随着我国“十四五”规划实施的收官之年，矿产资源需求不断攀升，带动了产业多元化发展。为确保资源稳定供应，我国矿体开采正在进行结构性调整，从常规矿体逐渐转向高海拔、急倾斜、不稳固矿体，这一转型使开采面临新的挑战。传统的浅孔留矿法在高海拔急倾斜不稳固矿体开采中应用受限，其机械化程度低，导致生产效率难以提高，且矿石贫化损失率较高，经济效益下降，同时存在一定的安全隐患，工人作业风险加大。因此，亟需研发更为先进、合理的采矿技术与方法，以提升急倾斜不稳固矿体的开采效率，减少资源浪费，保障作业人员安全，以满足我国日益增长的资源需求。
目前，针对急倾斜不稳固矿体开采问题已有诸多学者进行了深入研究并取得了一定成效。杨宁等研究空场法开采不稳定倾斜薄至中厚矿体时，引入了无切割工程拉槽技术，实际应用表明，该方法在保证安全高效的同时，显著降低了开采成本，特别适用于开采极不稳固的矿体；针对急倾斜极薄矿体不稳定矿岩的特性，林荣平等初步探讨了4种采矿方法，通过深入的技术经济对比分析，并结合模糊数学与层次分析法，旨在选择出最适合的采矿方案。针对急倾斜且极不稳固的薄至中厚矿体所面临的开采难题，如安全性不足、回采效率低下等，赖伟等创新地研发了脉外分段空场采矿法，显著提升了这类矿体的开采安全性，同时实现了低耗和高效的生产目标；何涛等针对高海拔破碎氧化带区域的破碎矿体展开了二步骤采场高效采矿方案研究并进行了现场工业试验，得出大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法方案最佳；龚永林等运用FLAC-3D软件对高寒高海拔矿山的盘区回采进行顺序优化研究，为后续高海拔破碎氧化带矿体的盘区开采提供技术支撑。上述学者分别从理论分析、数值模拟、二步骤采场高效开采技术以及盘区回采顺序对急倾斜不稳固矿体已进行了大量的研究，但针对高海拔急地区大规模矿山使用浅孔留矿法如何优化采矿方案，并对采矿方案进行数值模拟以及工业试验验证研究还较为浅显。
本研究针对某锰矿采用浅孔留矿法开采所遇到的矿石贫化严重、损失较大等问题，结合国内外同类型矿体开采的经验，初选了4种采矿方案，详细分析了这4种方案的优缺点，并通过优缺点对比分析，旨在优选出最佳的开采方案。为了确保所选方案的可行性及实际效果，进行了数值模拟及现场工业试验验证。本研究旨在为该锰矿提供有力的技术支撑，确保其开采工作的顺利进行，为类似的矿体开采提供有益的参考。
某锰矿为急倾斜-中厚矿体，矿岩稳固性为中等稳固-不稳固。矿山自投产以来，先采用露天开采，后转地下开采并一直采用浅孔留矿法。宽度与矿体水平厚度一致。矿块长度在50m。采用平底出矿结构，不留底柱，只留顶柱和间柱。顶柱高度为3~5m，间柱宽度为6m。主要的采准切割工程包括沿脉联络巷、穿脉巷道和天井联络道。具体施工步骤为先在中段脉外巷每隔5~7m挖掘穿脉巷道，确保脉外巷道与矿体保持6~10m的距离。在矿块两端设立人天井联络道（也可在脉外布置），采场底部则沿矿体全厚进行挖掘，拉底巷道高度为2m。浅孔留矿法标准方案见图1。
在实际生产过程中，采场频繁发生无法控制的垮塌现象，这给开采工作带来了极大的困难，导致了矿石的大量贫化和损失，尤其损失率极高，对矿山的经济效益和可持续发展造成了严重影响。经过对矿山生产情况的深入分析和研究，发现浅孔留矿法有两方面的问题：
1）采矿过程安全隐患大，事故频发：留矿法的回采，工人在暴露的矿体下作业，因矿岩的极不稳固，导致冒落事故频发，安全问题特别突出。
2）矿石损失贫化大：无法解决矿石损失贫化大的问题，使得矿体无法安全有效地回采，矿产资源不能得到充分利用，降低了矿山的经济效益，缩短了矿山寿命。
基于此，针对该锰矿开展采矿方法研究，以寻求合理的开采工艺技术，为矿山生产提供技术支撑。
