近地表礦體地下組合式連續(xù)開采技術(shù)研究

1、基金：國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFE0123000）收稿日期：作者簡介：董凱程(1985-)，男，高級工程師，碩士，采礦工程專業(yè)，主要從事采礦研究及設(shè)計工作。近地表礦體地下組合式連續(xù)開采技術(shù)研究董凱程1,2，陳何1,2(1. 礦冶科技集團有限公司，北京100160；2. 國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628)摘要：為探索近地表礦體地下開采技術(shù)，實現(xiàn)礦體的快速、高效開采。以烏蘭礦近地表礦體為研究對象，分析了不同開采方式對礦山生產(chǎn)的影響，根據(jù)境外投資礦山開采技術(shù)條件，優(yōu)化選取合理的開采順序并對上部區(qū)域開采方法進行優(yōu)化分析，進一步減少礦柱留設(shè)的礦量。根據(jù)研究成果，采用傳統(tǒng)的自

2、上而下或自下而上的開采順序，不能夠完全滿足境外投資礦山開采的生產(chǎn)需求，需要對兩種開采開采順序進一步的優(yōu)化組合，達到快速投產(chǎn)、環(huán)境保護等目的。研究表明：采用兩種開采順序相結(jié)合、開采區(qū)域間留設(shè)水平礦柱的開采順序，能夠滿足礦山快速投產(chǎn)及資金回籠的要求；組合連續(xù)開采技術(shù)充分利用兩種開采順序的優(yōu)勢，適用于近地表礦體的地下開采，可提高縮短建礦周期、礦體回采率。關(guān)鍵詞：近地表礦體；連續(xù)開采；開采順序；礦柱留設(shè)中圖分類號：TD852 文獻標識碼：AResearch on underground combination of continuous mining technology of near-surfac

3、e orebodiesDONG Kai-cheng1,2 ，CHEN He1,2 (1. Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy Technology Group Co., Ltd.，Beijing 100160, China；2. National Centre for International Research on Green Metal Mining, Beijing 102628, China)Abstract: In order to research near surfac orebody unde

4、rground mining technology,and achieve the orebody fast and efficient mining.Taking the Wulan Mine near-surface ore body as the research object, analyze the influence of different mining methods on the mine production. According to the mining and technical conditions of overseas investment mine, rese

5、arch and optimize the reasonable mining sequence and the mining method of the upper area, reduce the ore left by the pillar furtherly.According to the research results, the traditional top-down or bottom-up mining sequence can not fully meet the production needs of overseas invested mine, and it is

6、necessary to furtherly optimize the combination of the two mining sequences, achieve the purpose of fast production and environmental protection.The results show that the mining sequence combining the two mining sequences，leaving horizontal pillars between mining areas can realize rapid production a

7、nd capital recovery.The combined continuous mining technology makes full use of the advantages of the two mining sequences and is suitable for near-surface orebodies underground mining, which can shorten the construction period and high the ore recovery rate.Keywords: near-surface ore bodies; contin

8、uous mining; mining sequence; pillar reserved0引言礦業(yè)是國民經(jīng)濟其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，由于礦業(yè)資源分布的不均勻性以及中國對礦產(chǎn)資源的需求較大，造成中國礦資源相對缺乏，對海外資源的需求量較大?！耙粠б宦贰毖鼐€國家礦業(yè)資源的豐富，但一些國家缺少開發(fā)資金和開發(fā)礦業(yè)方面的技術(shù)人才，以及礦業(yè)開發(fā)需要的先進技術(shù)裝備。中國政府近年來大力支持中資企業(yè)海外投資，并為海外礦產(chǎn)資源投資開發(fā)創(chuàng)造了積極的政策環(huán)境。積極倡導(dǎo)我國企業(yè)在互惠互利的市場經(jīng)濟條件下，充分利用和整合我國的資金、人才、技術(shù)、裝備等優(yōu)勢開發(fā)國外礦產(chǎn)資源，是保障社會經(jīng)濟發(fā)展對礦產(chǎn)資源的剛性需求、維護國家戰(zhàn)略資

