陈 勃

(陕西华源矿业有限责任公司，陕西 商南 726300)

0 引 言

根据矿体开采技术条件，矿区工程地质条件、环境地质条件、水文地质条件，可供金属矿山选择的主要有空场采矿方法、充填采矿方法和崩落采矿方法[1]。当围岩稳固时，首先选择空场采矿法进行开采，如刘建龙等[2-3]等研究缓倾斜薄矿脉的开采技术条件，提出采用脉内布置运输巷道的全面采矿法、倾斜分条全面采矿法。如果矿体稳固性极差、地表不允许塌陷时，首选充填采矿方法，如张永利等[4-5]研究了获各琦铜矿、李楼铁矿的开采技术条件，分别提出了上向水平分层充填采矿法、分段凿岩阶段嗣后充填采矿法。根据地表允许塌陷和矿岩不稳固的开采条件，可采用崩落法，如谭宝会等[6-7]提出采用无底柱分段崩落采矿法、伪倾斜壁式崩落采矿法。总结近30年来国内外地下矿山采用崩落法开采的生产实践，崩落法开采中的分层崩落采矿方法所占比重有减小的趋势[1]，主要原因在于该方法采用浅孔崩落矿石，一次爆破崩落的矿量小，爆破震动波会对未爆破的矿石、岩体产生振动破坏，爆破会产生爆破冲击波、爆破飞石和有毒有害气体等有害效应；且一般利用木支柱进行回采进路和回采分层巷道的支护，木支护需要消耗的坑木数量多；人工劳动强度大，劳动效率低，机械化程度低，生产能力小。

鉴于传统的分层崩落法的以上缺点，以高度机械化及液压支柱使用为主要特征的综合机械化落矿的分层崩落采矿法近些年来应用比重越来越大，成为了现阶段较有发展潜力的分层崩落法。本文提出的方法通过研究煤矿中使用成熟、效率高、机械化程度高、可实现综合化、连续化作业的综合机械化掘进机，配合单体液压支柱加π型梁支护技术及设备，将采煤的先进设备引用到松软破碎的非煤矿山地下开采中，将矿体松软破碎的缺点转化为可以实现低成本、高效率机械化采矿的优点，同时将爆破落矿工艺改进为机械化落矿工艺，避免了爆破有害效应，进一步保障了采矿作业安全，并且通过使用可回收的单体液压支柱、支护能力更强的π型钢梁和金属网取代了木支护，避免了坑木资源的过度消耗，提高了采矿作业安全系数，极大改善回采工作面作业条件。成为了可以在非煤矿山地下开采中得到大力推广的一种新型崩落采矿方法。

1 矿体开采条件

陕西华源矿业有限责任公司千家坪钒矿一期开采矿段西起撞子沟西沟脑，东到亮子沟东沟东坡，矿体分布于撞子沟西沟—亮子沟之间。矿体呈层状，倾向北，倾角65°～86°，平均倾角∠71°。开采矿脉东西长2 400 m，厚度(水平)1.30～28.76 m，平均12.70 m，平均品位V2O51.04%[9-10]。

矿体底板岩石为中-薄层含炭灰岩夹泥岩或黄褐色泥岩组成，直接围岩为炭质灰岩，V2O50.27%，体重：2.5 t/m3；松散系数：1.5；抗压强度：干燥(Rd)：80.03 MPa；饱和(Rw)：50.30 MPa。顶板岩石由白云岩、(钙屑)砂岩、薄层炭硅质岩组成，直接围岩为白云岩，V2O50.34%，体重：2.7～2.9 t/m3；松散系数：1.5～1.7；抗压强度：干燥(Rd)：74.05 MPa；饱和(Rw)：68.56 MPa。矿石类型主要为炭硅质板岩与泥岩互层型，次为泥质岩；松散系数：1.3～1.4；安息角：60°～70°；抗压强度：40～60 MPa；矿石体重：2.27 t/m3[9-10]。

2 矿体开采存在的主要问题

陕西华源矿业有限责任公司千家坪钒矿储量大(探明V2O5储量90万t)，为典型的石煤型钒矿，建有日处理原矿2 000 t规模的采、选、冶生产线，从事石煤型钒矿开发近十年时间，在采矿方面先后采用水平扇形深孔阶段矿房法及分段空场法，分段崩落法，但目前仍存在许多问题，主要有：

