某錳礦傾角變化礦體采礦方案創新優化及應用

韋志興，韋勇明，肖體群，陳慶發

(1.南方錳業集團有限責任公司 天等錳礦分公司，廣西 崇左 532312； 2.南方錳業集團有限責任公司 大新錳礦分公司，廣西 崇左 532315； 3.廣西大學 資源環境與材料學院，南寧 530004)

采礦方法的選擇是礦山開采設計中的核心環節，其選擇的合理性對礦山生產指標(如：采場生產能力、礦山產能規模、礦石貧損率、礦塊生產成本、勞動效率等)具有決定性的影響[1]。傳統的采礦方法選擇往往是憑借經驗采用類比法選定，主要分為三步：采礦方法初選、技術經濟分析和綜合分析比較。采礦方法的選擇是一個涉及多層次、多因素、多指標和多目標的決策過程，傳統的采礦方法選擇只能對單個因素或少許幾個因素進行直觀評價，這種采礦方法選擇往往不全面，具有很強的主觀性[2]。雖然很多學者通過采用多種數學方法來選擇采礦方法，使得采礦方法的選擇更加科學合理，但是對于一些具有產狀變化、多資源伴生等特點的難采礦體，很難從現有的采礦方法庫里通過采礦方法初選選出技術上可行的方法，更不可能進行后續的采礦方法詳細技術經濟比較。因此，未來在面對這些難采礦體時，通過引入或提出新的理念、新的思想或新的設備等來進行采礦方法的創新或方案優化就顯得尤為重要。

1 傳統采礦方法選擇概述

1.1 傳統采礦方法選擇的流程

傳統采礦方法選擇的流程按先后順序來劃分，主要有三步：采礦方法初選、技術經濟分析和綜合分析比較，又稱為采礦方法“三大步”選擇法。在傳統的采礦方法選擇流程中，大多數在第二步就已經選出合適的采礦方法，只有少數難分優劣的采礦方法才會進入到第三步。

采礦方法初選。根據采礦方法選擇的原則和基本要求，主要從礦床地質條件(礦巖穩固性、傾角、厚度、埋深等)、開采技術經濟條件和國家要求這三個方面提出技術上可行的采礦方法方案，并根據各方案的優缺點，淘汰具有明顯缺點的方案。

技術經濟分析。對初選出的采礦方法方案，要確定每個方案的采場結構和回采工作，繪制出標準的采礦方法方案圖，參照類似礦山的實際資料，選取主要的技術經濟指標，對初選的采礦方法方案進行技術經濟分析。技術經濟分析主要根據具體條件從礦塊生產能力、礦石貧損率、采切工程量、采切時間、勞動生產效率、采出成本、主要材料消耗、方案安全程度、方案靈活性、基建工程量等因素中先選取主要因素進行分析，再選取次要因素進行分析。

詳細技術經濟比較。對難分優劣的采礦方法方案進行詳細的技術經濟計算，得出具體的相關指標，對這些指標進行綜合比較，得出最合適的采礦方法方案。詳細技術經濟比較是要將指標量化到具體數值，技術經濟分析只需要將指標進行籠統的描述。

1.2 傳統采礦方法選擇的優化研究進展

很多學者運用數學理論來進行采礦方法選擇，如：王新民等[3-4]先運用層次分析法得到初選方案各因素的權重向量，然后在此基礎上運用模糊數學法計算出各方案的綜合優越度；陽雨平等[5]運用未確知測度理論和層次分析法構建了一個采礦方法優選模型；吳姍等[6]先運用模糊聚類分析法對采礦方法進行初選，然后運用BP神經網絡對采礦方法技術經濟指標進行預測，最后通過層次分析法對采礦方法進行模糊綜合評判，得出最優采礦方法；何金城等[7]提出了一種基于FAHP-Entropy耦合定權法的優選模型，為采礦方法優選提供理論依據；張欽禮等[8]針對緩傾斜薄礦體采礦方法優選難題，建立了一個變權重分析法和TOPSIS相結合的綜合評判標準體系。

從目前廣大學者對采礦方法優選開展的研究情況來看，主要是對傳統采礦方法選擇流程中的第一步或第二步進行優化，通過引入數學理論建立一個綜合評判模型，使得采礦方法優選更加科學合理。但是，以上關于采礦方法選擇的優化研究主要是建立在“以法套礦”的基礎上，在采礦方法選擇流程上的優化研究依舊較少。

2 傳統采礦方法選擇及優化研究進展中存在的不足

隨著社會快速發展，人們對于礦產資源的需求量呈現逐年增加的趨勢。為了保障社會穩步發展，具有產狀變化、礦巖穩固性變化、多資源伴生等特點的難采礦體逐步受到社會的重視。面對這些賦存條件變化的難采礦體，繼續沿用傳統的采礦方法選擇流程進行采礦方法選擇，可能會存在以下不足：

