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Ⅳ 空場采礦法
(一)全面采礦法
1.概述
在薄和中厚(小於5~7m)的礦石和圍岩均穩固的緩傾斜(傾角一般小於30°)的礦體中應採用全面采礦法。它的特點是工作面沿礦體走向或沿傾斜全面推進,在回採過程中將礦體中的夾石或貧礦(有時也將礦石)留下,呈不規則的礦柱以維護采空區,這些礦柱一般作永久損失,不進行回採。個別情況下,用這種方法回採貴重礦石,也可不留礦柱,而用人工支柱(混凝土支柱、木垛及木支柱等)支撐頂板。
2.結構和參數
開采水平和微傾斜礦體時,將井田劃分為盤區,工作面沿盤區的全寬向其長軸方向推進。用自行設備運搬時,盤區的寬度取200~300m;用電耙運搬時,取80~150m。盤區間留礦柱,寬度為10~15m到30~40m。
開采緩傾斜礦體時,將井田劃分為階段。階段高度為15~30m,階段斜長為40~60m,階段間留礦柱2~3m。
3.采准與切割
這種采礦方法的采准與切割工作比較簡單。掘進階段運輸巷道,在階段中掘1~2個上山,作為開切自由面;在底柱中每隔5~7m開漏口;在運輸巷道另一側,每隔20m布置一個電耙絞車硐室(圖5-5-1)。當採用前進式回採順序時,階段運輸巷道應超前於回採工作面30~50m。
圖5-5-1 全面采礦法示意圖
4.回採工作
回採工作自切割上山開始,沿礦體走向一側向兩側推進。當礦體厚度小於3m時,全厚一次回採;礦體厚度大於3m時,則以梯段工作面回採。
5.對全面采礦法的評價
全面采礦法工藝簡單,采准和切割工作量小,生產效率較高,成本較低。但由於留下礦柱不回採,礦石損失率可達10%~15%以上。
(二)房柱采礦法
1.概述
房柱法是空場采礦法的一種,將階段(緩傾斜、傾斜礦床)或盤區(水平、微傾斜礦床)劃分成若干個礦房與礦柱(留有規則的不連續的礦柱)。回採工作在礦房中進行,礦柱在一般情況下不進行回收。房柱法是用在開采圍岩與礦石都很穩固、傾角較小(小於30°~40°)、厚度適用范圍較大(自2m至數十米厚)的礦床。當開采薄礦層時,房柱法使用淺眼崩礦和電耙運搬方案;當礦體規整且厚度比較大,可使用深孔崩礦方案;若礦體為傾角較緩,近乎水平,厚度較大的礦床,可以採用鑿岩台車、鏟運機、裝運機、地下電鏟、自卸汽車等大型機械化設備開采方案,國外不少礦山在採用這種方案。房柱法是地下采礦方法中勞動生產率比較高的方法之一。
2.典型方案
我國著名的錫礦山銻礦,成功地使用了淺眼落礦的房柱法,積累了豐富的經驗。該礦的礦石堅硬(f=10~16)穩固,礦體頂板由穩固到不夠穩固變化較大。在頂板不夠穩固的礦房中採用了錨桿支護頂板。礦體傾角—般為10°~20°,局部達40°。礦體厚度1~10m左右,平均4~6m。該礦在頂板岩石穩固的礦體中,大量使用淺眼房柱法(圖5-5-2)。礦房長軸沿礦體傾斜方向布置,寬度10~15m,兩側留間隔的礦柱。礦柱直徑為4~5m,間距12~14m。礦房斜長由電耙有效運搬距離而定,一般為60m以下。沿礦體走向每隔4~6個礦房劃為—個盤區,盤區之間留有長條連續礦柱,其寬度為3~4m,如圖5-5-3所示。
3.采准和切割