针对矿体本身，其属于中等稳固至稳固岩石类别。在矿体上盘围岩中，节理裂隙发育明显，稳定性相对较差；而矿体下盘围岩的稳定性则相对一般。在综合考虑国内外同类矿体的开采经验与发展趋势的基础上，遵循安全高效、技术先进、工艺可靠、经济合理的原则初选出4种采矿方法：方案1，预留护壁浅孔留矿法；方案2，机械化上向水平分层废石胶结充填采矿法；方案3，上向进路充填采矿法；方案4，下向进路充填采矿法。
矿山现用的采矿方法为普通留矿法，采场长度50m左右，宽为矿体厚度，平均6m。矿体急倾斜极不稳固，易冒落，浅孔留矿法因安全问题，实际能够向上回采数米至十余米，之后未采矿体的无规律破坏，采幅已不能控制，支护也非常困难，从而造成上盘围岩的逐步暴露和破坏，回采作业已无法保证安全，从而被迫停止回采作业，未回采的上部矿体只能靠自然冒落回收。此时围岩已经开始破坏，造成矿石贫化。随时间的推移，围岩大幅冒落，矿石流将被阻断，造成上部矿石回收率低，贫化损失大。因此在现有方法上进行优化，提出了预留护壁浅孔留矿法方案。
矿块沿矿体走向布置，长度约50m，矿房长约44m。矿房之间设有6m宽的间柱，矿块宽度与矿体水平厚度相同，为6m。中段高度40m，顶柱高度3m，无底柱。采用平底式底部结构，使用铲运机进行出矿，出矿进路间距7m。回采采用上向分层留矿法，分层高度2.5~3m，采场形成平衡拱形。使用YT-28钻机钻凿水平浅孔，炮孔深度2.5~3m，间距1.1m，排距0.8，孔径40mm，使用2#岩石乳化炸药进行落矿。为减少爆破对顶板和矿柱的破坏，顶板和矿柱周边采用光面爆破工艺，相关参数为孔距0.6m，光爆层厚度0.7m，装药线密度0.2kg/m。同时，顶板采用锚杆护顶以保护上盘岩石不受破坏。方案1标准方案见图2。
2.2 方案2—机械化上向水平分层废石胶结充填采矿法
方案2标准方案见图3。机械化上向水平分层废石胶结充填采矿法具有矿石损失贫化小、适应矿体形态变化能力强以及灵活性高等显著优点。该方法在回采过程中按照自下而上的顺序，进行水平分层推进。随着工作面的逐步上升，采空区得到充填，并预留出后续作业空间。充填体不仅起到维护围岩稳定的作用，还为上层采矿提供了稳固的作业平台，崩落矿石通过机械方式直接运至溜井。该矿原采用露天开采，现转为地下开采，地表遗留大量剥离废石，且废石块度均匀，因此采用废石充填具有显著现场优势。在地面设置简易混凝土搅拌系统，将废石与混凝土混合后通过矿车运至井下进行充填作业。
图3 机械化上向水平废石胶结充填采矿法标准方案图（单位：m）
矿块沿矿体走向布置，矿块长80~120m，宽为矿体厚度，一般为6m。中段高度30m，分段高度13m。首层开采时，先开采3m并充填2m，保留1m的空顶距离。其他分层每次开采2m并进行充填。相邻矿块间不留间柱，矿块不留顶底柱。在中段首次开采时需制作钢筋混凝土假底。沿矿体走向每隔40~60m设立一个采场，通过穿脉巷和脉内平巷连接。在垂直方向上，每隔13m设立一个分段，并在矿体下盘脉外设置分段平巷和溜矿井。采场联络道布置在每个采场两翼，从分段平巷通向采场。斜坡道只在整个上下中段之间布置一条，位置在厚矿体下盘。本采矿方案不留设顶底柱和间柱。
方案3标准方案见图4。上向进路充填采矿法依照一、二期进路的交替方式进行矿体回采。此法在完成进路回采后立刻进行充填操作，精准控制空区暴露的面积与持续时间。此法对于矿体的适应性颇为广泛，尤其适用于形态复杂、产状多变以及稳固性较差的矿体。其优势在于回采过程中无需在采场内部留置点柱和间柱，因此损失率与贫化率相对较低。然而，此法的采场通风为独头巷道型通风，通风效果较差。此外，对一期进路充填体的强度要求颇为严格，采矿成本相对较高。在进路充填过程中，接顶工作尤为重要。若接顶不充分，二期采后顶板将全面暴露，这可能引发顶板下沉、开裂等问题，严重影响顶板的整体稳定性。这一环节的问题处理不当，将极大地增加回采充填工作的复杂性和难度。