1)能夠通過初選的采礦方法方案數量少甚至沒有?？請?、崩落、充填這三類傳統的采礦方法主要是基于地質條件單一的礦體發展而來，隨著采礦技術及設備的發展，基于靈活性強的傳統采礦方法所衍生出的諸多采礦方法變形方案能夠解決一些傳統采礦方案難以開采的礦體。但是，每個采礦方案都有其局限性，尤其是在面對產狀變化、礦巖穩固性變化等難采礦體時，若繼續沿用“以法套礦”思想指導的傳統采礦方法選擇流程來進行難采礦體采礦方法選擇，那采礦方法選擇的第一步流程很難達到預期的效果。

2)基于現有采礦方法庫選出的最優采礦方法，其各項經濟技術指標很難達到礦山發展與時俱進的要求?？焖侔l展的社會對各項經濟技術指標的要求越來越高，通過傳統的采礦方法選擇流程，雖然可以從現有采礦方法庫中找到可行的采礦方法并結合后續的礦房單體設計方案來實現部分難采礦體的回采，但是其實際應用效果不一定理想，甚至還會造成礦產資源的永久損失。

3 融入采礦方法創新與方案優化設計環節后的采礦方法選擇流程

在礦業發展進程中，涌現出了諸多理念和思想，如綠色開采[9]、無廢開采[10]、采礦環境再造[11]、協同開采[12]等。這些理念和思想的提出，體現了我國礦業發展的與時俱進，對我國礦業發展起到了極大的推動作用。諸多學者以這些理念和思想為指導，開展了大量的采礦方法研究工作，對采礦方法創新與優化研究具有重要的啟示作用。

面對難采資源或需要優化采礦技術經濟指標時，通過引入這些理念或思想進行采礦方法創新與方案優化設計，將這一環節與采礦方法初選同步進行，融入采礦方法創新與方案優化設計環節后的采礦方法選擇流程如圖1所示。

圖1 新的采礦方法選擇流程Fig.1 New mining method selection process

4 某錳礦傾角變化礦體的采礦方案優化設計

4.1 工程概況

某錳礦整個礦床為近東西走向的向斜構造，西高東低。錳礦層共有三層，錳礦層產狀與圍巖一致呈層狀產出，層位穩定。自上而下為：Ⅲ礦層平均厚0.8 m，夾二0.5～1.0 m，一般0.4～0.5 m；Ⅱ礦層1.8～2.2 m，夾一2～10 m；Ⅰ礦層1.5～1.7 m。礦體穩定性較穩固，密度3.1 t/m3，礦石平均品位為19.8%。Ⅲ礦層頂板和Ⅰ礦層底板中等穩固；夾一受裂隙影響，穩固性不穩定，集中在較差和中等穩固之間變化。

在該錳礦西北區域，部分礦體受褶皺的影響，造成礦體傾角在傾向上集中在30°～55°內變化，總體上屬于傾斜礦體。多個礦塊內的傾角變化大致如圖2所示。根據礦體的賦存條件，通過傳統的采礦方法選擇流程曾選出用淺孔留礦法回采傾角變化的傾斜礦體，僅僅根據礦體賦存條件對上山進行了簡單的調整。在實際回采過程中，傾角的變化使得出礦時間長、效率低，增加了礦塊上部空區圍巖的暴露時間，造成礦石貧化率指標上下浮動大，最高達33%；部分礦房在傾角變化區域施工時地壓變化明顯，使得上部分礦石無法回采，從而礦石回采率也上下浮動大，最高僅達到60%左右?？傮w來說，生產效果遠遠達不到原設計時的要求。

圖2 礦體剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of orebody section

4.2 一種適合多層狀礦體且傾角變化的傾斜礦體采礦方案

結合圖1的采礦方法選擇流程和之前設計的淺孔留礦法應用情況可知，從目前的采礦方法庫找不到相適應的采礦方法或方案來回采傾角變化的傾斜礦體。從圖2可知，礦塊上部分的礦體比下部分礦體要陡。若是直接套用設計的淺孔留礦法，礦塊上、下部的礦石無法順利通過構造區域；同時，由于礦塊下部傾角變緩，礦石無法全程靠自重滾至礦房底部電耙道。為此，必須結合礦體賦存條件設計合理的礦石運搬方式和配套的礦房結構。

通過參考學習淺孔鑿巖爆力-電耙協同運搬分段礦房法[13]和分段鑿巖并段出礦分段礦房法[14]，結合該礦體賦存條件，優化設計了一種多層狀且傾角變化的傾斜礦體采礦方案，礦塊結構布置示意圖如圖3所示。該方案設計的回采率為85%～90%，貧化率為12%。與原設計的淺孔留礦法相比，該方案根據礦塊實際情況對礦塊結構和回采工作進行了優化調整，優勢較為明顯，便不再進行詳細比較，直接選為試采方案進行試驗。

1—穿脈；2—人行上山；3—分段鑿巖道；4—聯絡道；5—長間柱；6—頂柱；7—電耙道；8—礦體；9—溜井；10—漏斗；11—夾層；12—礦石圖3 礦塊結構布置示意圖Fig.3 Ore block structure layout diagram

