李杰林 高 樂 陳 杰 周科平

（1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙410083；2.云南錫業(yè)股份有限公司老廠分公司，云南個(gè)舊661000）

緩傾斜多層礦體屬于典型的復(fù)雜難采礦體，此類礦體傾角小，礦石無法依靠重力自溜放礦，必須通過機(jī)械或者人力進(jìn)行搬運(yùn)出礦［1-2］；此外，多層礦體中的相鄰礦體開采會(huì)相互擾動(dòng)［3］，采空區(qū)處理以及相鄰礦體的地壓管理往往會(huì)導(dǎo)致開采成本提高［4-5］。目前，針對此類礦體的開采，普遍使用上行式或下行式開采方式，并采用底盤漏斗采礦法、分層充填法和房柱法等采礦方法［6-7］。這些傳統(tǒng)的采礦方法往往存在貧化和損失率高、開采成本高、作業(yè)不安全等不足，并且各層礦體之間存在明顯的開采擾動(dòng)，給緩傾斜多層礦體安全開采帶來了挑戰(zhàn)。

近年來，隨著采礦技術(shù)和裝備的發(fā)展，人們逐漸重視對緩傾斜多層礦體這類復(fù)雜難采礦體開采技術(shù)的研究。郭金峰等［8］對云南斗南錳礦緩傾斜多層礦體的回采順序、超前關(guān)系和礦房布置形式等進(jìn)行了優(yōu)化選擇，保證了多層礦體開采的安全性；羅周全等［9］以云南錫業(yè)集團(tuán)公司松樹腳錫礦“大馬蘆”礦段為例，將大直徑深孔合采礦巖、井下礦巖集中分離、連續(xù)采礦等技術(shù)相結(jié)合，提出了深孔合采井下礦廢分離連續(xù)采礦法，有效提高了礦山開采的高效性、經(jīng)濟(jì)性和安全性；劉厚苗等［10］研究認(rèn)為通過對采場頂板形狀及礦房布置進(jìn)行優(yōu)化，可以有效提高開采的安全性和高效性；曾慶田等［11］針對大紅山緩傾斜中厚多層銅鐵礦，借鑒“采礦環(huán)境再造”思想，將緩傾斜中厚礦體再造為緩傾斜厚大礦體，同時(shí)根據(jù)礦體在剖面上的變化和富集特征，將同一盤區(qū)在剖面上劃分為多段開采，多層出礦，有效提高了礦山開采效率；劉翔峰［12］將大直徑深孔落礦技術(shù)和集中篩洗分離技術(shù)相結(jié)合，有效提高了采場生產(chǎn)能力；林曉悅等［13］通過數(shù)值模擬方法，對上橫山釩礦段回采過程進(jìn)行了研究，優(yōu)化了礦房參數(shù)以提高開采效率；李運(yùn)勝等［14］運(yùn)用巖石力學(xué)分析軟件對多層礦體的開采順序進(jìn)行了分析，優(yōu)化了開采方案，提高了礦山整體效益；諸利一等［15］針對緩傾斜多層礦體提出了3種條帶式開采嗣后膠結(jié)充填法，并通過工程實(shí)例論述了該方法的可行性。上述研究為實(shí)現(xiàn)緩傾斜多層礦體安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采提供了思路，但是仍然未能有效解決緩傾斜多層礦體開采中面臨的開采擾動(dòng)、采空區(qū)處理、地壓管理控制三者之間的相互影響關(guān)系這一難題。

本研究借鑒前人對緩傾斜多層礦體的開采思路，以緩傾斜多層礦體的回采順序?yàn)榍腥朦c(diǎn)，引入“協(xié)同開采”理念，提出了緩傾斜多層礦體的協(xié)同開采設(shè)計(jì)方案，并以云錫老廠13-8#礦群為例，完成了緩傾斜多層礦體的協(xié)同開采方案設(shè)計(jì)。

1 工程概況

云南錫業(yè)股份有限公司老廠分公司13-8#礦群由上至下可以分為8 層礦體，并呈多層狀重疊產(chǎn)出，各層礦體形態(tài)簡單，連續(xù)性好，屬于典型的深埋緩傾斜薄—中厚多層礦體（圖1）。除了底部的13-8-7#礦體為傾斜中厚礦體外，其余礦體長100～550 m，寬35～321 m，傾角為0～19°，最大厚度達(dá)21.9 m，單層平均厚度為2.50～11.56 m，埋深800 m。頂?shù)装鍑鷰r為大理巖、變玄武巖或花崗巖。大理巖穩(wěn)固，變玄武巖中等穩(wěn)固至不穩(wěn)固，花崗巖因泥化多具有碎粒狀至黏土狀結(jié)構(gòu)，且含有弱裂隙孔隙水，屬于穩(wěn)固性較差巖類，支護(hù)難度大。

