韋才壽 牛文靜 潘桂海

（1.南寧學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，廣西南寧530200；2.東北大學(xué)深部金屬礦山安全開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng)110819；3.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京100160）

隨著地下礦山開(kāi)采技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)雜難采礦體逐漸成為一種具有開(kāi)發(fā)潛力的優(yōu)勢(shì)資源，國(guó)家自然科學(xué)基金委在《未來(lái)10年中國(guó)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略》中將復(fù)雜難動(dòng)用礦體的安全、高效開(kāi)采作為研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題［1］。多夾層礦體作為一種復(fù)雜難采礦體，具有較高的開(kāi)采經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但若采用傳統(tǒng)方法對(duì)其進(jìn)行回采，存在生產(chǎn)效率低、礦石損失或貧化率高、礦體間擾動(dòng)劇烈、夾層穩(wěn)定性處理困難等諸多問(wèn)題。

針對(duì)多夾層礦體難以高效開(kāi)采的問(wèn)題，近年來(lái)眾多學(xué)者進(jìn)行了深入研究，結(jié)合礦體具體賦存特點(diǎn)相繼提出了多種高效采礦方法。具有代表性的有：羅周全等［2］從云錫某礦段的實(shí)際開(kāi)采技術(shù)條件出發(fā)，提出了深孔合采井下礦廢分離連續(xù)采礦法，該方法針對(duì)礦巖易分離特點(diǎn)的礦體具有較高的適用性，且取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益；曾慶田等［3］結(jié)合大紅山銅礦分支復(fù)合、夾層多的開(kāi)采技術(shù)條件，進(jìn)行了采礦方法研究和出礦工藝優(yōu)化，提出了“合采分出”的采礦工藝，有效解決了出礦隔層易垮落和出礦品位降低的突出問(wèn)題，但該方法采用下向式回采在夾層廢石覆蓋進(jìn)行放礦，對(duì)礦廢的有效分隔性較差，廢石易混入礦石中，且對(duì)出礦控制要求很高；李朝暉［4］針對(duì)大姚銅礦凹地直礦床多層緩傾斜難采礦體的開(kāi)采條件，提出了一系列采礦方法和采空區(qū)處理技術(shù)，但對(duì)于較薄夾層采用保留一定厚度的礦體進(jìn)行護(hù)頂，礦石損失率較大；楊守濤［5］針對(duì)山東某鐵礦極厚傾斜多夾層礦體的開(kāi)采條件，采用上向水平分層充填法進(jìn)行開(kāi)采，對(duì)多夾層礦體進(jìn)行了有效開(kāi)采，但缺乏有效的礦廢分離措施，使得充填開(kāi)采成本較高。

為更有效地解決多夾層礦體的開(kāi)采技術(shù)難題，本研究在“無(wú)廢開(kāi)采”和“協(xié)同開(kāi)采”理念指導(dǎo)下，結(jié)合多夾層水平—緩傾斜和傾斜—急傾斜兩種典型礦體的開(kāi)采條件，進(jìn)行礦廢分離協(xié)同采礦方法研究，為實(shí)現(xiàn)該類難采礦體安全、高效、綠色開(kāi)采提供有益參考。

1 多夾層難采礦體礦廢分離協(xié)同采礦方法

1.1 技術(shù)難點(diǎn)

礦體夾層指夾于礦體（層）內(nèi)部和處于緊鄰礦體（層）之間的廢石，包括低于邊界品位的含礦巖石，夾層的存在導(dǎo)致礦體的連續(xù)性受到破壞，礦體開(kāi)采難度增大。目前對(duì)于多層夾層礦體的開(kāi)采，主要根據(jù)夾層厚度采取不同的開(kāi)采思路：對(duì)于較薄夾層，將礦廢全部采出；對(duì)于較厚夾層，則采取采出礦體保留夾層的方式［6］。無(wú)論采用礦廢全采或只采礦體保留夾層的方式，都存在較為突出的問(wèn)題：

（1）將夾層和礦體全部采出，需對(duì)礦石、廢石進(jìn)行單獨(dú)出礦，搬運(yùn)和處理廢石浪費(fèi)大量能耗。此外，礦廢混采將大幅度降低礦石品位，增大貧化率，給選礦帶來(lái)難度，提高尾礦處理成本，降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)地表環(huán)境造成影響。