階段主要運輸平巷為單軌巷道,斷面2.6m×2.4m,位於底板內,距離礦體為4~6m。從運輸平巷一側向每個礦房開鑿一個礦溜子,斷面2m×2m,長5~6m。在礦溜子頂部,緊靠礦房下部邊界沿走向掘進脈內拉底平巷。此外,在每個礦房中央沿底板開掘一條切割上山與上部回風平行貫通,上山(緩傾斜礦體稱上山,急傾斜礦體則稱天井)的斷面2m×2m,他作為拉底和回採時行人、通風和爆破自由面之用。每個礦房還掘鑿一個電耙絞車硐室。
圖5-5-2 淺眼崩礦的房柱法示意圖
圖5-5-3 盤區隔離礦柱
4.礦房回採
完成采准切割工作以後,就可以開始回採礦房,具體回採方式隨礦體厚度與傾角不同而異。礦體厚度小於2.5~3m時,可按全厚一次回採,沿走向或逆傾斜推進;礦體厚度大於3~3.5m時,應先在礦體底部拉底,然後用上向眼挑頂。拉底和回採時,均須從拉底平巷和切割上山相交處開始,用水平淺眼以階梯形工作劇自下而上逆傾斜推進,充分利用兩個自由面刷幫爆破。拉底層高度為2.5m左右。整個礦房拉底完畢後,再用挑頂炮眼回採上部礦石,根據礦體厚度和上向炮眼深度來確定挑頂層數。挑頂回採的方向可逆傾斜自上而下。礦體厚度不大於5m時,只需挑一次頂,此時所有挑頂炮眼可以整層一次爆破,以提高礦房生產能力。若礦體厚度在5~7.5m時,挑頂工作面形成倒台階式,並且在底板上靠近工作面處局部留礦,以便工人站上打眼放炮,如圖5-5-4所示。在錫礦山的房柱法中,所留礦柱均作為永久支護,一般不進行回收。
圖5-5-4 上向倒台階工作面
用淺眼崩礦的房柱法在回採10m以上厚礦體時,需在礦房留礦堆上挑頂回採,作業效率不高,並且由於不能大量出礦,礦房生產能力受到限制。
在近20年裡,由於轉胎式和履帶式的鑿岩、裝載、運搬等設備的迅速發展,在房柱法中,已廣泛開始使用無軌開采方案,大大地提高了礦房生產能力。
圖5-5-5是緩傾斜礦體的一種無軌機械開採的房柱法方案。礦體傾角近似水平,礦體厚16~24m。礦石和頂底板圍岩均穩固。回採時首先切頂,切頂層高度為5m。使用鑿岩台車打水平淺眼,出礦用鏟斗裝載機和翻斗車。礦房內留下規則的直徑8~10m的間隔礦柱。從切頂層用露天礦用的履帶式鑽車打下向平行深孔。崩下礦石用1m3的短臂電鏟和翻斗卡車裝運。為了保證回採安全,在切頂時用2.4m長的水泥砂漿錨桿支護頂板圍岩。此外,還使用一種安裝在卡車上的液壓升降台檢查頂板,它可以升高到30m高處進行作業。該方案的礦石回收率為82%~84%。採用無軌行走機械設備,礦體的傾角不能大於5°~6°。
房柱法使用無軌自行設備,並不限於在厚礦體。礦體厚度大於3m就可以使用無軌設備。若礦體很厚,底板傾角又大於5°~6°,為了使用無軌機械開采方案,可將礦房沿走向布置,並且用水平分層自上而下回採,如圖5-5-6所示。
圖5-5-5 厚礦體無軌開採的房柱法
5.對房柱法的評價
房柱法是開采緩傾斜礦床的主要采礦方法。它的主要優點:
(1)采准工作量小,回採工序簡單,坑木消耗少,通風良好,作業安全,勞動生產率比較高;
(2)由於礦體緩傾斜,便於使用高效率的大型無軌採掘設備,可實現機械化開采。
近年來,出現在房柱法中使用大型鏟斗裝運機和大型自卸汽車。在地下采礦方法中,開采大型厚礦床的房柱法的機械化程度和勞動生產率常常是最高的。