(1)采矿回采率低(约25%～75%)、贫化率高(约10%～25%)，不能充分利用矿产资源，造成大量资源被浪费。矿山生产结果表明：阶段矿房法回采时，矿石回采率仅25%～45%；采用分段空场法和分段崩落法回采时，矿石回采率也只有30%～75%，采矿贫化率大多在10%～25%。

(2)采空区管理难度大，风险高。空场采矿方法所形成的采空区地压显现明显，时常产生较大冒落，采、掘作业安全风险较高。

(3)工程施工难度大，安全性差。由于矿、岩稳固性均差，近矿体工程和凿岩巷道稳定性差，作业安全风险高，片帮冒顶时有发生，凿岩巷道也常常发生塌方冒顶现象，甚至因垮塌而无法凿岩。

(4)回采难度大。矿体以泥质成分为主，已完工的中深孔变形、缩孔、塌孔、堵孔现象普遍存在；矿体松软裂隙发育，可爆性差，每吨矿石的炸药消耗量超过0.8 kg,部分采场甚至超过1.2 kg；崩落矿石由于含泥量大而固结、板结于采场中无法运出。

(5)采矿方法机械化程度低、工人劳动强度大、生产效率低、生产不连续。

3 采矿方法研究

3.1 采矿方法选择原则

(1)提高开采的安全性；

(2)提高作业机械化程度，降低工人劳动强度；

(3)降低贫化率、损失率，提高出矿品位；

(4)矿块生产能力大，劳动生产率高。

3.2 采矿方法选择依据

分层崩落采矿法将矿体划分为矿块，自上而下分层进行回采。分层回采时随着回采工作的推进，在分层回采进路底板上铺设金属网假底，然后进行移柱放顶，把上部假底及覆盖围岩层放下，使其充满采空区，作为下一分层回采时的假顶[8]。分层崩落法能适用于矿石松软破碎，矿体顶部覆盖岩石或上盘围岩稳固性差，易于自然崩落，地表允许崩落的开采技术条件[1]，与我矿开采条件相匹配。分层崩落法的回采是在人工假顶的保护下进行，分层回采巷道暴露面积较小，回采较为安全；人工假顶可以将矿石与崩落围岩隔开，可以有效降低损失率和贫化率，最大限度的回收有限资源[11]。

综合机械化下向分层崩落采矿法配套使用单体液压支柱和金属网假顶，可以将普通分层崩落采矿方法的炮采炮掘工艺改为机械化落矿工艺，将木支护更换为支护效率高且可重复利用的单体液压支柱和金属网假顶，解决了普通分层崩落采矿法坑木消耗大、生产能力低、劳动生产率低、机械化程度低、劳动强度大、产量小等缺点，顺应了分层崩落采矿法发展方向，实现了机械化换人，自动化减人的科技强安目标。根据千家坪钒矿开采技术条件和研究分析，本次试验选择综合机械化下向分层崩落法进行回采。

3.3 综合机械化下向分层崩落采矿法

3.3.1 盘区结构参数

盘区沿矿体走向布置，盘区长200 m，宽度为矿体的厚度(矿体平均厚度为12.7 m)，中段高度为50 m，分层高度4 m，分层回采巷道高3 m，上下两分层间留1 m护顶矿石，上下两中段之间不留顶底柱，两相邻矿块中间留5 m间柱，防止围岩混入相邻采场详见图1。

图1 综合机械化下向分层崩落采矿法示意图

3.3.2 采准切割工程布置

如图1所示，在盘区中央距矿体下盘边界10～15 m，从下中段运输巷道向上中段运输巷之间掘进矿体下盘脉外斜坡道及斜溜矿井，从上中段向下自首分层起，自上而下每4 m划分一个回采分层，分层与分层之间以及分层与中段之间采用斜坡道联通，斜坡道坡度15%，为了减少采准工程量，溜矿井倾角与矿体倾角相同(取71°)，溜矿井与分层之间采用溜井联络道联通。斜坡道用作通风、行人、材料运输、设备通行等，溜矿井及溜矿井联络道用作矿石运输。分层回采巷道布置在矿体内靠近矿体下盘位置，由盘区中央掘进到盘区两翼边界，分层回采巷道掘进采用掘进机施工，断面3 m×3 m，分层回采巷道综合机械化掘进机进刀方式见图2。