2 緩傾斜多層礦體傳統(tǒng)開采方案設(shè)計(jì)

針對老廠13-8#礦群的開采技術(shù)條件，按照傳統(tǒng)的采礦設(shè)計(jì)思路，可分為上行式開采與下行式開采兩種方案，具體開采步驟如表1所示。

2.1 上行式開采方案

首先將開拓和采準(zhǔn)工程掘進(jìn)至礦群最底部，首采礦體為13-8-7#礦體?；夭山Y(jié)束后，立即對13-8-7#礦體的采空區(qū)進(jìn)行充填，然后從下至上，依次對上部的13-8-6#、13-8-6-1#礦體進(jìn)行回采，每回采完畢一個(gè)礦體后，均先對采空區(qū)進(jìn)行處理，再回采上一層礦體。這樣由下至上逐層開采，直至全部礦體開采完畢。

上行式開采方案的優(yōu)點(diǎn)是各層礦體獨(dú)立開采，礦體之間開采擾動(dòng)小，且采空區(qū)均已處理，地壓管理簡單，也可以采用廢石充填方式處理采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)廢石不出坑。但該方案是逐層礦體開采，無法對多層礦體進(jìn)行同步開采，限制了礦群的生產(chǎn)能力和規(guī)模，導(dǎo)致開采效率低、生產(chǎn)能力小，并且存在基建時(shí)間長、投資回收期長、采空區(qū)充填工作量大等不足。

2.2 下行式開采方案

下行式開采方案是從最上層的13-8-1#礦體開始開采，開采結(jié)束后，對采空區(qū)進(jìn)行充填處理，隨后對下層的13-8-2#礦體進(jìn)行開采。按照由上至下的順序，依次開采 13-8-3#、13-8-4#、13-8-5#、13-8-6#、13-8-6-1#、13-8-7#礦體。

相比于上行式開采方案，下行式開采方案可以縮短基建時(shí)間，投資回收期短。但是下層礦體的回采作業(yè)均在采空區(qū)下進(jìn)行，作業(yè)安全性差，即使充填采空區(qū)，其充填體的強(qiáng)度要求也較高，導(dǎo)致采礦成本較高。

2.3 傳統(tǒng)采礦方案分析

上行式開采方案中，必須對采空區(qū)充填完畢后，才能對上一層礦體進(jìn)行開采，礦群的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)規(guī)模都小。此外，上行式開采破壞了礦體上層的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，老廠13-8#礦群的圍巖穩(wěn)固性差，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，支護(hù)難度更大，無法保證開采安全。若采用下行式開采，在開采初期，利用礦柱或高強(qiáng)度充填體可以保證開采的安全性，但是，隨著開采深度的增加，上部的采空區(qū)群將嚴(yán)重威脅下部礦體的安全回采，且高強(qiáng)度充填體也增加了開采成本。

綜上分析，采用傳統(tǒng)的開采方法無法實(shí)現(xiàn)13-8#礦群的安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采。因此，需要對13-8#礦群的開采方案進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3 緩傾斜多層礦體協(xié)同開采方案設(shè)計(jì)

3.1 “協(xié)同開采”理念的引入

20世紀(jì)60年代，A.H.Ansoff首次提出了“協(xié)同”理念［16］，系統(tǒng)協(xié)同指的是通過某種方法來組織和調(diào)控所研究的系統(tǒng)，尋求解決矛盾或沖突的方案，使系統(tǒng)從無序轉(zhuǎn)換到有序、協(xié)同、和諧的狀態(tài)，減少系統(tǒng)的負(fù)效應(yīng)，提高系統(tǒng)的整體輸出功能和整體效應(yīng)?！皡f(xié)同”理念問世以來，逐漸得到廣泛認(rèn)同和研究。在礦業(yè)領(lǐng)域，陳慶發(fā)等［17］針對我國地下礦隱患資源的安全開采技術(shù)條件，率先開展了“協(xié)同開采”的相關(guān)研究，并取得了一系列研究成果。目前，我國已有50多家高校及科研院所開展了“協(xié)同開采”相關(guān)研究并取得大量成果。陳慶發(fā)等［18］通過對傾斜—急傾斜、水平—緩傾斜多層礦體開采擾動(dòng)關(guān)系的分析，得到了多層礦體開采的協(xié)同步距計(jì)算公式；汪為平等［19］針對大型“懸留”采空區(qū)提出并實(shí)施了“懸留”采空區(qū)協(xié)同處置技術(shù)，提高了采空區(qū)的穩(wěn)定性；聶興信等［20］針對急傾斜薄礦脈群，基于“協(xié)同開采”理念，提出了深孔分段空場上向嗣后充填連續(xù)采礦法，對礦房進(jìn)行一步驟回采，隨后充填，實(shí)現(xiàn)了階段礦房的連續(xù)開采；李建華等［21］針對露天礦山臺(tái)階開采水平下部的空區(qū)問題，引入“協(xié)同”理念，并在露天采礦生產(chǎn)中形成了探測、監(jiān)測、充填或崩落處理、采裝、運(yùn)輸、安全預(yù)警為一體的采空區(qū)協(xié)同治理技術(shù)方案。