（2）保留夾層只采礦體，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)開(kāi)采，開(kāi)采留下較薄夾層安全穩(wěn)定性較差，存在較大安全隱患，有時(shí)為維護(hù)夾層的穩(wěn)定性還必須保留一定厚度的礦體，致使礦石損失率增大。此外，多夾層礦體礦廢分別獨(dú)立開(kāi)采時(shí)，各層礦體間采動(dòng)影響嚴(yán)重［7］，并且較薄礦體開(kāi)采采準(zhǔn)切割工作量大，采場(chǎng)生產(chǎn)能力不高。

基于上述分析，本研究認(rèn)為在保證礦體安全高效開(kāi)采的前提下，實(shí)現(xiàn)礦石和廢石高效、經(jīng)濟(jì)地在采場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行分離，最大限度減少?gòu)U石排出采場(chǎng)，是解決多層礦體開(kāi)采技術(shù)難題的有效途徑。

1.2 礦廢分離協(xié)同采礦法理論基礎(chǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，礦業(yè)正在朝向安全高效無(wú)廢綠色的方向發(fā)生變革，一些新興的采礦技術(shù)理念不斷涌現(xiàn)出來(lái)，如“無(wú)廢開(kāi)采”、“綠色開(kāi)采”、“采礦環(huán)境再造”、“協(xié)同開(kāi)采”等，為實(shí)現(xiàn)礦業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展提供了理論指導(dǎo)。

“無(wú)廢開(kāi)采”就是在礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中最大限度地減少?gòu)U料的產(chǎn)出、排放，提高資源的綜合利用率，減輕或杜絕對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，通過(guò)提高資源綜合利用程度、實(shí)現(xiàn)廢料產(chǎn)出最小化和廢料資源化、研究高技術(shù)水準(zhǔn)的特殊采礦方法等多個(gè)途徑去實(shí)現(xiàn)。目前在世界范圍內(nèi)，各國(guó)已紛紛對(duì)無(wú)廢生產(chǎn)工藝給予極大重視，使礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)及礦區(qū)發(fā)展逐漸步入可持續(xù)發(fā)展的良性循環(huán)之路［8-9］。

“協(xié)同開(kāi)采”是陳慶發(fā)教授于2009年提出的一種全新的采礦技術(shù)理念［10］，此后對(duì)其定義進(jìn)行了不斷修訂和完善［11-12］。其基本定義可簡(jiǎn)述為：礦山開(kāi)采全過(guò)程中資源開(kāi)采行為與災(zāi)害處理行為及其他技術(shù)行為的合作、協(xié)調(diào)與同步，使得礦山開(kāi)采系統(tǒng)輸出較高的協(xié)同效應(yīng)。該理念自問(wèn)世以來(lái)，已逐漸得到業(yè)內(nèi)不少學(xué)者和工程技術(shù)人員的認(rèn)同［13］，為解決各類復(fù)雜難采礦體的開(kāi)采技術(shù)問(wèn)題提供了新思路，2009—2018年國(guó)內(nèi)有十余種協(xié)同采礦方法問(wèn)世［14-21］。

1.3 礦廢分離協(xié)同采礦方法

針對(duì)多夾層礦體的開(kāi)采技術(shù)難題，本研究以“無(wú)廢開(kāi)采”、“協(xié)同開(kāi)采”理念為指導(dǎo)，提出多夾層復(fù)雜難采礦體礦廢分離協(xié)同采礦方法。該方法的主要技術(shù)思路是將擬采多層礦體和夾層作為一個(gè)整體進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)，在開(kāi)采過(guò)程中先采下部礦體，利用下部礦體開(kāi)采形成的空區(qū)作為廢石堆放和上部礦體大規(guī)模爆破的自由空間，并采取有效措施對(duì)礦石和廢石在采場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行高效分離，最大限度較少?gòu)U石排出采場(chǎng)，空區(qū)內(nèi)的廢石直接作為充填材料，將來(lái)有條件還可作為礦石放出重新利用。礦廢分離協(xié)同采礦方法在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)采的同時(shí)，能有效降低廢石運(yùn)輸成本和礦石損失貧化率，有效解決夾石層維護(hù)困難的技術(shù)難題，有助于實(shí)現(xiàn)多夾層礦體安全、高效、綠色開(kāi)采［22］。

礦廢分離協(xié)同采礦方法的實(shí)施過(guò)程可根據(jù)礦體的不同開(kāi)采技術(shù)條件表現(xiàn)出不同的形式。由于礦體傾角影響到礦石和廢石在采場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)搬方式，因而對(duì)應(yīng)的礦廢分離方式也不同，可見(jiàn)，礦體傾角是采礦方法選擇影響最大的因素。本研究針對(duì)不同傾角礦體開(kāi)采作業(yè)提出了針對(duì)性的技術(shù)路線，如圖1所示。