图2 分层回采巷道掘进方式图

3.3.3 回采工艺

3.3.3.1 盘区设备配置

试验盘区主要配备的设备有：EBZ120型掘进机1台(见图3)，外注式单体液压支柱300根(见图4)，3 m长π型钢梁300根，BRW40/20乳化泵站1套。

图3 配有临时支护支架的EBZ120型掘进机

图4 外注式单体液压支柱

3.3.3.2 落 矿

悬臂式综合掘进机是集切割、装载、运输、于一身的掘进装备，掘进机通过截割头将矿体从巷道掌子面截割下来完成落矿工作[8]，如图1所示，在矿体内顺矿体下盘边界沿矿体走向用EBZ120型掘进机掘进分层回采巷道达盘区两侧间柱边界，从回采间柱边界在分层回采巷道内与矿体走向成20°～50°夹角(可根据矿体厚度变化及稳定性确定分层回采进路与分层回采巷道的夹角)掘进回采进路到矿体上盘边界依次后退到采场中央完成本层矿体落矿工作，采取“采1留1放1”的放顶管理模式组织放顶，分层回采巷道与分层回采进路宽、高均为3 m，留1 m护顶矿石以便减少矿石贫化和回采过程中的施工误差[11]。

3.3.3.3 出 矿

出矿作业是在单体液压支柱的支护巷道内进行，作业条件相对较安全。掘进机不仅是落矿设备还是装矿运输设备，截割头将截割下来的矿体经掘进机自身的装载运输功能装载到紧跟掘进机的可伸缩皮带上，经皮带通过分层回采巷道、溜井联络道运输至采场溜矿井完成盘区回采分层出矿工作[8]。

3.3.3.4 顶板管理

顶板管理包括回采工作面支护、假顶铺设和放顶。

(1)回采工作面支护。

如图2所示，分层回采巷道、回采进路采用外注式单体液压支柱配合π型钢梁进行支护，支护高度、宽度均为3 m，两架支柱之间的间距为1 m，支架上方相邻支架之间空顶位置铺设连续金属网，防止两架支架之间的矿石冒落。对矿体破碎、矿岩压力集中或随着开采深度的增加地压较大时可以采取加密支架间距的方式来应对。

(2)假顶铺设

人工假顶由两层金属网(隔绝废石)、预留护顶矿石和覆岩层组成。金属网为14号铁丝编织而成，网孔为30～40 mm，金属网长根据矿体厚度由回采进路长度确定，宽度为回采进路宽度3 m。回采进路矿石出干净后开始在回采进路底板铺设金属网假底，两相邻进路间金属网用12号铁丝编接成一整体，随着移柱放顶与液压支柱上方的金属网合为一组，共同组成两层金属网的人工假底，作为下一分层回采的人工假顶。金属网人工假顶可以使回采工作面顶板有一定的暴露面积，以保证回采工作的安全，有效隔离废石，防止矿石贫化。预留护顶矿石厚度为1 m，可以防止覆盖围岩进入采矿空场，能有效防止矿石贫化。覆岩是位于护顶矿石之上的自然崩落围岩，首分层回采时如果上盘围岩未发生自然冒落，可采用深孔强制崩落采空区围岩形成8～10 m的覆盖围岩。

(3)放 顶

采用回柱放顶方式进行放顶组织，放顶前保证所有已采完的进路底板或放顶区底板都必须铺上金属网假底。将与正在回采的进路间隔一条进路空间的进路内的单体液压支柱泄压后用移柱绞车由远至近拆除假顶下的单体液压支柱和π型钢梁，使假顶依次缓慢地均匀陷落，对于局部无法自然崩落的护顶矿石，在支架支护下安全地点用YT-28风钻进行打眼爆破、强制崩落护顶矿石以免形成空洞。保证正在回采的进路与已完成放顶的区域之间留一条进路的空间，防止空顶空间范围过大，同时防止放落的废石混入正在回采的进路内，实现“采1留1放1” 顶板管理模式[8]。

