极薄矿体是指厚度<0.8m的矿体,主要多为金矿､钨矿等脉状发育的矿种,约占该类矿种总体的1/3,受限于矿体赋存形态,采场作业空间狭小,劳动强度大,整体劳动效率低,安全风险大,属于难采的矿体类型之一｡在极薄破碎矿体开采方面,近年随着人员老龄化的不断加剧以及政策的不断变化,对于安全､高效､机械化开采提出了更高的要求,主要应用的方法有削壁充填法､浅孔留矿法､房柱法､上向水平分层充填法等,在实际的开采应用中,安全事故频发,机械化程度低,劳动强度高效率低,在安全政策不断收紧的情况下,常规的方法已不适应极薄矿体实际的开采需求,亟需研究新的方法与工艺实现机械化安全高效开采｡
下向进路充填法在各类方法中最为安全的方法之一,主要适用于各类复杂破碎的矿体开采,特点在于人员及设备在稳固顶板下作业,通过高强度充填体支撑上下盘,达到安全作业的目的,适用于极薄矿体的开采技术条件,可大幅提高作业过程的安全,降低劳动强度与生产成本｡研究以内蒙古二道沟金矿为工程背景,通过纵向盘区化布置采场,下向(间隔)进路充填开采,给出了极薄矿体盘区化下向进路采矿方法,保证安全开采的同时,取得了良好的技术经济指标,为同类型矿体开采提供参考｡
矿床属于岩浆热液型脉状岩金矿床,工程地质条件复杂,厚度0.10~2.16m,平均厚度0.42m,矿体倾角65~78°,平均角度70°,平均品位13.41g/t,属于急倾斜极薄复杂破碎矿体｡
矿岩质量总体为Ⅲ级,断层构造较发育,局部存在破碎带及软弱夹层,在构造破碎带交汇处,易产生一定的塌方,导致一定的工程地质问题,对矿山生产稳定影响较大,工程地质级别为中等｡
矿体顶､底板围岩多为斜长角闪片麻岩,属坚硬-较坚硬岩类,局部为断层破碎带,围岩蚀变以绿泥石化､高岭土化为主｡矿体受构造控制明显,局部受软弱岩层控制明显,具有一定的板结性,沿上盘矿岩接触带有泥化夹层,受其影响,矿体回采过程中已发生掉落情况｡
当前矿山采用方法为上向分层泡沫混凝土充填采矿法和削壁充填采矿法｡当矿脉大于0.5m时选用泡沫混凝土充填采矿方法,当矿脉低于0.5m时,选用削壁充填采矿方法｡
1)上向分层泡沫混凝土充填采矿法
采用天井采准,两侧布置人行通风天井,在沿脉内向上掏槽回采,控顶高度不超过3.2m,回采爆破后,在底部采用钢筋混凝土构筑人工假底(顶),要求强度不低于C30,待其成型后,通过天井进入采场,向上逐层回采,分层高度为1.2m,充填后控顶高度为1.8~2.0m,充填体强度要求7天强度1.0~1.5MPa｡向分层泡沫混凝土充填采矿法标准方案见图1｡
具体回采流程为,凿岩爆破后,对顶板进行清理支护,后采用电耙进行出矿,后延伸顺路溜井高度,做好密闭工作,即采用泡沫混凝土进行充填,养护7d后,即可进行下一分层的回采｡
2)削壁充填采矿法
采场沿矿体走向布置,长度80~100m,采幅1.2m,先掏槽回采矿石,后爆破废石进行充填｡控顶高度3.2m,采用两次掏槽回采工艺,单次掏槽高度控制在0.6~0.8m,二次掏槽高度为0.5~0.6m,回采高度控制在1.2m左右｡削壁充填法标准方案见图2｡
具体工艺流程为,底部铺设胶垫,凿岩爆破掏槽回采矿石,及时采用坑木对顶板进行临时支护作业,人工分拣出矿,后延伸顺路溜井,根据采幅爆破削壁废石,对空间进行充填,平场后进入下一步的回采作业｡
1)开采存在的问题