中段内沿矿体走向划分矿块，矿块长40~60m，高为中段高度50m，宽为矿体的水平厚度。分层回采高度为3~4m。不留间柱和顶柱，只留6m的底柱。进路宽度为4~6m，采高为3~3.5m。采场断面根据稳定性和矿体厚度调整。采用自下而上、从矿体中间向两端的回采顺序。下盘脉外布置中段运输平巷，每个采场通过一条穿脉巷道与矿体连接。穿脉下布置充填回风井，与上中段贯通用于充填和回风。在穿脉巷道下盘脉外掘进溜矿井，通过溜井联络道连接各分段。斜坡道掘进分段联络道后与分段运输巷道贯通，每个分段运输巷道负责上中下多个分层。自分段运输巷向矿体掘进采场联络道贯穿矿体，采场联络道布置回采进路。结束后，从底柱水平以上向矿房两端掘进拉底巷道。所有矿石通过溜井放出至中段穿脉运输巷，顺路滤水井随采矿过程架设。
方案4标准方案见图5。下向进路充填采矿法与上向进路充填采矿法最大的区别在于开采的顺序不同，其他基本类似。都是依照一、二期进路的交替方式进行矿体回采。完成进路回采后立刻进行充填操作，精准控制空区暴露的面积与持续时间。此法对于矿体的适应性颇为广泛，尤其适用于形态复杂、产状多变以及稳固性较差的矿体。其优势在于回采过程中无需在采场内部留置点柱和间柱，因此损失率与贫化率相对较低。然而，此法的采场通风为独头巷道型通风，通风效果较差。采用下向进路充填法对于实现矿山的机械化开采非常有利，且能够提前开展采矿作业。但又牵扯到运用该法不能进行大量的开采、环节较多以及对人工假顶的强度要求高（一般要达到4~5MPa），导致了生产成本比较高。
中段内沿矿体走向划分矿块，矿块长40~60m，高为中段高度50m，宽为矿体的水平厚度，分段及中段间不留矿柱。进路宽3.0m，采高3.0~3.5m，各采场的断面依照采场的稳定程度和矿体厚度而定，不太稳固时取小值，比较稳固时取大值。采场进路沿走向布置进路，进路长25~30m。从分段的最上分层开始，实行自上而下逐层回采，每条进路回采结束，施工完人工混凝土假底后再充填。该方案采准切割工程与上向进路充填采矿法类似。
上述针对某锰矿提出了4种可行的采矿方案，之后对其方案特征进行了全面分析。现将各方案的主要优缺点进行比较和综合评价，以求得出最佳方案，详细比较情况见表1。
经过综合对比分析，预留护壁浅孔留矿法存在矿石损失大、资源浪费严重、经济效益差的问题；上向进路充填采矿法虽然安全性较好，但生产能力低、工艺复杂、采场接顶困难，采矿和充填成本较高；下向进路充填采矿法虽然贫化损失率低，但每条进路开采后都需要制作假底（顶），工艺复杂且成本高。而机械化上向水平分层废石胶结充填采矿法（方案2）结合了高生产效率、大能力、低回采成本的特点，同时回收率高、贫化损失率小，因此推荐该法作为该锰矿井下开采的主要方法。
本次数值模拟选用三维有限差分程序FLAC-3D软件，FLAC-3D能较全面地反映采场实际情况，定量地计算和分析开采过程中采场围岩应力、位移和塑性区的分布状况，从而对采场围岩的稳定性状态做出判断，能为设计和施工提供可靠的理论依据。
本次模拟的模型长度方向按矿体走向方向选取，取465m；高度方向为竖直方向，取390m；宽度方向为垂直矿体走向方向，取280m。在Midas/GTS中划分网格时，为确保计算的精度，模型开挖矿体部分单元长度为1m；开采矿体附近围岩部分单元长度为3m；其余部分采用9m长度单元进行划分网格。立体三维图详见图6。
根据上向水平分层废石充填法回采技术特点，为尽可能还原矿体回采过程中应力应变的耦合环境，共设计18次“采-充”循环进行模拟计算。18次“采-充”循环有36m垂直开采高度。自下向上依次划分为20个分层，每个分层高为2m。最下面两个分层分别为1、2，嵌入上盘5m，主要用于模拟采场拉底和充填，其余分层模拟正常开挖，详细模拟开挖步骤空间对应关系如图7所示。
1）为研究最大控顶高度对采场稳定性的影响，构建模型1、2。其中，模型1、2的最大控顶高度分别为3.5、4.0m，单个采场长度均为50m，连续采场长度均为150m，采场总暴露面积均为900m²，均未超前分层回采。