3.3.4 采场通风

回采工作面的通风方式为独头式通风，需要在分层平巷下方的斜坡道内新鲜风流侧架设11 kw轴流式矿用通风机辅以阻燃风筒，将新鲜风流压入回采工作面，冲洗工作面后污风经分层回采巷道、斜坡道，经上中段回风平巷经主风机排出地表。具体风流线路是：下中段运输平巷—斜坡道—11kw矿用轴流式风机—风筒—分层回采巷道—回采进路—分层回采巷道—斜坡道—上中段运输平巷—回风井—主风机—地表。

3.4 主要技术经济指标及成本概算

3.4.1 投资概算

根据机械化下向分层崩落采矿方法使用的主要设备，概算采矿方法投资，见表1。

表1 主要设备投资概算表

3.4.2 采矿成本概算

本次成本概算中主要对设备折旧、人工成本、截齿消耗、配件消耗、电量消耗费用进行概算，不包括随地质条件变化而变化的支护材料和支护人工成本。

3.4.2.1 设备折旧费

主要设备投资见表1，根据企业税法相关条例，按设备使用年限为5年，残值率为10%，则设备的折旧费见表2。

表2 设备折旧费

3.4.2.2 截齿和其他配件消耗

根据岩石硬度系数和工程经验，本方案中回采进路每m3截齿消耗0.02把；截齿月消耗费用为9×500×0.02×500=4.5万元。

油脂接头等其他配件按每月2万元计算。

3.4.2.3 人员工资

采用三班工作制，其中一个生产班人员配备：掘进机司机1人，辅助司机1人。一个检修班配备：电工1人，检修工1人。共计8人(不含支护工及运输维护工)，人员工资按照每月6 000元计算。考虑人员轮休，取系数1.2，则月人工费为5.8万元。

3.4.2.4 电量消耗费用

(1)掘进机功率190 kW+二运皮带电机11 kW=201 kW，每天工作时间20 h，全负荷运作系数0.6，每度电0.7元。

1×201 kW×20 h×0.6=2 412 kW·h;

(2)风机电机2×11 kW，每天工作时间24 h。

2×11 kW×24 h=528 kW·h;

总电量消耗费用=5.1万元/月。

3.4.2.5 采矿直接成本概算

进路回采直接成本估算结果见表3。月成本费用共计19.97万元，回采进路月进尺500 m，矿石体重2.27 t/m3，月采矿石量1.02万t，折合吨矿成本26.58元/t。

表 3 采矿月成本估算

根据实验方案采准工程布置方式概算主要技术经济指标，见表4。

表4 主要技术经济指标表

4 经济效果分析

从国内外应用分层崩落采矿法的矿山生产实践看，由于矿体条件和应用采矿方案不同，使用的主要回采工艺和设备及劳动组织各有差异，该采矿方法的技术经济指标变化很大，详见表5。

由表5可以看出，普通分层崩落采矿方法的矿块生产能力为28～60 t/d，采准比为19～35 m/kt，坑木消耗为8～45 m3/kt，矿石损失率为5%～24.4%，矿石贫化率为3%～17.5%，采矿工劳动生产率为1.6～4.88 t/工班。综合机械化落矿的分层崩落采矿方法矿块生产能力可以达到400 t/d，采准比可以降到7.3 m/kt，采矿工劳动生产率为25.5 t/工班。大大提高了矿块生产能力和采矿工工班工作效率，使得采矿作业实现了机械化和规模化，避免了坑木消耗，减少了爆破有害效应，使得采矿方法朝着绿色、环保、高效的方向发展。

表5 我国应用分层崩落法矿山的技术经济指标

5 结 语

通过对机械化下向分层崩落采矿法系统综合研究，提出了一种适用于矿岩松软、破碎开采技术条件的机械化落矿下向分层崩落采矿方法。该方法大幅度地提高了金属、非金属地下矿山机械化程度和生产效率，降低了采矿成本和贫化率，提高了回采率，最大限度地回收有限资源，降低了安全风险。机械化下向分层崩落采矿法的应用将为分层崩落法开辟一种新模式和新思路，同时也为松软破碎矿床的开采提供参考和借鉴。