9、源安全的重要途徑1-3。我國企業(yè)開發(fā)的國外礦產(chǎn)資源，主要為勘探程度較低、品位低或停產(chǎn)待開采資源。受國外資源開發(fā)存在的資源賦存不確定性及高風(fēng)險性影響，開發(fā)過程中要堅持“投資小、見效快”的原則，同時采用更為先進高效的采礦技術(shù)及裝備，快速高效回采礦產(chǎn)資源提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。盡快回收投資的前提下，保障礦山的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。新鑫有限責(zé)任公司烏蘭鉛鋅礦位于蒙古國東方省，為一淺埋深的低品位鉛鋅礦，是我國“一帶一路”沿線國家礦產(chǎn)資源開發(fā)的示范性礦山。礦山位于生態(tài)脆弱的草原腹地，且主礦體旁邊有受當(dāng)?shù)乇Ｗo的礦種，因此需要在受限的條件采用地下開采方式。受蒙古國國內(nèi)政治經(jīng)濟形勢的影響，該公司亟需快速投入生產(chǎn)、回籠資金

10、，同時實現(xiàn)礦山資源可持續(xù)穩(wěn)定開采。1礦區(qū)開采技術(shù)條件烏蘭礦礦區(qū)范圍內(nèi)共劃分出9個礦體，分別編號為1、2、5、5a、6、9、9a、10、12號。其中，2號礦體產(chǎn)在斷裂帶，其余8個礦體均產(chǎn)在巖枝中。1號礦體呈柱狀產(chǎn)出，余者皆呈脈狀產(chǎn)出。在礦石工業(yè)儲量中，以1號、9號所占比例大，5號礦體次之。礦體厚度150m左右，平均厚度約30m，礦體傾角6580。礦區(qū)礦體距離地表約510m，為典型的近地表礦體。礦區(qū)巖石以角礫巖和流紋巖為主，礦巖強度較高，礦區(qū)巖石巖體質(zhì)量及穩(wěn)固性較好，對礦體開采創(chuàng)造較為有利的條件。礦區(qū)位于蒙古國草原地區(qū)，生態(tài)保護要求較高。礦區(qū)周邊存在當(dāng)?shù)乇Ｗo礦種，需要嚴格控制礦區(qū)開采范圍。礦體雖然

11、距離地表較近，但難以采用露天開采的方式進行開發(fā)利用。由于礦區(qū)位于境外，礦山前期投資規(guī)模較大。受多變的政治和投資環(huán)境影響，礦山需要盡快的投入生產(chǎn)，產(chǎn)生經(jīng)濟效益回籠資金。相對國內(nèi)或政治環(huán)境穩(wěn)定的國家礦產(chǎn)開發(fā)，需要以研究采用最快捷和高效的開采方案，同時能夠最大程度的保障資源開發(fā)過程中環(huán)境不被破壞。烏蘭礦的開采技術(shù)條件在海外礦山具有一定的代表性。表1 巖石物理力學(xué)數(shù)據(jù)表Table 1 Rock physical mechanics data 巖石種類抗拉強度(MPa)單軸抗壓強度(MPa)飽水抗壓強(MPa)彈性模量(GPa)泊松比()粘聚力(MPa)內(nèi)摩擦角()1號角礫巖8.7191.7875.26

12、37.790.3419.0852.04流紋巖15.75151.93124.5945.510.2733.4845.879號角礫巖9.5266.6354.6431.470.3214.0553.572開采順序方案2.1 開采順序分析地下金屬礦開采順序一般分為階段上行式開采及階段下行式開采。階段下行式開采順序是指階段總體向下開采，先采最上部中段的礦體，然后逐階段地往下開采，中間段預(yù)留水平礦柱；階段上行式開采順序與其相反，階段總體向上開采，首先開采最下部階段的礦體，然后逐階段往上開采，中段間不預(yù)留水平礦柱4-5。大部分礦山為了縮短礦山基建周期，采用階段下行式開采順序。而采用階段上行式開采時，一次開拓到礦

13、體最深的經(jīng)濟可采深度，自最下部中段開始采礦，同時其上部的中段進行開拓和采準作業(yè)，上部階段生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢石，可以充填下部的采空區(qū)，形成高強度的充填體，盡可能的實現(xiàn)廢石不出坑。同時，中段間不再留設(shè)水平礦柱減少殘礦回采量，上下鑿巖及出礦結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)共用，大幅減少了采準工程量，縮短了采場準備周期。但其缺點是礦山基建周期較長，礦山一次性基建投入較大。2.2 開采順序?qū)Ρ葍煞N開采順序各有優(yōu)缺點，在國內(nèi)礦山應(yīng)用的也相對較多。近年來，科研機構(gòu)及設(shè)計院針對階段上行式和階段下行式開采順序進行了較多的研究及應(yīng)用。從礦山前期建設(shè)投入來說，階段下行式開采順序方案最先開采上部中段礦體，其前期資金投入較少，礦山能夠較快的見