該方案設計的礦塊長50 m，高30 m(為西北區域的階段高度)，在傾角變化區域布置一條5 m高的長間柱，將礦塊分為上和下兩部分，礦塊上部(傾角53°)斜長約12 m，下部(傾角32°)斜長約31 m。該長間柱同時作為礦塊上部的底柱和下部的頂柱，在礦塊上部再留設3 m高的頂柱，礦房兩端留設2 m寬的間柱。掘進一條穿脈聯通Ⅱ-Ⅲ礦和Ⅰ礦，分別在Ⅱ-Ⅲ礦和Ⅰ礦礦塊下部布置電耙道，在Ⅰ礦和Ⅱ-Ⅲ礦礦房左端布置切割槽，右端布置人行上山。在礦塊上部的底柱中，布置放礦漏斗，漏斗下方布置一條沿脈電耙道，Ⅰ礦電耙道端部掘進一條溜井聯通穿脈，Ⅱ-Ⅲ礦電耙道端部掘進一條短溜井聯通Ⅰ礦人行上山。夾二局部區域受裂隙或構造影響，使得巖層穩固性局部破碎或中等穩固，為了保證布置在夾二巖層和構造區域的工程巷道在回采期間的穩定性，工作人員對巖層不穩固區域需采取樹脂錨桿支護或錨網支護，錨桿長度根據施工位置巖層厚度、暴露面積等因素來定。

在回采順序上，先回采Ⅱ-Ⅲ礦上部的礦石和Ⅰ礦上部的礦石，Ⅱ-Ⅲ礦上部礦石回采超前Ⅰ礦上部8 m，Ⅱ-Ⅲ礦上部的礦石經漏斗放至電耙道，再由電耙道耙至短溜井溜至Ⅰ礦人行上山，然后由Ⅰ礦人行上山耙至Ⅰ礦礦房底部由鏟運機出礦；Ⅰ礦上部的礦石經漏斗放置電耙道，再由電耙道耙至溜井溜至穿脈。在鑿巖鉆孔時，同時對先前崩落的礦石進行出礦作業，放完礦的漏斗要進行封堵，避免后續空區頂板碎石滾落下來。待Ⅱ-Ⅲ礦上部的礦石回采完后，就安排班組對Ⅱ-Ⅲ礦下部的礦石進行回采，礦塊下部的礦石由于礦體傾角較緩、斜長較長，可采用爆力運搬和電耙運搬兩種方式配合進行，Ⅱ-Ⅲ礦下部的礦石回采同樣是超前Ⅰ礦下部8 m。在Ⅰ礦層的回采過程中，根據現場頂板圍巖的穩固程度適時進行錨桿支護，避免在礦石運搬結束前頂板塌陷，影響礦石運搬的質量和效率。礦塊回采完畢后，對空區進行封堵。

4.3 工程應用效果總結分析

通過選取一個傾角變化的多層狀礦塊為試驗范圍，統計得礦塊實際回采率76%、貧化率17%。經過綜合分析，造成實際指標達不到設計指標的原因有：原設計在礦塊傾角變化區域留設的長間柱中布置漏斗結構，在實際施工過程中，由于構造因素使得漏斗結構和受礦電耙道大部分布置在夾一中；試驗礦塊的夾一厚度較薄且穩固性較差，在回采Ⅰ礦層時，較多夾一圍巖混入到了礦石中。該方案需布置的采切工程明顯比原來的淺孔留礦法多，原方案設計的采切比為14 m/kt，以最高實際回采率60%為準，其實際采切比為22 m/kt；新方案設計的采切比為21 m/kt，以實際回采率76%為準，其實際采切比為25 m/kt。

該采礦方案根據礦體傾角變化將礦塊分為上、下兩個部分，并在傾角變化區域布置一條長間柱，不僅弱化了地質構造對礦石運搬的不利影響，同時還對構造區域的地壓有一定的控制作用；將礦塊上部的出礦漏斗布置在長間柱中，減少了長間柱帶來的礦量損失；布置兩個采場同時回采，這兩個采場在四個區域(Ⅱ-Ⅲ礦和Ⅰ礦的上、下部)之間有序進行，使得礦塊產能得到穩定輸出，縮短了礦塊回采周期，但也增加了作業人員數量和礦房管理難度。

總的來說，與原方案相比，該方案具有一定的優越性，且更加適用于夾層穩固且夾層較厚的礦塊回采，但后續在采切工程布置和出礦方式等方面還有進一步優化的空間。

5 結論

1)本文針對傳統的采礦方法選擇流程在賦存條件復雜變化難采礦體面前表現出的不足，建議將采礦方法創新與方案優化設計融入到傳統采礦方法選擇流程中，并給出了融入采礦方法創新與方案優化后的采礦方法選擇流程。

2)以某錳礦山傾角變化的傾斜礦體為例，將采礦方法選擇流程中的“方案優化設計”放到采礦方法初選第一步，通過優化調整采場結構和回采工作這兩方面，設計了一種適用于傾角變化的傾斜礦體的采礦方案，替代了傳統采礦方法選擇的淺孔留礦法，回采率由之前的最高60%提高到了76%，為某錳礦山傾角變化的傾斜礦體提供了更優的技術選擇。

3)與淺孔留礦法相比，新方案的采切工程量較多，且出礦環節中電耙出礦占了大部分，后續在采切工程布置和出礦方面還需進一步優化調整。