1.4 礦廢分離協(xié)同采礦方法技術(shù)要求

（1）需做好探礦勘察工作，明確礦體和夾層的界限，充分論證該方法適用的礦體開(kāi)采條件，包括礦體形態(tài)、夾層厚度、夾層數(shù)量等。

（2）需要根據(jù)礦巖邊界提高鑿巖、裝藥、爆破作業(yè)精細(xì)度。

（3）需重視礦廢分離作業(yè)環(huán)節(jié)，根據(jù)情況進(jìn)行廢石表層處理，如進(jìn)行廢石表面高度標(biāo)記、表層快速硬化、鋪灑標(biāo)志性物質(zhì)、鋪設(shè)隔離層、設(shè)立隔墻等，礦廢分離作業(yè)對(duì)于防止出礦時(shí)混入過(guò)多廢石致使貧化率增大或者礦石未能完全放出使得損失率增大影響重大。

（4）采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須有利于采用高效的出礦設(shè)備進(jìn)行出礦，如鏟運(yùn)機(jī)，裝載機(jī)等。

2 新采礦方法具體實(shí)施思路

為實(shí)現(xiàn)多夾層礦體安全、高效、綠色開(kāi)采，本研究根據(jù)礦廢分離采礦方法的基本技術(shù)思路，并結(jié)合水平—緩傾斜和傾斜—急傾斜兩種不同傾角礦體的特點(diǎn)，分別對(duì)具體開(kāi)采實(shí)施思路進(jìn)行闡述。

2.1 多夾層水平—緩傾斜礦體開(kāi)采

（1）對(duì)擬開(kāi)采礦體做好充分勘探，明確礦巖邊界，對(duì)礦體和夾層厚度、傾角、圍巖穩(wěn)定性等開(kāi)采技術(shù)條件進(jìn)行充分論證，將多夾層礦體作為一個(gè)厚大礦體進(jìn)行開(kāi)采，將礦體沿走向劃分為多個(gè)盤(pán)區(qū)，盤(pán)區(qū)內(nèi)劃分多個(gè)礦塊，根據(jù)頂板極限暴露面積確定礦塊尺寸。

（2）采用傳統(tǒng)的空?qǐng)龇▽?duì)最底層礦體進(jìn)行回采，留下規(guī)則排列的點(diǎn)柱或連續(xù)礦柱，礦柱間距、大小需能夠確保頂板在無(wú)需支護(hù)的情況下保持穩(wěn)定，底部礦體開(kāi)采留下的采空區(qū)為夾層和上層礦體開(kāi)采創(chuàng)造鑿巖和爆破的自由空間。

（3）采用鑿巖臺(tái)車鉆鑿上向平行中深孔，炮孔貫穿上部夾層及礦體，爆破作業(yè)時(shí)根據(jù)廢石夾層（礦層）厚度控制裝藥深度，先將夾層全部崩落，崩下的廢石留在采場(chǎng)內(nèi)。

（4）采用鏟車等無(wú)軌化設(shè)備對(duì)崩落的廢石進(jìn)行快速整平，并形成鏟運(yùn)機(jī)出礦斜坡，作業(yè)空間高度不夠時(shí)，可運(yùn)出一部分廢石；而后采取有效措施對(duì)廢石表層進(jìn)行處理，形成礦廢有效分離的界線，以防止出礦時(shí)混入過(guò)多廢石致使貧化率增大或者礦石未能完全放出使得損失率增大。

（5）利用下層礦體及崩落夾層形成的空間作為上層礦體回采的爆破自由面，根據(jù)下部空間高度和礦石松散系數(shù)計(jì)算出可崩落的礦體高度，對(duì)上層礦體實(shí)施大規(guī)模崩礦，崩礦后采用高效大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模出礦，如圖2所示。

（6）若上部為兩層或兩層以上相距較近的礦體，可按照以上思路進(jìn)行逐層回采，但需要考慮鑿巖和出礦的順序，保證留有一定高度的廢石和礦石作為裝藥作業(yè)平臺(tái)。

（7）礦石全部運(yùn)出后，崩落夾層產(chǎn)生的廢石留在采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)礦廢分離。

2.2 多夾層傾斜—急傾斜礦體開(kāi)采

（1）做好擬開(kāi)采礦體勘探工作，明確礦巖界線，將夾層及其上下盤(pán)相鄰的礦體作為一個(gè)連續(xù)的厚礦體進(jìn)行回采，礦塊沿礦體走向布置。因采用下向深孔鑿巖，采用球狀藥包進(jìn)行爆破（VCR 法），留有頂柱、間柱、底柱，礦柱尺寸根據(jù)具體情況確定。

