發(fā)布時間： 2023-08-11

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一、開拓系統(tǒng)

（一）礦床開拓的基本概念

礦床開拓是為開采地下礦床從地面向地下開掘一系列的井筒、硐室、巷道以通達(dá)礦體的地下工程總稱。其目的在于形成運(yùn)輸、提升、通風(fēng)、排水、供電、供水、輸送壓氣以及采場充填等系統(tǒng)，以滿足采礦工藝過程的需要。形成開拓系統(tǒng)的井巷主要有平硐、豎井、斜井、斜坡道、各類盲井、石門、馬頭門、主要運(yùn)輸平巷、主溜井、主充填井、主回風(fēng)巷、風(fēng)井、井底車場及各種主要硐室等。開拓巷道名稱如圖3-1所示。

圖3-1中，凡屬于用來運(yùn)輸、提升礦石的井巷，不管有無地表出口，如主平硐、提升井筒、主斜坡道、盲豎井、盲斜井等，均稱為主要開拓巷道而其他開拓巷道，如通風(fēng)井、溜礦井、充填井、井底車場、階段運(yùn)輸巷道等，在開采礦床時只起輔助開拓作用，稱為輔助開拓巷道。

為開拓礦床而在一定空間內(nèi)所布置的主要開拓巷道和輔助開拓巷道體系，稱為礦床的開拓系統(tǒng)。一個獨(dú)立、完整的開拓系統(tǒng)應(yīng)能在井田范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸、提升、通風(fēng)、排水、供電、供風(fēng)、供水及行人等全部目的，并至少有兩個獨(dú)立的通地表的安全出口。

圖3-2為豎井開拓系統(tǒng)示意圖。它在井田中央布置主井、副井，兩翼布置通風(fēng)井；通過井底車場、石門、階段運(yùn)輸平巷，建立起地表與礦體之間的聯(lián)系。礦石通過溜井下放至破碎碉室，轉(zhuǎn)經(jīng)箕斗提升至地表人員、材料、設(shè)備及廢石提升則通過副井運(yùn)行。全井田通風(fēng)采用對角式通風(fēng)系統(tǒng)，由副井進(jìn)風(fēng)，兩翼風(fēng)井出風(fēng)。井底車場起著連接豎井提升和階段運(yùn)輸之間的交通樞紐作用。

完成這套開拓系統(tǒng)的整個工程，稱為開拓工程。選用何種類型的主要開拓巷道進(jìn)行開拓及開拓巷道在礦床內(nèi)的布置方法，稱為開拓方法。

（二）礦床開拓方法分類

礦床開拓方法，既包含選擇主要開拓巷道的類型，又包括對選定的主要開拓巷道在礦床內(nèi)進(jìn)行合理的布置。因此，設(shè)定主要開拓巷道在礦床開拓中就顯得極為重要。設(shè)定的正確與否，不僅直接影響到礦井的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)的安全，而且還直接影響到開拓工程量、基建投資以及礦井的建設(shè)期限。

礦床開拓方法一般是依照所選用的主要開拓巷道類型來命名的。由于礦床賦存條件的多樣性、地表地形條件的復(fù)雜性，能被用來選擇的礦床開拓方法種類很多，其中有一些隨著采礦技術(shù)的發(fā)展被逐漸淘汰，而另一些則隨著無軌設(shè)備的廣泛使用正在興起。

根據(jù)開拓系統(tǒng)中所用的主要開拓巷道數(shù)目，地下礦床開拓方法可以概括為兩大類單一開拓法和聯(lián)合開拓法。凡用一種主要開拓巷道開拓整個井田，稱為單一開拓法；如果用兩種或兩種以上的主要開拓巷道開拓井田，包括礦床上部用一種主要開拓巷道，下部用另一種主要開拓巷道，則稱為聯(lián)合開拓法。

兩大類開拓方法中，又可按主要開拓巷道的類型及與礦體的位置關(guān)系，劃分為各種不同的開拓方法和方案。具體分類情況見表3-1。

（三）礦床開拓方案的選擇

在礦山設(shè)計(jì)中，選擇礦床開拓方案是總體設(shè)計(jì)中十分重要的內(nèi)容，包括確定主要開拓巷道和輔助巷道的類型、位置、數(shù)目等。