2）为研究中间采场超前回采分层数对采场稳定性的影响，构建模型1、3。其最大控顶高度均取3.5m，单个采场长度均为50m，连续采场长度均为150m，采场总暴露面积均为900m²，模型3超前5个分层回采，模型1未超前分层回采。
3）为研究暴露面积对采场稳定性的影响特征，构建模型4、5。其最大控顶高度均取3.5m，均超前5个分层回采，连续采场总长分别为150m和180m，总暴露面积分别为900m²和1080m²。
具体模型方案详见表2。后通过现场取样、室内岩石力学试验结果为基础，经工程弱化处理后，得到矿区的岩体力学参数详见表3。
1）最大控顶高度分析
通过对模型1、2整个开采过程中的最大压应力、最大拉应力、最大垂向位移和塑性区演变趋势的对比分析，如图8所示，可以发现，三个采场同步向上发展，剪破坏为主要破坏方式，主要集中在采场顶板与两端，但是，模型2的最大拉应力、最大垂向位移和塑性区体积明显较模型1的大。因此，选取3.5m的最大控顶高度时，采场稳定性状况整体比较好。
2）超前回采层数分析
统计分析模型1、3整个开采过程中的最大压应力、最大拉应力、最大垂向位移和塑性区演变趋势，如图9所示。通过对模型1、3整个开采过程中最大压应力、最大拉应力、最大垂向位移和塑性区演变趋势的对比分析，同样发现，剪破坏仍为主要破坏方式，主要集中在采场顶板与两端，但是，模型3超前回采相对模型1同时回采时的最大压应力、塑性区体积较小。因此，让中间采场超前两侧采场5个分层回采时，采场稳定性状况整体比较好。
3）不同暴露面积采场回采稳定性分析
统计分析模型4、5整个开采过程中的最大压应力、最大拉应力、最大垂向位移和塑性区演变趋势，如图10所示。从模拟计算结果来看，在开采6m厚矿体时，三个采场同时作业并让中间采场超前开采，在进行采场宽为6m时的采场开采时，采场暴露面积对采场稳定性有一定影响。随着采场长度的增加，采场暴露面积增大，虽然剪破坏区域在两边采场顶板有所形成，但对采场稳定性影响程度还不是很大。
依据某矿的生产现状，选定位于中线编号为3760m的矿体进行机械化上向水平分层废石胶结充填采矿法的现场工业试验。该试验采场矿体整体走向为东西方向，走向长度大约为600m，平均矿体厚度约达3.5m，且矿体的平均倾角为65°。经过详细的测算，整个试验采场的矿石储量约为125000t，其中可回收矿石量预计为97187.5t，矿石的损失贫化率控制在8%左右，此外，盘区的综合生产能力为225t/d，采场的直接生产成本仅81元/t。具体的经济效益详见表4。在开采过程中，试验采场未出现显著的坍塌或冒落现象，顶板支撑状态良好，完全满足后期大规模开采的需求。因此，此方法可在该矿山广泛推广并应用。
1）针对现有浅孔留矿法存在的问题，初步筛选出4种采矿方案。通过对各方案的优缺点进行深入分析，并结合技术经济效益的对比，最终确定了“机械化上向水平废石胶结充填采矿法”为最佳的开采方案。
2）通过对优选出的方案进行数值模拟研究发现：采用上向水平分层废石胶结充填采矿法回采矿体时，最大控顶高度不宜太大，选取采场最大控顶高度为3.5m比较适中；对比采场回采顺序分析发现，开采过程中的破坏方式主要以剪切破坏为主，主要集中在采场顶板与两端。
中段内相邻采场使用“品”字型的开采方式，且中间采场超前两侧采场5个分层回采时，采场稳定性状况整体比较好，当矿体厚度约为6m时，进行矿块的划分和采场结构参数设计，采场长度可适当增大到60m。
3）为验证优选方案的可行性，进行了现场工业试验。试验采场在实施该方案后，取得了显著的技术经济成果：累计出矿量达到97187.5t，盘区生产能力提升至每日225t。同时，贫化率和损失率均控制在8%以内，采矿直接成本降低至每吨81元。此外，该方案的应用也大幅提升了矿山的机械化装备水平，对于高海拔地区急倾斜破碎体的开采具有一定的指导意义和实际应用价值。
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