（2）布置階段運(yùn)輸巷道、裝礦橫巷、鑿巖硐室；將階段運(yùn)輸巷道布置在上盤(pán)圍巖中，沿走向每隔一定距離布置一個(gè)裝礦橫巷，裝礦橫巷貫穿兩層礦體底部；各層礦體進(jìn)行獨(dú)立拉底，底部結(jié)構(gòu)為塹溝結(jié)構(gòu)或平底結(jié)構(gòu)，采用鏟運(yùn)機(jī)出礦，如圖3（a）所示。

（3）采用潛孔鉆機(jī)鑿平行于礦體傾角的下向大直徑平行深孔，礦體部分鑿穿底部拉低頂板，夾層部分的炮孔深度需要通過(guò)計(jì)算確定，以保留一定高度的夾層作為擋墻高度，既能將廢石全部堆積在下盤(pán)采空區(qū)內(nèi)，但又不能過(guò)高，否則，會(huì)使上盤(pán)礦石過(guò)多殘留在空區(qū)內(nèi)。

（4）先回采下盤(pán)礦體，采用球狀藥包進(jìn)行裝藥爆破，自下而上分層崩礦，采用鏟運(yùn)機(jī)出礦，每次出礦40%左右的礦量，待整個(gè)采場(chǎng)回采結(jié)束后大量出礦，如圖3（b）所示。下盤(pán)礦體采場(chǎng)出礦結(jié)束后，立即將上下盤(pán)礦體之間的裝礦橫巷封閉，而后利用采空區(qū)作為自由面一次性側(cè)向崩落夾層，崩下的廢石全部堆放在下盤(pán)采空區(qū)內(nèi)。

（5）夾層崩落后回采上盤(pán)礦體，首采用自下而上分層崩礦方式崩礦，采下礦石全部放出，一直回采到達(dá)夾層擋墻高度位置；回采上盤(pán)礦體前，可先采用膠結(jié)材料對(duì)廢石表面進(jìn)行快速硬化，以有效減少混入礦石中的廢石量，降低礦石貧化率。

（6）利用下盤(pán)礦體和夾層形成的采空區(qū)作為自由面和補(bǔ)償空間，對(duì)上盤(pán)剩余的礦體采用微差爆破方式進(jìn)行一次性大規(guī)模側(cè)向崩礦；而后從底部進(jìn)行大量出礦，崩下的廢石全部保留在空區(qū)內(nèi)，如圖3（c）所示。

3 新采礦方法適用條件及協(xié)同度分析

3.1 基本適用條件

（1）對(duì)于多夾層水平或緩傾斜礦體開(kāi)采，人員和機(jī)械需要進(jìn)入采場(chǎng)內(nèi)作業(yè)，要求礦巖中等穩(wěn)固以上，回采過(guò)程中頂板無(wú)需支護(hù)，保證作業(yè)安全。礦巖邊界明顯，礦體和夾層產(chǎn)狀及厚度變化幅度不大，有利于夾層和礦體分別進(jìn)行爆破作業(yè)。

（2）對(duì)于多夾層傾斜—急緩傾斜礦體開(kāi)采，要求圍巖中等穩(wěn)固以上，才能減少大量放礦過(guò)程中圍巖冒落混入礦石的廢石量，降低貧化率，避免出現(xiàn)大塊度廢石垮落影響底部出礦。要求階段內(nèi)礦體、夾層的傾角和厚度變化不大，礦巖邊界清晰，有利于礦體和夾層分別進(jìn)行爆破作業(yè)。

（3）新采礦方法要滿足經(jīng)濟(jì)性要求，由于崩落夾層需要消耗一定的經(jīng)濟(jì)成本，當(dāng)夾層較薄時(shí)，崩落夾層的成本較低，新采礦技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯；而當(dāng)夾層厚度較大時(shí)，崩落夾層將大幅度提高爆破成本，但較厚夾層的穩(wěn)定性維護(hù)難度和成本降低。因此，在實(shí)踐中需要結(jié)合礦山開(kāi)采實(shí)際情況綜合確定經(jīng)濟(jì)合理的夾層厚度。