采场空间不足,坑木临时支护为主,劳动强度大,作业环境恶劣,采场生产能力低;采矿顺序不合理,上下多中段同矿脉同时开采隐患大;现有充填工艺采用泡沫充填工艺与支护､出矿､支护等工艺不匹配;上盘围岩硬度大,但节理裂隙发育,多呈块状,与矿体之间存在黄土滑面层,易随着回采掉落;随着开采深度增加,地压进一步增大,人员始终在暴露无支护顶板下作业,安全风险会急剧增加｡
2)解决思路
根据矿山品位情况,适当的放大采幅,扩大采场作业空间,提高采矿生产能力,降低回采成本;对采场顶部进行支护,保证回采过程中顶板的安全;对于破碎矿体回采,采用水平炮孔掏槽压采的方式进行回采,顶部采用光面爆破的方式进行爆破;研发合理的设备,适应于狭小断面回采､运输及出矿,提高回采机械化程度;改用下向回采工艺,通过高强度充填,下向回采,提高回采过程的安全性,降低贫化损失程度｡
针对矿山的实际工程地质情况,结合目前回采过程中遇到的问题,依据上述解决思路,给出了盘区化下向进路开采方法,其主体思路为,将中段内的开采方向,由上向回采调整为下向回采,保证人员在安全顶板下作业;通过纵向盘区化布置,合理利用人工假底(顶)上部空间,形成多采场联合开采,进而提高整体的回采能力;通过盘区化布置,提高采场的回采强度,降低通风难度,采用电耙或合适的机械进行出矿,通过下向盘区机械化开采,实现安全高效开采｡盘区化下向进路开采方法标准方案见图3｡
1)中段内下向回采，人员在稳定顶板下作业，从本质上保证人员回采过程中的安全;
2)合理利用人工假底(顶)上部空间，可以薄矿体多采场联合开采，解决单个采场回采能力不足的问题，实现极薄矿体盘区化开采;
3)依据矿体厚度，制定不同的开采方式，降低回采过程中的贫化损失率，实现极薄矿脉的下向开采。
采场沿矿体走向布置，长度为40~60m，中段高度为40m，进路尺寸根据矿体厚度确定，当矿体厚度低于0.8m时，回采进路采幅控制在1.2m左右，采高控制在3m，挑采层为矿体宽度，高度为1.2~1.5m;当矿体宽度超过0.8m时，采幅为矿体宽度，采高为3.0~3.5m。
采场主要采切工程为人行通风天井、顺路通风充填井。其中人行通风天井分为人行通风部分与溜矿部分。采用厚度3mm的钢卷制成的面积不小于0.8m2的顺路溜井，作为充填、通风以及第二安全通道。
1)凿岩爆破
凿岩采用YT一28或者同类型及能力的凿岩机或台车，施工40mm孔径钻孔，采用数码电子雷管十管状乳化炸药爆破，采用水平炮孔，以上部沿脉或虚渣层为补偿空间，不设置掏槽孔，以降低回采成本提高回采效率;挑采部分采用上向75°炮孔，分为两次掏槽回采，单次掏槽回采高度为0.6~0.8m。
2)采场通风
采场风流由中段经人行通风天井进人采场，后通过工作面，将污风带至顺路回风井，后经局扇或回风巷进人回风系统。
3)采场出矿
采场出矿采用电耙进行出矿，即根据运距的远近，选择11kW的电耙进行出矿，矿石经天井进人下中段漏斗，后进人矿车。
根据矿山矿岩以及工艺特点，顶板为人工假底(顶)，无需进行支护。上下盘围岩根据稳定情况进行支护，破碎区域采用锚杆十双筋条联合支护方式;稳定区域可不支护，或者采用锚杆进行支护。锚杆采用树脂锚杆。
采场充填采用多次充填工艺，即首先采用混凝土及钢筋构筑人工假底(顶)，待转层开采后，采用泡沫混凝土对人工假顶上部空间进行充填。
1)人工假底(顶)构筑工艺
