱破碎氧化帶礦體的安全高效開采難題。

3 結(jié) 論

（1）針對(duì)廣泛存在的含夾層或者軟弱破碎帶礦體的開采難題，提出了一種含夾層或軟弱破碎帶難采礦體協(xié)同開采技術(shù)，即預(yù)先回采夾層或軟弱破碎帶，實(shí)現(xiàn)回采工序協(xié)同作業(yè)以及地壓協(xié)同管理，為后續(xù)礦體開采創(chuàng)造安全的技術(shù)條件，突破了傳統(tǒng)的、低效率的難采礦體采礦方法制約，最大化發(fā)揮了協(xié)同開采的技術(shù)價(jià)值。

（2）以國內(nèi)某磷礦與某銅多金屬礦為例，系統(tǒng)闡述了含夾層、軟弱破碎氧化帶難采礦體協(xié)同開采的技術(shù)思路，以夾層剔除與切割槽作業(yè)協(xié)同實(shí)施為核心，制定了礦體內(nèi)含不同厚度夾層與上下盤礦體的協(xié)同開采方案；同時(shí)發(fā)展了一種軟弱破碎氧化帶礦體協(xié)同開采方法，為軟弱破碎氧化帶難采礦體開采提供了切實(shí)可行的方案?；夭晒I(yè)試驗(yàn)表明，減少了采切工程量，降低了礦石貧化指標(biāo)，滿足了綠色礦山建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展的要求。

（3）未來將圍繞協(xié)同開采理論與工藝技術(shù)、深井開采應(yīng)力協(xié)同基礎(chǔ)理論、復(fù)雜難采礦體協(xié)同開采技術(shù)等方面，進(jìn)一步豐富與提升協(xié)同開采的理論體系和實(shí)踐價(jià)值，促進(jìn)采礦工藝的變革與創(chuàng)新。

致 謝

本研究在現(xiàn)場調(diào)研及實(shí)施過程中，得到了甕福（集團(tuán)）有限責(zé)任公司甄云軍、楊勝波和西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司陳國良等同志的支持，在此一并表示感謝！