圖5-5-6 礦方沿走向布置的房柱法
(三)分段空場采礦法
1.概述
分段空場采礦法(簡稱分段法)是在階段內分成若干采區,而采區又分為礦房、間柱、頂柱和底柱。沿礦房全高劃分為若干個分段。回採礦房時,工人在分段巷道內鑽鑿垂直扇形深孔。這種采礦方法的顯著特點是回採工作面為垂直的,並向垂直自由空間(立槽)崩落礦石。無論是鑿岩或出礦,工人都在巷道內,不在采空區內,作業比較安全,這和房柱法不同。根據礦體厚度不同,分段法可沿走向或垂直走向布置礦房。一般礦體厚度在18~20m以內時,採用沿走向布置礦房。
圖5-5-7 沿走向布置的分段鑿岩階段礦房法
2.典型方案
圖5-5-7是分段采礦法沿走向布置礦房的典型方案。
3.結構參數
礦房長度根據圍岩的穩固程度及頂板允許的暴露面積來決定,一般為40~60m。礦房寬度等於礦體厚度,可達20m左右,因用這種采礦法的礦體圍岩很穩固,傾角又大,可增加階段高度,一般為50~70m。
礦房的頂柱厚度由礦石和圍岩的穩固性和礦體厚度(即礦房寬度)決定,一般為6~10m。底柱高度,在採用電耙底部結構時為7~11m。間柱寬度一般為8~10m。分段高度決定於使用的鑿岩設備:如用鑿岩機時,分段高度為12~15m;用淺孔鑽時,分段高度可增至15~20m以上。分段高度的增加,可以使分段巷道數目減少,降低采准工作量。
4.采准工作
掘進階段運輸巷道、通風行人天井、電耙巷道、拉底巷道、分段巷道、漏斗頸、放礦溜井、切割天井等。階段運輸巷道的位置,是根據整個階段運輸巷道布置決定,一般沿礦體下盤接觸線布置。通風行人天井大多設在間柱中,從此天井掘進電耙道、拉底巷道和分段巷道。每一分段水平一般掘進一條分段巷道,其平面位置的確定原則是保證排內各炮孔之深度較均勻,不出現過深的炮孔。切割天井的位置,一般布置在礦房的中央或礦體最厚的部位。
5.切割工作
包括拉底、辟漏和開立槽。拉底和辟漏工作同時進行。因為回採工作面是垂直的,礦房下部的拉底和辟漏工程,不需要一次全部完成,而是隨著工作面的向前推進逐步進行。一般情況下,拉底和辟漏工程超前工作面1~2排漏斗的距離。
開立槽的方法有兩種:淺孔法和中深孔法。淺孔法開立槽寬度為2~3.5m,採用淺孔留礦法進行拉槽。
中深孔法開立槽寬度為5~8m(圖5-5-8)。以切割天井2作為鑿岩天井,其中設有木架平台或吊盤,打直徑為60mm左右的水平扇形炮孔1,分次向上落礦,直至礦房全高。我國中條山胡家峪礦工人和技術人員創造了一種用爆力運搬的方法開立槽,效果很好。
6.回採工作
以切割立槽為自由面,在分段巷道中,用重型鑿岩機打垂直上向扇形深孔。孔徑60~75mm,每次爆破1~5排炮孔。礦房出礦用電耙絞車,在電耙道中將礦石耙入溜礦井。
圖5-5-8 中深孔拉槽法
7.分段空場采礦法的評價
分段采礦法具有回採工作安全、通風良好、礦房回採強度大等優點。它適用於開采礦石與圍岩都很穩固的厚和極厚的急傾斜礦床。
由於在分段巷道鑿岩,可以採用多機同時作業,礦房生產能力較高,用少數采區即可滿足礦山年產量。當礦房寬度為8~12m,分段高度為10~12m,礦房每晝夜生產能力為70~120m3;當礦體厚度為16~18m,分段高度在12m以上時,最大生產能力為每晝夜200~250m3。這種采礦方法的缺點是采准工作量較大,掘進分段巷道時,機械化程度低,勞動強度大,這是當前礦山實行機械化最薄弱的環節。由於礦柱的礦量佔比重較大,回採礦柱時,礦石損失和貧化率都大。