待回采结束后，架设顺路通风人行井以及充填溜井，预留矿石作为下部回采的缓冲层，缓冲层厚度在30~50 cm，后在上部铺设薄膜或者类似隔膜，保证上部的料浆无法渗人下部缓冲垫层中。而后再隔膜上部铺筋，钢筋网下部采用坑木或块石支撑，保证钢筋网距隔膜距离为10cm。主筋沿矿体走向铺设，采用P12~16mm螺纹钢，按照0.8~1.0m的排距;辅筋垂直矿体走向铺设，采用8~10mm圆钢或螺纹钢，按照0.25~0.5m的排距。采用8#铁丝对主辅筋进行捆扎。
在进路边邦上，施工锚杆，距钢筋网高度不低于0.5m，与邦壁呈45~60,铺筋结束后，采用8mm的圆钢，将钢筋网与锚杆连接，形成悬吊结构，保证人工假底(顶)的稳定性。后将由充填井将混凝土溜人采场，形成人工假底(顶)，假底厚度应不低于0.5cm，强度要求不低于5MPa。人工假底结构见图4。
2)上部空间充填工艺
待该分层进路回采结束后，采用模板十坑木构筑充填挡墙，保证后采用泡沫混凝土料浆，对上部空间进行充填。
结合金陶公司各采区的生产情况以及矿体赋存条件，17号脉厚度较厚，在回采过程中顶板暴露面积无法合理控制，现有方法、技术、手段等无法安全开采，基于此选择1017-11矿块作为试验采场。
矿块长116m，矿脉宽度0.4~4.5m，平均脉宽1.01m,平均品位6.73g/t,设计回采高度35.80m，矿石量12589t,金属量84.68kg。矿脉走向近南北，倾向91°，倾角78°。矿脉分支复合较多，局部地段膨大收缩，矿构造以张扭、扭压为主。矿脉上下盘围岩均为斜长角闪片麻岩，原岩整体性较为完整，成矿期构造应力对上下盘围岩破坏不严重，稳固性较好岩片麻理走向有矿脉空大角度相交，围岩断裂构造不发育，局部横向节理较为发育。
采场沿矿体走向布置(图5),采场长度72.33m，中段高度35.8m，回采高度14.61m，不留设顶柱。进路的布置根据矿体的厚度来确定，若矿脉厚度在1.2m及以下，则进路尺寸为1.2mX2.5m，若矿脉厚度为1.2~4m，则进路尺寸为矿体实际厚度X3m，当矿脉厚度在4m以上时采用交错式双进路回采，且采高为3m(以5m宽的采场为例，上一分层左侧进路宽3m，右侧宽2m，下一分层左侧宽2m，右侧宽3m)。
采切工程利包括中段沿脉平巷、采准天井。因矿块为原有采场，多数工程可以利用原有工程，需要再12线位置增加1条采准天井，天井断面为1.5 mX2.5 m,共计工程量为14.88 m、55.80 m。
1)回采工艺
采用进路式回采的作业方式按照自上而下的顺序进行逐层开采。首先将1017-11矿块对应的上下两个中段沿脉巷道进行锚喷网支护，并在1017-11矿块对应的九中段沿脉巷道底板先回采1m厚的矿石，回采完毕后在底板铺设0.5m碎矿石，并在碎石上构筑首层进路的人工假顶，人工假顶的厚度为0.5m，人工假顶构筑并养护完毕后开始进行下层进路的开采。进路的尺寸根据矿体的实际厚度确定。回采高度为3m，回采完毕后在底板铺设0.5m碎矿石，并在碎石上构筑首层进路的人工假顶，人工假顶的厚度为0.5m，人工假顶养护14d后，立即对假顶上方采空区进行充填。
2)充填工艺
充填准备工作，进路采场回采完毕并完成出矿工作后，通过电粑将采场内的残矿进行平场，保证进路底板上覆盖一层0.5m的散碎矿石。散碎矿石铺设完毕后可进行铺筋工作，在进路底板沿进路的长度方向铺设主筋，主筋的铺设间距为0.8~1.0m，主筋的材料为12mm圆钢。在与主筋垂直的方向铺设辅筋，辅筋的铺设间距为0.8~1.0m，辅筋的长度与进路宽度相同。辅筋的材料为10mm圆钢。在铺设辅筋的位置进路两侧帮壁距离底部0.5~1.0m的位置倾斜打人树脂锚杆，锚杆之间的间距与辅筋的铺设间距相同，在辅筋与主筋相交的位置缠绕吊筋，并将吊筋的另一端固定到进路边壁上的树脂锚杆上，吊筋采用10mm圆钢。在进路起点处修筑充填挡墙，挡墙的修筑高度为0.5m，在上一中段沿脉内沿采场内的顺路溜井向采场内敷设充填管道。
