从总量上来说我国属于矿产资源大国，但从人均占有量上来看，我国矿产资源并不丰富，且很大一部分矿产资源赋存条件差、品位低，开采难度大，其中倾斜薄矿体的开采难度更为突出[1,2,3]。而我国很大一部分锰矿体都属于倾斜薄矿体，且其顶板多为较破碎的炭质页岩、炭质板岩，诸如国内的百源丰锰矿[4]、李家湾锰矿[5]都属于此类情形。在“双碳”背景下[6],锰矿作为重要的战略资源，如何高效安全回采就显得极为重要。

某大型锰矿山矿体平均厚度为2.5 m, 矿体倾角为43°～45°,矿体顶板破碎，目前采用的回采工艺要求人工搬运部分矿石，劳动强度大、安全风险高、生产能力小，严重制约矿山安全生产与达产。因此，亟需研发新的锰矿回采工艺解决上述问题。

1、矿山开采现状

某矿山水文地质条件属简单类型，工程地质条件属中等至复杂类型。矿层直接顶板为炭质页岩，物理力学强度较低，属半坚硬至软弱岩组，顶板围岩结构面较多，存在较多层状构造，顶板围岩稳定性由于节理、构造的影响变得较差；底板围岩以细粒砂岩及含砾砂岩为主，岩石较为坚硬，稳定性好。矿体破碎，存在软硬分层，矿体强度低[7]。根据其工程揭露及开采实践，矿体平均倾角为43°～45°,平均厚度为2.5 m, 属于倾斜薄矿体。

某矿山采用竖井开拓方式，其中主井、副井井筒深度均超千米，属于中大型的深井矿山。目前正在进行Ⅰ期开采工程，Ⅰ期工程回采范围为海拔标高-170～870 m的矿体，最大回采深度达1040 m, 属于典型的千米深井开采[8],矿体平均厚度为2～3 m。矿山最初设计生产能力为60万t/a, 但由于采矿条件复杂以及多方面因素影响，实际生产能力仅为28万～30万t/a。

当前矿山应用的采矿方法类似于长壁式崩落法，将工作面沿矿体走向布置、沿走向后退式开采。工作面呈伪倾斜布置，伪倾角为25°～35°,中段高度为30 m, 沿工作面布设定制支架，人员在支架下作业。采场生产能力为250 t/d[9]。此方法在一定程度上控制了作业面顶板安全，资源回收率较高，能达88%,但劳动强度大、机械化程度低、生产能力难以保证、贫化率高，安全问题没有从本质上得到解决。

2、存在的问题与难点

该矿山开采技术条件复杂，属于深埋难采倾斜薄矿体，存在的问题与开采技术难点如下。

(1) 整体开采技术条件复杂，开采难度大。矿体产状属于倾斜薄矿体，矿体平均倾角为43°～45°,矿体平均厚度为2.5 m, 限制了机械设备的应用；且深部开采带来的“三高一扰动”问题加大了其安全风险；加上矿体顶板及矿岩交界处矿体软弱破碎，且存在软硬分层，开采条件极其复杂，安全高效开采难度极大。

(2) 矿山现行工作面采矿作业方法及工艺安全风险大。矿体埋深超千米，加上部分矿体及上盘围岩破碎，目前采用的采矿方法属于长壁式崩落法的变形，采场作业安全无法得到本质保障，长壁式崩落法沿走向回采，无法满足两个安全出口的要求。

(3) 现有采矿方法生产能力较低，井下作业人员劳动强度大，作业环境差，亟需提高机械化程度。当前使用的采矿方法作业面作业空间小，机械化设备无法应用，依靠浅孔小步距落矿，人工将矿石搬运至溜槽出矿，井下工人作业劳动强度大、作业条件差，同时采场生产效率偏低。

(4) 设计生产能力为60万t/a, 达产难度极大。由于矿山矿体属于薄至极薄的倾斜矿体，赋存条件差，且顶板围岩为炭质页岩，矿体又存在软硬分层以及破碎带，矿体及顶板围岩稳固性差，深井开采又进一步加大了开采难度。当前矿山应用的采矿方法劳动强度大，机械化设备难以应用，作业面安全风险高，各方面因素的限制导致要达到设计的60万t/a生产能力难度极大。

(5) 目前采矿方法对矿体厚度产状变化适应性差。目前使用的长壁式崩落法需要在工作面安装定制的掩护支架，作业人员在支护体下作业。但矿山定制的掩护支架仅有两种规格，而矿体厚度变化较大，当支架规格大于矿体厚度时，势必将要回采部分废石，当支架规格小于矿体厚度时则将损失一部分矿体，从而增大整体的贫化损失[10]。

(6) 采矿成本偏高，影响企业整体经济效益。受限于上述诸多问题，该矿山采矿成本较常规矿山偏高，加之企业不能达产，因此对企业整体经济效益造成很大的不利影响。

综上所述，该矿具有“深、薄、破碎、倾斜”等四大不利于采矿的因素，导致在采矿作业安全、采矿能力和效率、生产成本与经济效益等方面均面临巨大挑战，亟需结合矿体开采技术条件与企业现状选择最合适的采矿方法。