14、礦投產(chǎn)。但采用階段下行式開采，中段間預(yù)留的水平礦柱資源較多，后期需要進行殘礦回采。階段上行式開采是自最下部中段向上開采，具有自下而上的無礦柱連續(xù)開采、開采過程應(yīng)力轉(zhuǎn)移及無廢開采等技術(shù)優(yōu)點，上下中段的開拓采準工程可以實現(xiàn)共用。其最大的缺點時開拓工程等需要一次性施工至最底部中段，下部中段采充結(jié)束后再開采其上部中段，前期基建周期較長、資金投入較大，因此主要適用于資金投入較大、資源環(huán)境開采條件較好的礦山。 (a)階段下行式開采 (b)階段上行式開采圖1 開采順序示意圖Fig.1 Mining sequence diagram從生產(chǎn)技術(shù)角度，階段上行式開采優(yōu)點較多，在資金投入有保障、外部環(huán)境穩(wěn)定的情況下

15、優(yōu)先采用。國內(nèi)沙溪銅礦、安慶銅礦等礦山均采用階段上行式的開采順序。國內(nèi)研究成果及礦山的工程應(yīng)用表明：采用階段上行式開采順序在綜合效益和環(huán)境保護方面具有顯著的優(yōu)越性5-7。3. 組合連續(xù)開采方案對于海外開發(fā)的礦山來說，既需要大幅縮短礦山基建周期，同時盡可能的利用階段上行式開采順序的技術(shù)優(yōu)勢，減少中段間礦柱留設(shè)，上下中段間采準工程實現(xiàn)公用，從而提高礦山開采能力及回采率。因此針對境外近地表礦體開采條件，在國內(nèi)外傳統(tǒng)開采順序研究成果的基礎(chǔ)上，研究近地表礦體地下組合連續(xù)開采技術(shù)。通過前期的研究分析認為，烏蘭礦礦巖穩(wěn)固，上部中段具備多中段連續(xù)空場嗣后充填開采的條件8。也就是說，烏蘭礦上部中段具備階段下行式

16、開采的基本巖石力學(xué)條件，礦體開采后形成的高階段采空區(qū)能夠滿足自立性要求。另外，階段上行式開采能夠?qū)崿F(xiàn)無礦柱自下而上的連續(xù)開采，減少采準工程量及殘礦回采量。同時，階段上行式和階段下行式開采的相互結(jié)合，能夠結(jié)合兩種開采方式的優(yōu)勢，滿足快速投產(chǎn)的技術(shù)需求，同時上下部開采區(qū)域投產(chǎn)后能夠達到最大的產(chǎn)能規(guī)模。2.1 組合連續(xù)開采順序無礦柱連續(xù)開采方法一方面利用高強度尾砂膠結(jié)充填體替代原巖礦柱，也可以通過合理的采場開采順序布局優(yōu)化，實現(xiàn)開采方向上的無礦柱開采。同時，開采順序方案利用高強度的集約強化開采方法，提高各中段及采場的生產(chǎn)效率，保障采場回采安全，縮短了回采周期，是一種近地表全礦體連續(xù)開采提供一種新技術(shù)

17、。階段下行式開采可以大幅縮減基建周期，根據(jù)礦巖物理力學(xué)性質(zhì)及穩(wěn)固性情況，上部中段選取合理的階段高度及采礦方法。下部開采區(qū)域，采取階段上行式開采順序，可以不留設(shè)中段間水平礦柱。對于境外開采礦山來說，既要滿足投產(chǎn)見效快，又要充分利用上行式開采的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)礦體的連續(xù)開采。圖2 組合連續(xù)開采順序示意圖Fig.2 Combination continuous mining sequence diagram組合連續(xù)開采順序是將礦體自上而下劃分為兩個區(qū)域，上部采用階段下行式開采順序，自最上部中段連續(xù)向下開采，每個中段均留設(shè)水平礦柱。下部采用階段上行式開采順序，自最下部中段連續(xù)向上開采，中段間不留設(shè)水平礦