充填作业:进路采场的底部的0.5cm构筑混凝土假底，混凝土假底采用C20混凝土浇筑。进路采场上部的2m采用泡沫混凝土充填。充填时沿采场中间的顺路溜井向采场内倒入混凝土，待采场底部的0.5 m 混凝土假底凝固后向采场内倒入泡沫混凝土。
3)出矿与通风
采用电耙出矿方式,采用电耙将爆破崩落的矿石耙运到采场内的人行溜矿天井内,天井内应留有距离工作平台2~4m的矿堆,以防止人员高处坠落｡耙矿设备选用功率为11kW的耙矿绞车｡
采场风流流向为十中段沿脉巷→采准天井→采场→人行通风顺路天井→九中段沿脉巷｡采场属独头作业,需在作业过程中采用局扇加强通风｡
4)采场维护
上下盘围岩的支护根据不同的采幅进行确定(表1)｡目前现场使用的锚杆主要为1.2m或1.5m的锚杆,当采幅小于1.5m时安装锚杆难度较大,因此将采幅按照1.2~1.5m､1.5~4m以及大于4m三种情况进行确定｡
经过近10个月的现场试验,共计采出矿石量为12589t,可计算出采矿出矿能力为37.63t/d,贫化率为16.83%,损失率为3.67%｡与原有方法的技术经济指标对比见表2｡
通过现场工业试验表明,薄矿体盘区化下向进路嗣后充填采矿法的可用性,与原本的方法及工艺相比,具有一定的先进性,也存在一定的不足｡具体讨论如下:
1)技术优势
(1)效率提升:该方法成功将生产能力从29.60t/d提升至37.63t/d,增幅达8.03t/d,证明了其在提升开采效率方面的有效性｡
(2)资源回收率改善:贫化率降低12.56%,损失率降低0.39%,表明该方法在提高资源回收率方面具有明显优势｡
(3)成本降低:生产成本每吨降低35.06元,这对于降低矿山运营成本､提升经济效益具有重要意义｡
(4)安全性增强:在整个回采过程中未发生安全事故,显示出该方法在提高作业安全性方面的显著效果｡
2)技术不足
(1)机械化程度:尽管出矿过程已实现机械化,但其他工艺流程的机械化程度仍需进一步提高,以全面降低劳动强度｡
(2)外部因素影响:假期和其他不可抗力因素对生产能力有一定影响,未来需优化生产计划以减少这些因素的干扰｡
本文通过对内蒙古二道沟金矿极薄破碎矿体的开采实践,得出以下结论:
1)盘区化下向进路嗣后充填采矿法适用于薄及极薄破碎矿体的开采,能够有效应对这类矿体开采中遇到的挑战｡
2)该方法通过在稳固的顶板下进行作业,显著提高了回采过程的安全性,降低了作业风险｡与传统方法相比,生产能力提高了27%,贫化率降低12.56%,损失率降低0.39%,吨矿生产成本降低35.06元/t｡
3)通过优化充填工艺和提高机械化水平,该方法在减少环境影响的同时,降低了开采成本,提高了资源的利用效率｡在机械化程度和生产计划优化方面仍有改进空间｡未来的研究应聚焦于进一步提高开采过程的自动化和智能化水平,以及减少外部因素对生产能力的影响｡
鉴于该方法在技术经济指标上的优越表现,建议在类似矿山条件下推广应用,以实现安全､高效､经济的开采目标｡为极薄破碎矿体的安全高效开采提供了新的思路和方法,对推动矿业技术进步和可持续发展具有重要意义｡