1.開拓方案選擇的基本要求

礦床開拓是礦床開采的一個主要問題，它往往決定整個礦山企業(yè)建設(shè)的全貌，并與礦山總平面布置、提升運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等一系列問題有密切的聯(lián)系。礦床開拓方案一經(jīng)選定并施工之后，很難改變。為此，選擇礦床開拓方案需滿足下列基本要求。

（1）確保工作安全，創(chuàng)造良好的地面與地下勞動衛(wèi)生條件，具有良好的提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等功能。

（2）技術(shù)上可靠，并有足夠的生產(chǎn)能力，以保證礦山企業(yè)均衡地生產(chǎn)。

（3）基建工程量最少，盡量減少基本建設(shè)投資和生產(chǎn)經(jīng)營費(fèi)用。

（4）確保在規(guī)定時間內(nèi)投產(chǎn)，在生產(chǎn)期間能及時準(zhǔn)備出新水平。

（5）提高資源利用率，減少礦石損失。

（6）與開拓方案密切關(guān)聯(lián)的地面總布置，應(yīng)不占或少占農(nóng)田。

2.開拓方案選擇的影響因素

（1）地形地質(zhì)條件、礦體賦存條件，如礦體的厚度、傾角、偏角、走向長度和埋藏深度等。

（2）地質(zhì)構(gòu)造破壞，如斷層、破裂帶等。

（3）礦石和圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，如堅(jiān)固性、穩(wěn)固性等。

（4）礦區(qū)水文地質(zhì)條件，如地表水（河流、湖泊等）、地下水、溶洞的分布情況。

（5）地表地形條件，如地面運(yùn)輸條件、地面工業(yè)場地布置、地面巖體崩落和移動范圍，外部交通條件、農(nóng)田分布情況等。

（6）礦石工業(yè)儲量、礦石工業(yè)價值、礦床勘探程度及遠(yuǎn)景儲量等。

（7）選用的采礦方法。

（8）水、電供應(yīng)條件。

（9）原有井巷工程存在狀態(tài)。

（10）選廠和尾礦庫可能建設(shè)的地點(diǎn)。

二、采礦方法

地下采礦是在采區(qū)（或礦塊）中進(jìn)行回采作業(yè)。通常將采區(qū)再劃分為礦房和礦柱，一般是先采礦房，再回收礦柱。采礦方法是開采采區(qū)（礦塊）礦石的方法，它包括采準(zhǔn)、切割及回采3項(xiàng)工作。

（一）采礦方法的分類

由于礦床埋藏條件復(fù)雜，礦巖性質(zhì)變化大以及其他原因，應(yīng)用的采礦方法種類繁多。根據(jù)回采時地壓管理方法，地下采礦方法歸納為三大類空場采礦法、崩落采礦法和充填采礦法。

1.空場采礦法

空場采礦法由于主要依靠圍巖自身的穩(wěn)固性和留下的礦柱來管理地壓，因此一般適用于礦巖穩(wěn)固的礦體開采。其基本特點(diǎn)是除沿走向布置的薄和極薄礦脈以及少量房柱法外，礦塊一般劃分為礦房和礦柱兩步驟回采，先采礦房，后采礦柱礦房回采過程中留下的空場暫不處理并利用空場進(jìn)行回采和出礦等作業(yè)；礦房開采結(jié)束后，根據(jù)開采順序的要求，在空場下進(jìn)行礦柱回采根據(jù)所用采礦方法和礦巖特性，決定空場內(nèi)是否留礦柱及其礦柱形式。

空場采礦法具體形式很多，但應(yīng)用較為廣泛的是房柱法（全面法）、留礦法、分段鑿巖階段礦房法和階段鑿巖階段礦房法。圖3-3為房柱法示意圖。

2.崩落采礦法

與空場法和充填法利用圍巖本身穩(wěn)固性和礦柱或充填體支撐頂板巖層、被動管理地壓不同，崩落法是通過有計(jì)劃地強(qiáng)制或自然崩落圍巖，消除地壓存在和產(chǎn)生的根源，主動管理地壓。其主要特點(diǎn)是隨采礦工作面的推進(jìn)，有計(jì)劃地強(qiáng)制崩落，或借助自然應(yīng)力崩落采場頂板或兩幫圍巖，充填采空區(qū)，以控制和管理采場地壓。