3.2 礦體與夾層形態(tài)關(guān)系協(xié)同效應(yīng)及其協(xié)同度

3.2.1 多層水平—緩傾斜礦體最優(yōu)協(xié)同厚度關(guān)系

礦體和夾層厚度之間的關(guān)系對(duì)于該類礦體的礦廢分離效果起到關(guān)鍵影響作用。本研究分析認(rèn)為最優(yōu)協(xié)同厚度關(guān)系可表示為：自下而上高效有序采出各層礦體，崩下廢石無(wú)需搬運(yùn)出采場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)內(nèi)礦廢完全分離，同時(shí)也無(wú)需從場(chǎng)外運(yùn)入廢石。具體來(lái)說(shuō)：底層礦體回采結(jié)束后能直接采用鑿巖臺(tái)車鑿上向中深孔，每層夾層崩落后直接堆放在下部空區(qū)，經(jīng)整平后，其上部空間高度即可滿足回采上層礦體的裝藥臺(tái)車作業(yè)要求，而且不超過(guò)最大安全作業(yè)高度。

本研究針對(duì)3 層礦體2 層夾層的情形（圖4）進(jìn)行進(jìn)一步闡述。設(shè)各礦體和夾層的傾角相同，各層礦體的真厚度分別為H1、H2、H3，夾層真厚度分別為h1、h2，回采作業(yè)最低高度為Hd，最大安全作業(yè)高度為Hg，廢石松散系數(shù)為K，根據(jù)最優(yōu)協(xié)同厚度關(guān)系有下式成立：

3層以上礦體的厚度關(guān)系可以此類推。

當(dāng)?shù)V體和廢石厚度無(wú)法滿足最優(yōu)協(xié)同厚度關(guān)系時(shí)，則需將一部分廢石運(yùn)出采場(chǎng)或者從場(chǎng)外運(yùn)輸一定量廢石進(jìn)行充填才能繼續(xù)上采。無(wú)論運(yùn)進(jìn)或運(yùn)出廢石，均會(huì)增大運(yùn)輸成本，降低生產(chǎn)效率，降低新方法的適用性。

基于上述分析，可用“崩落廢石總量與廢石運(yùn)輸量之差與崩落廢石總量的比值”來(lái)表征該類礦體礦廢分離協(xié)同度T，

式中，T為礦廢分離協(xié)同度，%；Mb為崩下廢石總量，t；My為廢石運(yùn)輸總量，為運(yùn)進(jìn)和運(yùn)出廢石量之和，t。

分離協(xié)同度越高，說(shuō)明新方法的適用性越高，反之，則越低。當(dāng)采出廢石量全部被運(yùn)出，T值為0，說(shuō)明礦廢完全分采；當(dāng)充填廢石量越大，T越小，甚至為負(fù)值，則基本屬于充填式開(kāi)采，表示夾層厚度相對(duì)于礦體厚度很小，可進(jìn)行礦廢混采。

3.2.2 多層傾斜—急傾斜礦體未爆破夾層最優(yōu)協(xié)同高度

對(duì)于多層急傾斜礦體開(kāi)采，未爆破夾層留設(shè)的高度對(duì)于能否實(shí)現(xiàn)礦廢有效分離起關(guān)鍵作用，夾層留設(shè)高度過(guò)大，會(huì)擋住一部分上盤(pán)礦石無(wú)法放出，致使礦石損失率增大；留設(shè)高度過(guò)低，混入礦石中的廢石量增加，會(huì)使得貧化率增大。因此，需從理論上推導(dǎo)出未爆破夾層最優(yōu)協(xié)同高度的計(jì)算公式，并確定夾層鉆孔深度。礦體和夾層相關(guān)參數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖5。

設(shè)廢石松散系數(shù)為K，底柱不回收礦體和殘留礦石體積占整個(gè)底柱體積的比例為Kv，若崩落夾層（虛線部分）產(chǎn)生的廢石全部堆放在下盤(pán)礦體的空區(qū)內(nèi)，可依據(jù)等體積基本假設(shè)進(jìn)行公式推導(dǎo)，因沿走向的長(zhǎng)度一致，等體積則可簡(jiǎn)化為剖面圖上等面積計(jì)算，則有：

由式（3）可得：

根據(jù)三角形正弦定理，在ΔABC（圖5）中有下式成立：

進(jìn)而可得：

綜合式（5）和式（6）可得圖5中ΔABC面積為

將式（7）代入式（4）可得：

則夾層鉆孔長(zhǎng)度L為

由式（8）可知，未爆破夾層最優(yōu)協(xié)同高度受下盤(pán)礦體和夾層傾角、下盤(pán)礦體和夾層水平厚度、廢石松散系數(shù)、廢石自然安息角、底部結(jié)構(gòu)等因素綜合影響。