(四)留礦采礦法
1.概述
留礦采礦法(簡稱留礦法)一直是我國有色金屬和稀有金屬地下開采礦山使用最廣泛的一種采礦方法。因此,所積累的生產經驗是很豐富的。留礦法的礦房布置方式有沿走向的和垂直走向的兩種。礦體厚度在10m以下時,礦房沿走向布置,但在礦石很穩固的情況下,礦體厚度在10m以上和12~15m以下時,礦房也可沿走向布置。礦體厚度在12~15m以上時,礦房應垂直走向布置。現以淺孔留礦法為例進行介紹。
2.淺孔留礦法典型方案
圖5-5-9為淺孔留礦法示意圖。
圖5-5-9 淺孔留礦法示意圖
3.結構參數
礦房長度和暴露面積取決於礦體厚度和礦石與圍岩的穩固程度,礦房長度一般為40~60m,暴露面積一般在400~600m2。間柱寬度和頂柱厚度取決於礦房長度、礦體厚度和礦岩的穩固性,間柱一般是4~6m。底柱高度取決於底部結構形式,當使用普通漏斗出礦時,底柱高度一般取5~6m。階段高度通常是40~60m。
4.采准工作
掘進運輸平巷、天井、聯絡道、拉底巷道及放礦漏斗。當礦體比較薄時,運輸平巷一般在礦體中沿礦體下盤接觸線掘進;當礦體為中厚以上時,運輸平巷可設在礦體中間。通風和人行天井大多布置在間柱中,每隔5m左右設聯絡道與礦房聯通。當礦房長度超過50m時,為了改善礦房通風及安全作業條件,有時在礦房中央另設一輔助天井。沿走向方向每隔5~7m設一個漏斗,為了減少平場工作量,漏斗應盡量靠近下盤。
採用淺孔崩礦其礦石破碎程度較好,一般不需要設置二次破碎巷道。此時少量的大塊可直接在采場中進行破碎。但當大塊產生較多時,應設置二次破碎巷道(或電耙道)進行破碎。這種方法的切割工作比較簡單,只有拉底和辟漏工作。
5.回採工作
包括鑿岩、爆破、通風、局部放礦、檢查頂板、平常及大量放礦。
回採工作自下而上分層進行,分層高度2~2.5m。在礦石比較穩固時,可用上向炮孔,炮孔排列方式如圖5-9所示。當礦石穩固程度較差時,應盡量使用水平炮孔崩礦。炮孔深度1.5~2m,排距1.0~1.2m,炮孔間距0.8~1.0m。回採工作面可以是水平的,也可以是梯段形,梯段長度3~5m,高度1.5~2.0m。
爆破後,礦石體積因破碎而發生膨脹(碎脹),一般堅硬的礦石碎脹系數為1.5。為了保證采場中適當的工作空間,每次爆破後,礦釋放出1/3(稱為局部放礦),其餘留在礦房,直到礦房回採結束後才進行大量放礦,放出全部留下的礦石。局部放礦後,頂板有浮石,留礦堆不平整,為此需要橇頂和平場作業,為下一次鑿岩創造安全和方便的工作條件。礦房中礦石全部放出後,再回採礦柱。
6.對淺孔留礦法的評價
淺孔留礦法具有結構簡單,管理方便及采准工作量小、生產技術易於掌握等優點。它是開采礦石和圍岩穩固的急傾斜薄礦脈極為有效的采礦方法。但是,採用這種采礦方法時,要求礦石不具有氧化性、結塊性及自燃性。當礦體較厚時,應用淺孔留礦法的作業安全性較差。礦房內留下2/3礦石不能及時放出,積壓了資金,而且礦石有可能氧化,因此對放礦和選礦不利。