3、回采方案优选

根据矿山工程揭露情况，矿体及顶板的稳固性均不好，允许的安全暴露面积较小和时间较短，采用空场法无法取得较好的效果，因此不推荐空场法；又由于矿区并未建设选厂，矿山周边附近也没有其他厂矿，不能采用尾砂充填，且矿体较薄，充填采矿法难以满足产能要求，因此暂不考虑充填采矿法进行开采。而矿山对崩落法工艺掌握较好，且矿体埋藏较深，采用崩落法最合适[11,12,13,14]。

根据各种类型崩落法的工艺特点及使用条件，结合该矿山当前的开采技术条件，可作出如下判断。

(1) 壁式崩落法及分层崩落法工序复杂、实际操作难度大，人员和设备在破碎顶板或假顶下作业，作业本质安全无法得到有效保障，且采场生产能力小、效率低，因此不适合在此应用。

(2) 阶段强制崩落法与自然崩落法均适合用于低品位厚大矿体的回采，由于矿体厚度太小，采用上述两种方法出矿贫化无法控制，因此也不适合采用。

(3) 有底柱分段崩落法的缺点在于采切工程量普遍较大，单采场准备时间过长，底柱损失矿量大，且自铲运机等高效无轨设备推广应用后，有底柱分段崩落法逐步被无底柱分段崩落法取代，也不考虑。

因此，崩落法中可考虑的方法为无底柱分段崩落法[13]。由于矿体厚度太小且上盘为软破炭质页岩，为减少出矿时废石提前混入的风险，考虑降低分段高度以控制贫化损失。相对于目前采用的长壁式崩落法，无底柱分段崩落法无论是在作业安全、采场生产能力，还是作业机械化程度、工人作业强度及环境等方面都具有显著优势。同时，相比于现行采矿方法，选用小分段无底柱崩落法还有下述优点。

(1) 从保证回采作业安全角度来看：采用小分段无底柱崩落法，人员在支护好的分段凿岩巷道中作业，安全性更高。

(2) 从保证矿山生产能力角度来看：小分段无底柱崩落法采用中深孔分段崩矿，铲运机出矿，且能上下分段阶梯式同时回采，采场作业机械化程度高，生产能力大、效率高，有利于达到60万t/a的矿山设计生产能力。

(3) 从采矿方法作业复杂程度来看：小分段无底柱崩落法采用中深孔分段崩矿，铲运机出矿，生产工序相对简单，易于掌握。

综上所述，根据各种类型采矿方法开采工艺的特点，结合实际开采技术条件，推荐该矿体采用生产能力大、安全性好的小分段无底柱崩落法。

4、小分段无底柱崩落法典型方案

4.1 方案简述

小分段无底柱崩落法典型方案如图1所示。将阶段划分为分段，但不专门布置脉外分段运输巷，而是在每个分段利用联络道连接分段凿岩巷道与斜坡道；并在采场两端布置一条切割天井，作为后续落矿的补偿空间，分段联络道从采场中部抵达矿体，向两侧掘进分段凿岩巷道，矿体内每个分段沿矿体底板布置一条凿岩巷，分段内不布置底部结构，而是在分段凿岩巷道中直接进行落矿与运搬。分段间自上而下进行回采，上分段进度应超前下分段20 m以上，形成阶梯状。分段回采矿石过程中，利用不断崩落的围岩形成覆盖层并以此充填采空区。分段回采是在分段凿岩巷道中施工上向平行炮孔，以小崩矿步距向充满松散围岩的崩落区进行挤压爆破；崩下的矿石则采用铲运机从分段脉内凿岩巷搬运至溜井。

图1 小分段无底柱崩落法  

4.2 采场布置及结构参数

矿块沿矿体走向划分，长80～120 m, 采场高即阶段的高度，为30 m, 而宽为矿体的厚度，分段高度为7～8 m。在采场两端沿矿体倾向布置切割天井，沿走向布置分段回采巷道，采场中部布置联络巷连接分段运输巷与分段回采巷。从两端向中间回采，选用铲运机出矿[15]。

4.3 采准工程布置

采准工程主要有：阶段运输巷、斜坡道、分段联络巷、分段凿岩巷、脉外溜井、切割天井等。采区斜坡道布置在下盘围岩中，连接上下中段运输巷，并在每个分段布置一条分段联络巷连接分段凿岩巷与斜坡道，分段高7～8 m, 在采场两侧布置切割天井，作为落矿的自由空间。每个盘区下盘脉外设置一条溜矿井，垂直布置或沿矿体倾向适当倾斜(倾角不小于70°),连通中段和各分段。

4.4 回采工艺

分段凿岩巷沿采场走向布置，回采时切割天井作为为自由面进行落矿，使用YGZ-90钻机钻凿上向中深孔，炮孔直径为60 mm, 炮孔排距为1.0～1.2 m; 采用2#岩石乳化炸药，数码电子雷管起爆，一次爆破2～3排炮孔。由采场两端向中央后退式回采，上部分段超前下部分段20 m以上，出矿设备选用2 m3铲运机。