采用新采礦方法對(duì)于該類礦體進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，嚴(yán)格意義上只要留設(shè)足夠高的夾層，廢石即可全部保留在采場(chǎng)內(nèi)，不宜以廢石運(yùn)輸量評(píng)價(jià)其適用性。其最大特點(diǎn)是在回采上盤(pán)礦體時(shí)能協(xié)同利用下盤(pán)空區(qū)作為自由爆破空間，對(duì)一定高度的礦體進(jìn)行大規(guī)模崩礦?；谠撎攸c(diǎn)，多層傾斜—急傾斜礦體礦廢分離協(xié)同度T可表示為，

由式（10）可知，當(dāng)未爆破夾層高度h越小時(shí)，T值越大，說(shuō)明上盤(pán)礦體能進(jìn)行大規(guī)模崩礦的高度大，分層爆破的高度越小，回采效率就越高，本研究方法優(yōu)勢(shì)就越顯著。

4 工程案例

4.1 云南某銅礦多層緩傾斜礦體

云南某銅礦礦床屬典型的多層緩傾斜難采礦體，多層狀產(chǎn)出（1～3 層）；礦體和圍巖中等穩(wěn)固；礦石以石英砂巖為主，圍巖為紫色砂巖和泥質(zhì)砂；礦石硬度系數(shù)f=10～12，圍巖砂巖f=10～12，泥巖f=6～8；礦石密度為2.66 t/m3，圍巖密度為2.64 t/m3；礦巖完全松散系數(shù)為1.6。因礦體埋藏深不適合用充填采礦方法開(kāi)采，礦山針對(duì)不同礦體的賦存條件采用多種采礦方法，對(duì)于單層礦體多采用留礦采礦法；雙層礦體多采用淺孔雙分層空?qǐng)龇恐?，夾石層管理復(fù)雜；對(duì)于3層或3 層以上礦體，直接將夾層作為礦石全部混采，導(dǎo)致貧化率增大。

礦山某礦段為3層礦體，礦體厚度自下而上分別為3.8 m、5 m、4 m；夾層厚度分為2 m、3.5 m；礦體和夾層傾角基本一致，厚度變化不大。設(shè)礦山所用鑿巖臺(tái)車和裝藥臺(tái)車最低作業(yè)高度均為3 m，安全作業(yè)最大高度為6 m。采用礦廢分離協(xié)同采礦方法對(duì)上述礦段進(jìn)行了回采設(shè)計(jì)，具體思路為：

（1）采用傳統(tǒng)全面法開(kāi)采第1 層礦體，空間高度為3.8 m；采用鑿巖臺(tái)車向上鑿巖平行中深孔至第3層礦體。

（2）采用裝藥臺(tái)車裝藥崩下第1 夾層，根據(jù)礦石松散系數(shù)算出廢石高度為2×1.6=3.2 m，空間高度為3.8+2-3.2=2.6 m，小于最低作業(yè)高度3 m，需要運(yùn)出0.4 m厚的廢石，方可達(dá)到3 m作業(yè)高度。

（3）對(duì)廢石表面整平并做分離處理，而后對(duì)第2層礦體分次爆破，第1次爆破高度為2 m，礦石全部運(yùn)出，作業(yè)高度為5 m；第2次爆破3 m，上部空間高度為3.2 m。

（4）以礦石為作業(yè)平臺(tái)對(duì)第2 層夾層進(jìn)行裝藥，裝藥作業(yè)完成后全部將礦石運(yùn)出，空間高度為8 m；崩下第2 層夾層，廢石厚度增加5.6 m，上部空間高度達(dá)5.9 m，滿足安全作業(yè)高度。

（5）對(duì)廢石表面整平并做分離處理，對(duì)第3 層礦體一次性裝藥爆破，礦石全部運(yùn)輸采場(chǎng)。

在上述過(guò)程中，需要從采場(chǎng)內(nèi)運(yùn)出廢石厚度0.4 m，無(wú)需從場(chǎng)外運(yùn)廢石充填，總運(yùn)輸廢石厚度為0.4 m，崩落下廢石總厚度為1.6×（2+3.5）=8.8 m。因廢石量可通過(guò)厚度換算得出，則可根據(jù)式（2）間接計(jì)算出廢石分離協(xié)同度：

由計(jì)算結(jié)果可知：礦廢分離協(xié)同度很高，說(shuō)明該礦段非常適合采用新方法進(jìn)行開(kāi)采，可在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高效開(kāi)采的同時(shí)，還可以將約8.4 m 厚的廢石保留在采場(chǎng)內(nèi)。按每個(gè)采場(chǎng)規(guī)模為沿傾向斜長(zhǎng)40 m，沿走向50 m 計(jì)算，保留在采場(chǎng)內(nèi)廢石量約2.7 萬(wàn)t，可大幅度降低廢石運(yùn)輸成本和廢石處理成本，具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