18、柱。上部開采建成投產(chǎn)后，進行采礦的同時開展下部的開拓工程建設(shè)，最終實現(xiàn)上下部區(qū)域的協(xié)同開采。通過兩種開采順序的優(yōu)化組合，形成上下部不同的開采區(qū)域，上下部開采最終到達于上下部區(qū)域間的水平礦柱，該部分資源在礦山末期作為殘礦開采。對于一些礦巖穩(wěn)固性較好的礦山，上部開采區(qū)域可以采取高階段的空場嗣后充填采礦方法，可以避免階段下行式開采中段間水平礦柱的留設(shè)，同時大幅提高生產(chǎn)能力，加快礦石產(chǎn)量及資金回籠速度。2.2 高端壁空場嗣后充填開采技術(shù)對于傳統(tǒng)的階段下行式開采方式，中段間留設(shè)的水平礦柱是在采場回采結(jié)束后單獨進行開采。因此，采用組合連續(xù)開采順序進行開采時，上部開采區(qū)域采用階段下行式開采，中段間必須預(yù)留大

19、量的水平隔離礦柱。水平礦柱作為殘礦后期開采時，開采的效率較低、成本較高，且存在較大的安全風(fēng)險，該部分水平礦柱資源最好與主采場同步開采、同步充填。對于近地表穩(wěn)固厚大礦體，充分利用其巖石穩(wěn)固性特點，研究提出高端壁空場嗣后充填采礦方法，實現(xiàn)上部開采區(qū)域多中段無礦柱隔離的連續(xù)階段下行式開采。圖3 高端壁空場嗣后充填開采示意圖Fig.3 Schematic diagram of high stage open stoping subsequent filling mining technology該方法充分借鑒國內(nèi)地下礦山高階段開采的成功經(jīng)驗，利用礦巖自身的穩(wěn)固性，近地表的上部兩中段采用礦體全斷面高端壁

20、空場嗣后充填采礦法。采礦結(jié)束后對采空區(qū)進行一次集中充填，可有效減少膠結(jié)充填量9-11。首先開采距離地表較近的最上部中段，為保障井下生產(chǎn)不受冬季嚴寒的影響，因此上部中段預(yù)留護頂?shù)V柱及支撐礦柱。沿礦體走向方向布置一個大型采場，上部中段高度約4550m，分段高度15m。采用中深孔鑿巖，后退式落礦。上部中段和下部中段預(yù)留15m隔離礦柱，上部中段開采時，下部中段進行鑿巖，實現(xiàn)上下部中段開采的協(xié)同進行。上部中段主采場回采結(jié)束后，崩落上部中段預(yù)留的護頂?shù)V柱及支撐礦柱，使得上部中段采礦范圍的采空區(qū)貫通地表，崩落礦石出礦完成后，回采上部中段預(yù)留的桃形礦柱。上部中段桃形礦柱回采結(jié)束后，利用中深孔后退式回采下部中段

21、，下部中段回采結(jié)束后與上部中段采空區(qū)聯(lián)成一體，形成約多中段的高端壁采空區(qū)，充填系統(tǒng)形成后對采空區(qū)進行充填。從而實現(xiàn)近地表礦體上部區(qū)域無礦柱的連續(xù)高效開采。4、工程實踐4.1 開采規(guī)劃烏蘭礦位于蒙古國東方省草原地帶，為典型的近地表厚大礦體。其中1#、9#礦體為主礦體，其與地表的距離大概510m。受當(dāng)?shù)卣谓?jīng)濟政策的影響，需要對該礦體進行快速的地下開采。針對前期研究成果，烏蘭礦采用地下組合式連續(xù)開采方案，將上部兩個中段劃分為上部采區(qū)，下部三個中段劃分為下部采區(qū)。上部中段采用階段下行式開采，由于礦巖穩(wěn)固采用高端壁空場嗣后充填開采技術(shù)，上部兩個中段形成高端壁采空區(qū)后集中充填。下部中段采用階段上行式開采

22、，中段間不預(yù)留水平礦柱。上下部開采區(qū)域間預(yù)留15m隔離礦柱。圖4 烏蘭礦開采規(guī)劃方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of mining planning scheme of Wulan Mine如圖4所示，烏蘭礦自地表最最低開采中段大約310m，自上而下共劃分為5個中段，中段高度為60m。其中上部開采區(qū)域包含兩個中段，下部開采區(qū)域包含三個中段。930945m預(yù)留水平隔離礦柱，作為上下開采區(qū)域的隔離帶。上部區(qū)域開采時，采用設(shè)備要求較低的中深孔空場嗣后充填開采，有利于快速投產(chǎn)，且有助于精細化的回采礦柱及頂板自然崩落。下部區(qū)域采用效率較高的大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法。4.