4.4.1 采场拉槽

采场可选用的拉槽方式分为切割天井拉槽和无切割天井拉槽两种。其中切割天井拉槽方式如图2所示，切割横巷布置在采场端部，垂直于分段凿岩巷施工，并在矿体下盘施工切割天井，随后以此为自由面爆破成槽。而无切割天井拉槽选用扇形孔逐角度成槽，如图3所示将采场分为拉槽区和侧爆区，在采场拉槽过程中，通过在端部挑顶提供足够的补偿空间，随后按照一定的角度施工上向扇形孔，爆破自由面为凿岩巷，全段面爆破形成切割槽。矿山回采前期适合采用切割天井拉槽方式，待矿山稳产后，可进行扇形孔逐角度成槽法试验。

图2 切割天井拉槽  

图3 扇形孔逐角度成槽   

4.4.2 凿岩爆破

试验采场采用YGZ-90钻机进行中深孔凿岩；炮孔为上向中深孔，采用梅花形布置形式，炮孔深度为8～12 m, 炮孔孔径为60 mm, 炮孔排距为1.0～1.2 m, 炮孔布置如图4所示。

图4 炮孔布置   

采场爆破采用BQF-100装药器向炮孔内装填粉状硝铵炸药，炮孔装药密度约0.9 g/cm3,每米炮孔装药量为3.2 kg左右，炮孔堵塞长度为1.5～2 m, 装药结构如图5所示，炸药单耗为0.6～0.62 kg/t。采用数码电子雷管孔底微差起爆，微差时间为50 ms, 采场一次爆破2～3排炮孔。

图5 炮孔装药结构  

4.4.3 通风出矿

新鲜风由进风井及斜坡道经联络道进入回采工作面，洗刷采场的污风经回风井汇入上中段。采场为独头通风，切割槽爆破后，工作面通风差，需要布置局扇和风筒加强采场通风。

采场崩落矿石由2 m3铲运机出矿。由于无底柱分段崩落法采场出矿是在覆岩下出矿，因此需要严格控制放矿截止品位，当出矿品位低于放矿截止品位时，停止出矿。

4.4.4 覆盖层补充与调控

无底柱分段崩落法是在崩落的覆盖围岩(矿石)下进行放矿，所以无底柱分段崩落法的覆盖层必须在回采初期就形成。而其形成要根据多方面因素来考量，包括地面和井下现状、矿体赋存条件、废石来源、距地表深浅等[16]。通常情况下优先采用自然崩落，当无法进行自然崩落时再选择强制崩落。根据李家湾锰矿前期开采实践，采场回采时其上盘围岩能够顺利垮冒，因此暂时不需要考虑强制放顶措施。

4.4.5 采场凿岩巷支护

分段凿岩巷位于脉内，整体设计采用喷锚网支护，锚杆为2 m长树脂锚杆，网度为800 mm×800 mm, 网片为Φ4.5 mm钢筋加工制成，网格尺寸为70 mm×70 mm, 喷浆支护区域占比取50%,混凝土强度等级为C25,喷层厚度为10 cm。

4.5 两种方案主要经济技术指标及优缺点对比

小分段无底柱崩落法主要经济技术指标及其与俯伪倾斜柔性掩护支架长壁式崩落采矿法对比见表1。

表1 两种方案主要经济技术指标及优缺点对比

5、结论

某锰矿矿体赋存条件极其复杂，属于深埋复杂倾斜薄矿体，具有“深、薄、破碎、倾斜”四大特点。矿体埋藏深度超千米；矿体平均厚度仅为2.5 m, 属于典型的薄矿体；矿体倾角平均为43°～45°;上盘围岩为炭质页岩，稳固性极差，且矿体存在软硬分层现象，根据前期工程实践，脉内巷掘进时，若不及时支护，巷道会在揭露后很快发生破坏。以上特点导致了此矿山矿体资源安全回采难度极大，严重影响其正常达产，生产安全压力大。

对此，综合分析了矿山开采技术条件，在对各类采矿方法进行比较的基础上，根据矿山自身特点，对采用的采矿方法进行更深一步优化改进。最终提出采用不设分段运输巷的小分段无底柱崩落法对矿体进行回采，并对其技术经济指标进行核算。采用小分段无底柱崩落法后，大幅提高了矿山企业机械化程度，降低了作业人员劳动强度，改善了井下作业环境，使矿山生产本质安全得到保障，极大地提高了矿山生产能力，推动了矿山尽快达产。当前此采矿方法已在该矿山得以成功应用，并取得了较好的效果，同时也为此类复杂条件下的深埋倾斜薄矿体的安全高效回采做出了重大实践，提供了工程经验，具有一定的借鉴意义。

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文章来源:张芫涛,林卫星,欧任泽等.深埋复杂倾斜薄矿体高效回采方案研究[J].矿业研究与开发,2023,43(10):1-5.