崩落采礦法能實(shí)現(xiàn)單步驟回采礦塊，消除回采礦柱時安全條件差、損失與貧化大的弊端。但其首要使用前提條件是地表允許陷落，而且由于放礦是在覆蓋巖石下進(jìn)行的，損失與貧化率較高，因此，一般適應(yīng)于價值不高的礦體或低品位礦體的回采。隨著環(huán)保問題日益受到重視，該類采礦方法使用比重有越來越小的趨勢。國內(nèi)外常見的崩落法回采方案包括3類有底柱分段崩落法、無底柱分段崩落法和自然崩落法。有底柱分段崩落法如圖3-4所示，無底柱分段崩落法如圖3-5所示。

3.充填采礦法

在回采過程中，按照回采工藝的要求，用充填料回填采空區(qū)的采礦方法稱為充填采礦法。根據(jù)礦床開采技術(shù)條件和所采用的回采方案的不同，充填料可以是分次或一次充入采空區(qū)。前者稱為分層充填，后者稱為嗣后充填或事后充填。

充填的目的是支護(hù)巖層，控制采場地壓活動防止地表沉陷，保護(hù)地表地物提供繼續(xù)向上回采的工作平臺（類似于留礦法功能）改善礦柱受力狀態(tài)（由單軸受壓變?yōu)槿S受壓），保證最大限度地回收礦產(chǎn)資源保證安全回采有內(nèi)因火災(zāi)危險(xiǎn)的高硫礦床控制深井開采巖爆，將低深部地溫保證露天、地下聯(lián)合開采時生產(chǎn)的安全處理固體廢料，保護(hù)環(huán)境。

由于充填采礦法能夠最大限度地回收礦產(chǎn)資源，保護(hù)地下、地表環(huán)境，特別是近些年來，隨著充填材料、充填工藝、管道輸送裝備和技術(shù)的不斷進(jìn)步，充填采礦法在有色金屬礦山和貴重金屬礦山開采中得到廣泛應(yīng)用。隨著充填成本的不斷降低和礦產(chǎn)品價格的持續(xù)走高，充填采礦法因其無可替代的優(yōu)勢，在煤礦、鐵礦等傳統(tǒng)上不宜采用充填采礦法的礦山，應(yīng)用比重也越來越大。

根據(jù)采用的充填料和輸送方式以及礦體回采方向和充填方式不同，充填采礦法分為上向分層（或進(jìn)路）充填法、下向分層（或進(jìn)路）充填法和嗣后充填采礦法。上向水平分層充填法如圖3-6所示。

不同的采礦方法除滿足其基本條件外，還依據(jù)礦體的產(chǎn)狀和開采技術(shù)條件，派生出不同的采礦方法，采礦方法分類見表3-2。

（二）采礦方法的適用條件

典型采礦方法全面采礦法房柱采礦法留礦采礦法分段礦房法

水平深孔落礦階段礦房法垂直深孔落礦階段礦房法垂直深孔球狀藥包落礦階段礦房法

壁式充填采礦法

上向水平分層充填采礦法上向傾斜分層充填采礦法下向分層充填采礦法

分采充填采礦法方框支架充填采礦法長壁式崩落法短壁式崩落法進(jìn)路式崩落法分層崩落法有底柱分段崩落法無底柱分段崩落法

階段強(qiáng)制崩落法階段自然崩落法

影響地下采礦方法選擇的因素很多，如地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件、安全因素、環(huán)保要求、設(shè)備因素等，這些因素共同限制了各種采礦方法的適用條件。

1.礦床地質(zhì)及水文地質(zhì)

礦石和圍巖的穩(wěn)固性決定著采場地壓管理、采礦方法的選擇和采場構(gòu)成要素及落礦方法礦體傾角主要影響礦石在采場內(nèi)的運(yùn)搬方式方法礦體厚度影響采礦方法和落礦方法的選擇以及礦塊的布置方式。不同礦體賦存條件使用的采礦方法見表3-3。

留礦法的效果也很差。在極薄礦脈中，礦體的形狀是否規(guī)整，接觸接線是否明顯，影響削壁充填法的采用。

開采品位較高的富礦和貴重、稀有金屬時，往往要求采用回采率高、貧化率低的采礦方法，如充填采礦法。盡管這類采礦方法的成本較高，但提高出礦品位和多回收各種金屬所獲得的經(jīng)濟(jì)效益會超過采礦成本的增加。反之，則應(yīng)采用成本低、貧損高的崩落采礦法或空場采礦法。