23、2殘礦及礦柱回采殘礦及礦柱的回采，一方面是盡可能的回采殘礦資源，同時通過殘礦及礦柱的回采處理采空區(qū)安全隱患，為后續(xù)安全生產(chǎn)提供保障。烏蘭鉛鋅礦上部區(qū)域開采過程中，為保障前期的生產(chǎn)和供礦能力，采用高端壁空場嗣后充填法開采，頂部預(yù)留了護頂?shù)V柱及中段間的水平礦柱。上部兩個中段形成兩個采場，采場預(yù)留間柱及護頂?shù)V柱等支撐采空區(qū)。如圖5所示，上部開采區(qū)域形成1901和1902兩個大型采空區(qū)，采空區(qū)中部預(yù)留24m寬礦柱。圖5 上部中段采空區(qū)示意圖Fig.5 Diagram of upper stage goaf of wulan mine礦區(qū)礦巖穩(wěn)固性較好，能夠滿足較大暴露面積和高度自立性。因此研究在多面凌

24、空條件下的礦柱與頂板強制崩落與自然崩落協(xié)同開采技術(shù)。圖6 礦柱精細化爆破與頂板自然崩落Fig.6 Pillar refined blasting and roof natural caving如圖6所示，通過爆破回采礦柱，擴大頂板或礦柱的暴露面積從而使得礦柱頂板產(chǎn)生垮落，自礦柱上盤至下盤依次后退式精細化爆破，精確控制頂板的暴露面積。第一次爆破首先使采空區(qū)爆破破頂與地表貫通形成泄壓通道，并形成礦柱崩落自由面。后續(xù)爆破不斷通過爆破逐步擴大采空區(qū)頂板暴露面積，從而使得采空區(qū)頂板逐步垮落，達到殘礦回采和采空區(qū)處理的效果，最終形成全礦體斷面的大面積采空區(qū)。4.3技術(shù)經(jīng)濟指標烏蘭鉛鋅礦采用組合連續(xù)開采技術(shù)

25、，在礦山基建周期、產(chǎn)能提升、資源回采、環(huán)境保護方面優(yōu)勢顯著，對該類境外環(huán)境保護要求較高的近地表礦體開采具有代表性。礦山基建見礦周期由5年縮短至2年，資源回采率由65%提升至90%。前期投產(chǎn)后的生產(chǎn)能力為50萬噸/年，下部開采區(qū)域投產(chǎn)后，生產(chǎn)能力提升到90萬噸/年。資源回采率由65%提升至90%，工業(yè)占地面積下降約40%。5、結(jié)論文章在對比分析不同開采順序的基礎(chǔ)上，根據(jù)國外近地表礦山開采技術(shù)條件，研究近地表礦體地下組合連續(xù)開采技術(shù)。該技術(shù)充分利用階段上行式與階段下行式開采順序的優(yōu)勢，實現(xiàn)了快速投產(chǎn)見礦與階段上行大規(guī)模開采的有效結(jié)合。同時，上部開采區(qū)域采用高端壁空場嗣后充填采礦法，避免了中段間留設(shè)

26、多個水平礦柱，上部區(qū)域?qū)崿F(xiàn)階段下行連續(xù)開采，大幅提高了回采效率和資源回采率。對于近地表礦體地下開采而言，該技術(shù)礦山基建見礦周期大幅縮短，盡快形成生產(chǎn)能力，資源回采率和回采效率也有顯著的提升，工業(yè)占地面積相對露天開采也有明顯的下降。對境外投資的近地表礦體地下開采具有很好的借鑒意義。參考文獻1張華.我國企業(yè)投資海外礦產(chǎn)資源的策略J.中國礦業(yè),2010,19(10):28-29.Zhang Hua.Strategy on chinas enterprise overseas investment for mineral resourceJ.China mining magazine,2010,19(

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