4.2 貴州某磷礦急傾斜兩層礦體

貴州某磷礦位于川黔南北構(gòu)造帶上，為大型沉積磷礦巖礦床，某礦段內(nèi)同時(shí)賦存兩層礦體，礦層產(chǎn)狀與巖層基本一致，傾角為80°；下盤(pán)礦體平均厚約11 m，礦石硬度系數(shù)f=6～8；上盤(pán)礦體平均厚17 m，礦石f=8 ～10，兩礦層均屬中等穩(wěn)固，礦層直接頂板和直接底板穩(wěn)固性較好；兩礦層間有一穩(wěn)定夾層，由含磷白云巖和硅質(zhì)團(tuán)塊磷塊巖兩部分組成，平均厚度約3 m，礦巖完全松散系數(shù)為1.6，自然安息角約為45°。由于夾層及頂?shù)装鍙U石中所含礦物成分對(duì)選礦回收指標(biāo)影響較大，因此采礦過(guò)程中需嚴(yán)格控制礦石貧化。目前礦山采用大直徑深孔或中深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開(kāi)采，階段高度為70 m，底柱厚15 m，采場(chǎng)高度55 m，采用塹溝式底部結(jié)構(gòu)，礦石采用電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)出礦。對(duì)于夾層處理可根據(jù)厚度情況采用預(yù)剔除或礦廢混采方式；夾層預(yù)剔除受巖石夾制作用爆破困難，需采用分段爆破，效率較低，崩下廢石需全部運(yùn)出采場(chǎng)；礦廢混采則會(huì)導(dǎo)致礦石貧化率增大。采用本研究礦廢分離協(xié)同采礦方法對(duì)該礦床進(jìn)行了開(kāi)采設(shè)計(jì)，具體思路為：

（1）礦房、礦柱布置方式與礦山采用的大直徑深孔嗣后充填采礦方法不變，即按15 m 寬垂直礦體走向方向依次布置，長(zhǎng)為礦體厚度（含夾層），在上部階段布置大孔鑿巖硐室，分別對(duì)兩礦體進(jìn)行拉底水平布置塹溝受礦硐室，礦體部分采用潛孔鑿巖臺(tái)車從鑿巖硐室底板向下鑿平行深孔至受礦硐室頂板，夾層炮孔長(zhǎng)度L按步驟（2）確定，炮孔角度與礦體傾角一致。

（2）未爆破夾層高度計(jì)算。因底柱礦量不回收，Kv取0.7，將相關(guān)參數(shù)代入式（8），可計(jì)算出未爆破夾層高度h= 21．1 m，根據(jù)式（9）計(jì)算出夾層炮孔長(zhǎng)度L= 49．7 m。

（3）首先采用VCR 法對(duì)下盤(pán)礦體進(jìn)行分段下向大量崩礦，礦石全部運(yùn)出；然后一次性側(cè)向崩落廢石，廢石全部堆積在空區(qū)內(nèi)，采用速凝漿料對(duì)廢石表面進(jìn)行膠結(jié)處理。

（4）分兩步對(duì)上盤(pán)礦體進(jìn)行回采，第1 步先將受礦硐室往上6.1 m 高的礦體崩落，并將礦石全部運(yùn)出；第2 步首先利用下盤(pán)的空區(qū)作為爆破補(bǔ)償空間，采用微差爆破方式對(duì)剩余部分礦石一次性側(cè)向崩落，然后大規(guī)模出礦，最后采用充填料對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填。

上述開(kāi)采設(shè)計(jì)思路有效解決了傳統(tǒng)采礦方法中先剔除夾層過(guò)程中存在因巖石夾制作用致使爆破困難的問(wèn)題，利用超出底柱6.1 m 高的夾層擋住廢石，廢石基本不需運(yùn)出采場(chǎng)，每個(gè)采場(chǎng)廢石運(yùn)輸量減少約6 500 t（圍巖密度按2.64 t/m3計(jì)算），上盤(pán)可一次性崩礦的高度為48.9 m。根據(jù)式（10）可計(jì)算出礦廢分離協(xié)同度達(dá)88.9%，說(shuō)明新采礦方法具有很高的適用性，既能有效提高回采效率，又能有效降低礦石貧化率和廢石運(yùn)輸成本，與傳統(tǒng)采礦方法相比具有一定的優(yōu)勢(shì)。

5 新采礦方法評(píng)價(jià)及應(yīng)用前景

5.1 新采礦方法評(píng)價(jià)