如果礦物及品位在礦體中的分布比較均勻，一般不采用選別回采的采礦法若礦體很大，則采用大量崩落法。如果礦體的形態(tài)變化大，礦物及品位在礦體中的分布也不均勻，或者礦體的邊界不清楚，必須配合周密的取樣、化驗(yàn)后才能定出礦體邊界時，采用崩落采礦法往往不很成功，而要考慮采用能剔除夾石或分采的采礦方法。緩傾斜礦體可采用留規(guī)則或不規(guī)則礦柱、巖柱的房柱法、全面法等。當(dāng)在同一礦床中具有不同品位且相差很懸殊的多個礦體時，可以采用不同的采礦方法，或采用先采富礦暫時保留貧礦的充填采礦法。

礦體賦存深度超過500~600m或原巖應(yīng)力很大時，地壓增大，有可能產(chǎn)生沖擊地壓或巖爆現(xiàn)象，采用充填采礦法或崩落采礦法較為適宜。

礦石和圍巖中含硫高（或硫、碳均高）、有自燃或發(fā)火傾向時，應(yīng)采用充填采礦法，避免采用留礦采礦法、階段崩落法和大量崩落礦柱的采礦法。

開采放射性礦石，一般采用通風(fēng)條件較好的充填采礦法。具有氧化結(jié)塊性的礦石（含硫較高的礦石）應(yīng)采用空場采礦法或充填采礦法，避免采用留礦采礦法和大量崩落采礦法，以防止礦石結(jié)塊，影響生產(chǎn)。

2.開采技術(shù)條件

在地表移動帶范圍內(nèi)，地表不允許陷落的，在選用采礦方法時要優(yōu)先考慮能保護(hù)地表的采礦方法，如充填采礦法和用充填采礦法處理采空區(qū)的空場法等。

在特定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下或某加工部門對礦石品位、品級、有害成分有特殊要求時，對礦石貧化率的要求會限制某些方法的適用。后續(xù)礦石提升、運(yùn)輸、破碎及加工設(shè)備型號和經(jīng)濟(jì)效果對礦石塊度的要求也會影響采礦方法的選取。如規(guī)模很小的破碎廠或加工廠，不允許采用塊度較大的大直徑深孔落礦或中深孔落礦的采礦方法。

有某些特殊危害的礦山，如礦石中含硫較高易發(fā)生自燃的礦山，應(yīng)優(yōu)先采用充填采礦法，避免采用留礦法、大量崩落法。若開采含放射性元素的礦石，一般采用通風(fēng)條件較好的采礦法。

3.環(huán)境因素

無論地下開采還是露天開采，采礦都要剝離地表土壤和覆蓋巖層，開掘大量的井巷，因而產(chǎn)生大量廢石。選礦過程亦會產(chǎn)生大量的尾礦，帶來廢石和尾礦對礦山環(huán)境的污染。礦石開采會破壞地下水系，其有色金屬粉塵也會造成大范圍環(huán)境污染。

采礦生產(chǎn)，特別是露天開采時，對礦山周圍大氣污染甚為嚴(yán)重。開采規(guī)模的大型化、高效率采礦設(shè)備的使用以及露天開采向深部發(fā)展，使環(huán)境面臨一系列新問題。大型穿孔設(shè)備、挖掘設(shè)備、汽車運(yùn)輸產(chǎn)生大量粉塵，使采場的大氣質(zhì)量急劇下降，勞動環(huán)境日益惡化。粉塵濃度甚至高達(dá)400～1600mg/m3，超過國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)上百倍。爆破作業(yè)產(chǎn)生大量有毒、有害氣體。上述污染物在逆溫條件下，停留在深凹露天礦坑內(nèi)不易排出，是加速導(dǎo)致礦工矽肺病的主要原因。此外，汽車運(yùn)輸還產(chǎn)生大量的氮氧化物、黑煙、4—苯并芘等致癌物質(zhì)。

采礦工業(yè)中噪聲污染甚為嚴(yán)重，引起職業(yè)性耳聾等多種疾病，甚至導(dǎo)致傷亡事故。采掘工作面破壞地面或山頭植被，引發(fā)水土流失，破壞礦山地面景觀；地下坑道的開掘或地表剝離破壞巖石應(yīng)力平衡狀態(tài)，在一定條件下回引發(fā)山崩、地表塌陷、滑坡、泥石流和邊坡不穩(wěn)定，造成環(huán)境的嚴(yán)重破壞和礦產(chǎn)資源的損失，并釀成重大事故。

礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)和利用，是礦山環(huán)保的一項(xiàng)重要內(nèi)容。要正確選擇適宜的采礦方法，保證礦石最高采出率和最低損失及貧化率，同時最大限度縮小對環(huán)境的影響程度，完善采礦方法安全高效環(huán)保的采礦工藝。不同的選礦方法都直接或間接與上述提及的環(huán)境問題相關(guān)。

環(huán)境因素方面，首先要考慮的是地表是否允許崩落。除了崩落采礦法之外，多數(shù)地下采礦方法對地表環(huán)境影響較小。只要采礦方法選擇適當(dāng)，遵守合理的開采順序，可以做到對地表的保護(hù)。

采用充填采礦法時，為防止料漿濃度低，造成對井下的嚴(yán)重污染，提倡采用高濃度（膏體）充填。礦山是生產(chǎn)廢料最多的企業(yè)，有時為了減少固體廢料占地和對環(huán)境的污染，也考慮選擇適當(dāng)?shù)牟傻V方法。

4.采掘設(shè)備

采礦方法選擇在一定程度上是選擇何種設(shè)備。已有的采掘設(shè)備水平往往決定了采礦方法，即設(shè)備決定工藝。隨著礦山設(shè)備的不斷發(fā)展更新，采礦方法也有了很大改變。與時俱進(jìn)，新建礦山的采礦方法選擇要將采掘設(shè)備的因素作為重要內(nèi)容考慮，采用先進(jìn)、適用的采掘設(shè)備。

5.安全因素

選擇采礦方法需兼顧效益與安全，根據(jù)自然條件有針對性地選擇，如巖體性質(zhì)、水文地質(zhì)等情況。技術(shù)條件也決定了采礦方法的適用度，如深井開采工藝的變革與突破，會影響采礦方法的使用條件，甚至創(chuàng)造新的采礦方法。

井巷支護(hù)作為控制因采礦引起地壓問題的有效措施，在保障井下安全生產(chǎn)方面起著非常重要的作用。而支護(hù)方式依據(jù)礦體及圍巖穩(wěn)定性不同，有較大差異。針對不同地質(zhì)條件，選擇相應(yīng)的支護(hù)方式，對避免頂板冒落、采場坍塌等災(zāi)害具有十分重要的意義。

采礦方法選擇不當(dāng)是產(chǎn)生與地壓控制有關(guān)的嚴(yán)重的安全問題。如片幫、冒頂、放礦時形成自然結(jié)拱和大塊卡斗。要處理這些事故，人員和設(shè)備就不可避免地暴露在不穩(wěn)定的巖體下，而懸頂最終下落時又很容易產(chǎn)生空氣沖擊波。因此，任何可能產(chǎn)生安全問題的因素在采礦方法選擇時都要預(yù)先考慮到。選擇人員不在暴露面積大的采場內(nèi)作業(yè)及用人最少的采礦方法。

提高采礦機(jī)械化程度，不僅可以提高勞動生產(chǎn)率，而且降低了工人的體力勞動強(qiáng)度和造成工傷的概率。如過去采用氣腿式鑿巖機(jī)和電耙出礦的采礦方法，現(xiàn)在多數(shù)都改用了無軌設(shè)備。當(dāng)然，采礦機(jī)械化程度的提高，特別是大量柴油設(shè)備的適用，也增加了新的問題。大量采用柴油設(shè)備的坑內(nèi)礦山，必須采取特殊的環(huán)境控制措施，以便提供足夠風(fēng)量排出柴油機(jī)尾氣，降低工作面溫度。

地下礦開采空間小且具有封閉性特點(diǎn)，井下有毒、有害氣體濃度和粉塵濃度及噪聲水平都很高，選擇采礦方法要注意這些方面，同時還要采取有效的防治措施，保證井下人員的安全和健康。

有氡氣釋放的礦山，最好的辦法是加大通風(fēng)量，將氡氣的濃度稀釋到安全的水平。氡容易黏附在柴油機(jī)排出的尾氣顆粒上，用水降塵是最常用的最好的辦法。用洗滌器和陶瓷過濾器可以有效控制柴油機(jī)尾氣。在所有這些環(huán)境下，工作人員必須戴上防毒面具。

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