緩傾斜多層礦體開采的難點(diǎn)在于如何處理好多層礦體的開采擾動(dòng)、采空區(qū)處理、地壓管理控制三者之間的關(guān)系。以往研究認(rèn)為這三者之間是一種不協(xié)同或低協(xié)同的相互關(guān)系，或者能夠認(rèn)識(shí)到這種關(guān)系，卻缺乏有效手段來處理這種關(guān)系，因此多采用獨(dú)立設(shè)計(jì)、施工，不考慮或較少考慮三者協(xié)同關(guān)系的設(shè)計(jì)思路。因此，本研究針對13-8#礦群的開采技術(shù)條件，引入“協(xié)同開采”理念，提出緩傾斜多層礦體的協(xié)同開采思路，將多層礦體開采擾動(dòng)、采空區(qū)處理、地壓管理控制三者結(jié)合起來整體考慮，產(chǎn)生較好的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)緩傾斜多層礦體的安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采。

3.2 13-8#礦群協(xié)同開采設(shè)計(jì)方案

老廠13-8#礦群呈多層狀重疊產(chǎn)出，各層礦體形態(tài)簡單，連續(xù)性好，除了13-8-3#、13-8-4#礦體之間存在一層厚約20 m 的夾石外，其余各層礦體之間夾石層厚度普遍較小，局部區(qū)域僅為1 m，甚至更小。因此本研究將13-8-3#、13-8-4#礦體之間的夾石層視為安全隔離層。以該隔離層為界限，將13-8-1#、13-8-2#、13-8-3#礦體視為上盤區(qū)礦塊，將 13-8-4#、13-8-5#、13-8-6#、13-8-6-1#礦體視為下盤區(qū)礦塊。以厚大原巖層為安全隔離層，在上、下盤區(qū)協(xié)同開采過程中，可保證上、下盤區(qū)礦塊開采的安全性。13-8-7#礦體為傾斜中厚礦體，且空間賦存條件較為獨(dú)立，因此單獨(dú)進(jìn)行開采設(shè)計(jì)。盤區(qū)礦塊劃分如圖2所示。

由礦體的賦存形態(tài)得知，上盤區(qū)礦塊的13-8-1#、13-8-2#、13-8-3#3 層礦體貼合較近，層狀特征不明顯。對于此類層間夾石較薄的多層礦體，合采可以大幅提高采礦效率，并降低開采成本。因此，對上盤區(qū)礦塊中的 13-8-1#、13-8-2#、13-8-3#礦體進(jìn)行分區(qū)合采設(shè)計(jì)，根據(jù)各個(gè)礦體的開采技術(shù)條件，可將13-8-1#、13-8-2#、13-8-3#礦體整體劃分為分采區(qū)、1#、2#雙層合采區(qū)和3層合采區(qū)。

多層礦體合采雖然可以提高開采效率，但由于各層礦體之間存在夾層廢石，必然會(huì)造成礦石貧化。因此，需要按照合采范圍重新計(jì)算合采區(qū)的綜合品位。經(jīng)過計(jì)算，合采區(qū)礦體平均品位如表2所示。從表2 可以看出：合采品位雖然降低，但仍然滿足工業(yè)品位，可以進(jìn)行合采設(shè)計(jì)和開采。

下盤區(qū)礦塊由于開采深度大，地壓大，對礦體開采的安全性影響較大；同時(shí)，廢石提升距離長，提升廢石成本高。根據(jù)礦山地質(zhì)資料，下盤區(qū)礦塊中各礦體傾角均小于圍巖移動(dòng)角，如按照傳統(tǒng)下行式開采思路，先采13-8-4#礦體，再采13-8-5#礦體，那么回采13-8-4#礦體所產(chǎn)生的空區(qū)會(huì)對13-8-5#礦體回采造成較大的影響。因此，在本研究協(xié)同開采方案設(shè)計(jì)中，先開采13-8-5#、13-8-6-1#礦體，再開采13-8-4#、13-8-6#礦體。該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是開采13-8-4#、13-8-6#礦體的廢石可由聯(lián)絡(luò)道充填至13-8-5#、13-8-6-1#空區(qū)，做到廢石不出坑，而且充填工藝比較容易實(shí)現(xiàn)，充填質(zhì)量高，保證了礦山開采的經(jīng)濟(jì)性。