（1）本研究提出的礦廢分離協(xié)同采礦方法，利用下部礦體開(kāi)采留下的空間作為上部礦體回采的自由空間，有助于減少上部礦體采準(zhǔn)切割工作量，實(shí)現(xiàn)礦體連續(xù)開(kāi)采，大幅度提高采場(chǎng)生產(chǎn)能力，將不利因素轉(zhuǎn)變成有利因素。

（2）在采場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)礦廢分離，充分利用礦體回采留下的空區(qū)堆放廢石，實(shí)現(xiàn)廢石不出或少出采場(chǎng)，大幅度降低廢石搬運(yùn)和處理成本，有效降低礦石貧化率，有利于保護(hù)地表環(huán)境，推進(jìn)綠色礦山建設(shè)。

（3）該方法有助于解決只采礦體保留夾石層頂板管理難題，能有效防止夾層大面積垮落造成沖擊地壓等災(zāi)害事故發(fā)生，同時(shí)減少為維護(hù)夾層穩(wěn)定而保留礦體造成的礦石損失。

（4）保留在空區(qū)內(nèi)的夾層廢石含有一定的品位，隨著資源消耗和選礦技術(shù)提高，當(dāng)廢石中的有用礦物含量達(dá)到經(jīng)濟(jì)品位時(shí)，可直接將廢石直接放出進(jìn)行資源二次開(kāi)發(fā)利用。

（5）需要做好探礦勘察工作，充分論證新方法的適用性，此外，鑿巖、裝藥、爆破作業(yè)精細(xì)度要求較高，還需做好礦廢分隔作業(yè)等工作。

5.2 應(yīng)用前景

（1）隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源逐漸開(kāi)發(fā)殆盡，大量難采礦體成為開(kāi)發(fā)利用的重要目標(biāo)，如何實(shí)現(xiàn)多夾層復(fù)雜礦體安全、高效、經(jīng)濟(jì)開(kāi)采，是許多礦山企業(yè)面臨的重大問(wèn)題。傳統(tǒng)采礦方法因存在的技術(shù)缺陷已經(jīng)無(wú)法滿足生產(chǎn)需要，亟需進(jìn)行采礦技術(shù)變革和創(chuàng)新。目前，本研究提出的礦廢分離協(xié)同采礦方法在工程實(shí)踐中尚未得到大量應(yīng)用，但因其具有較明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在多夾層復(fù)雜礦體安全、高效、經(jīng)濟(jì)開(kāi)采方面具有較好的應(yīng)用前景。

（2）隨著礦山機(jī)械裝備朝著智能化、數(shù)字化、無(wú)人化方向快速發(fā)展，將來(lái)各種適用于多層復(fù)雜難采礦體開(kāi)采的裝載、鑿巖、裝藥等先進(jìn)裝備會(huì)被礦山廣泛使用；高智能先進(jìn)裝備的多環(huán)節(jié)配合使用，將會(huì)不斷提高礦廢分離協(xié)同采礦方法的適用性，有助于促進(jìn)該方法推廣應(yīng)用。

（3）隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，對(duì)礦山環(huán)境的保護(hù)要求越來(lái)越高，礦廢分離協(xié)同采礦方法有助于減少?gòu)U石排出地表，有利于地表環(huán)境保護(hù)和綠色礦山建設(shè)。

6 結(jié) 論

（1）在“無(wú)廢開(kāi)采”和“協(xié)同開(kāi)采”理念指導(dǎo)下，結(jié)合多夾層礦體的開(kāi)采技術(shù)難題，提出了多夾層礦體礦廢分離協(xié)同采礦方法，并對(duì)兩種典型傾角多夾層礦體的具體開(kāi)采實(shí)施思路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（2）對(duì)新采礦方法的適用條件進(jìn)行了分析，從理論上建立了多夾層水平—緩傾斜礦體的最優(yōu)協(xié)同厚度關(guān)系，推導(dǎo)了多夾層傾斜—急傾斜礦體未爆破夾層最優(yōu)協(xié)同高度計(jì)算公式，并對(duì)兩種類型礦體的礦廢分離協(xié)同度進(jìn)行了定義，量化表征了該方法的適用性。

（3）以云南某銅礦多層緩傾斜礦體和貴州某磷礦急傾斜兩層礦體為例，分別闡述了該方法的具體應(yīng)用設(shè)計(jì)思路。該方法與傳統(tǒng)采礦方法相比在減少?gòu)U石排放、降低礦石貧化損失率、提高回采效率等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

（4）新方法有助于解決多夾層復(fù)雜礦體開(kāi)采技術(shù)難題，對(duì)于實(shí)現(xiàn)礦體安全、高效、綠色開(kāi)采有一定的參考價(jià)值，有較好的推廣應(yīng)用前景。