3.3 13-8#礦群協(xié)同開采的回采順序優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)多層礦體協(xié)同開采，必須保證其安全性，避免相鄰礦體的開采擾動(dòng)。因此本研究設(shè)計(jì)的礦群整體回采順序?yàn)樯媳P區(qū)礦塊與13-8-7#礦體同時(shí)開采，當(dāng)下盤區(qū)礦塊的開采影響范圍對上盤區(qū)礦塊開采不產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，上下盤區(qū)礦塊可同時(shí)開采。

3.3.1 上盤區(qū)礦塊回采順序

上盤區(qū)礦塊實(shí)行分區(qū)合采，如圖3 所示。由圖3可知：上盤區(qū)礦塊中分采區(qū)面積較大，只有部分區(qū)域?yàn)楹喜蓞^(qū)。若先開采分采區(qū)，會(huì)導(dǎo)致后期回采合采區(qū)時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中的問題，將對合采區(qū)地壓管理造成較大影響。因此，在上盤區(qū)礦塊中，首先對合采區(qū)進(jìn)行回采，之后開采分采區(qū)。在回采分采區(qū)時(shí)，可以合理利用合采區(qū)的開拓和采準(zhǔn)巷道，降低采礦成本。

分采區(qū)礦體采用由下至上的順序進(jìn)行回采，即首先回采13-8-3#礦體，再回采13-8-2#礦體，最后回采13-8-1#礦體。回采13-8-2#礦體時(shí)，廢石可運(yùn)輸至13-8-3#礦體的采空區(qū)進(jìn)行同步充填，達(dá)到廢石不出坑的目的。同理，利用13-8-1#礦體采出的廢石對13-8-2#礦體的空區(qū)進(jìn)行充填，下層礦體始終超前于上層礦體回采。

3.3.2 下盤區(qū)礦塊回采順序

下盤區(qū)礦塊埋深大，地壓大，對下盤區(qū)礦塊進(jìn)行協(xié)同開采時(shí)，開采任一礦體均需對采空區(qū)及時(shí)充填，并盡可能減少廢石出坑量，從而保證井下開采的安全性。下盤區(qū)礦塊的回采順序?yàn)橄炔?3-8-5#、13-8-6-1#礦體，再采 13-8-4#、13-8-6#礦體。回采13-8-4#、13-8-6#礦體的廢石由聯(lián)絡(luò)道運(yùn)至 13-8-5#、13-8-6-1#空區(qū)，充填采空區(qū)。

綜上所述，本研究設(shè)計(jì)的13-8#礦群回采順序?yàn)椋孩偈紫冗M(jìn)行上盤區(qū)合采區(qū)與13-8-7#傾斜中厚礦體協(xié)同開采；②合采區(qū)開采并充填結(jié)束后，進(jìn)行上盤區(qū)礦塊的13-8-3#礦體與13-8-7#傾斜中厚礦體協(xié)同開采，并進(jìn)行采空區(qū)處理；③對上盤區(qū)礦塊的13-8-1#、13-8-2#礦體進(jìn)行協(xié)同開采；④當(dāng)13-8-1#礦體的開采步距超前于下盤區(qū)礦塊的13-8-5#礦體一定安全距離后，開始上盤區(qū)礦塊13-8-1#礦體和下盤區(qū)礦塊13-8-5#、13-8-6-1#礦體的協(xié)同開采，并進(jìn)行采空區(qū)處理；⑤對下盤區(qū)礦塊的13-8-4#和13-8-6#礦體進(jìn)行協(xié)同開采。

4 結(jié) 論

（1）引入“協(xié)同開采”理念，將多層礦體的開采擾動(dòng)、采空區(qū)處理、地壓管理控制三者結(jié)合起來整體考慮，提出了緩傾斜多層礦體的協(xié)同開采思路。

（2）結(jié)合老廠13-8#礦群的開采技術(shù)條件，完成了緩傾斜多層礦體協(xié)同開采方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多層礦體的協(xié)同開采，有助于提高礦山的整體開采效率。

（3）將13-8#礦群劃分為上、下盤區(qū)礦塊，并對礦塊中各個(gè)礦體的回采順序進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)礦體的安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采提供了保障。