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摘要：云冶铁矿采矿方法为无底柱分段崩落采矿法，但其礦体产状复杂，难以探明。这使得实际生产中薄至中厚矿体的开采切岩量增加较大，贫化加剧。本文针对此问题提出超宽进路开采方案，并对存在的进路稳定性进行数值模拟，进而在上峪矿区Fe4矿体成功应用此方案。解决了切岩量增加，贫化较大的问题，并提出了进一步研究的方向，使该方案更具有普遍适用性。
关键词：薄至中厚矿体开采，进路宽度，数值模拟，巷道稳定性
1引言
无底柱分段崩落法于上世纪60年代引入我国，由于这种采矿方法，采场结构简单，机械化程度高、效率高，安全性好，所以得到了广泛的推广和使用，至今已经有多年的历史【1】【2】。
但是由于无柱分段崩落法本身开采工艺的特点，使得在矿石回采过充中产生大量的损失及废石的混入，尤其是用此方法开采赋存条件复杂，难以探明的薄至中厚矿体时，更加会加剧矿石的损失以及切岩量的增加，使得开采成本大幅增加。
2云冶铁矿地质概况
北京云冶矿业有限公司（简称云冶铁矿）矿体顶、底板围岩主要为黑云斜长片麻岩（包括含铁黑云斜长片麻岩、石榴黑云斜长片麻岩）、黑云角闪斜长片麻岩（包括含铁黑云角闪斜长片麻岩）、斜长角闪岩。其次为角闪岩、角闪辉石岩及黑云角闪变粒岩。夹石主要为黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩，其次为花岗岩脉，为火山—沉积变质成因矿床。矿体赋存状态复杂多变，薄至中厚矿体多数难以探明，以致在回采过程中探矿工程及切岩量不断增加，矿石损失率较大。
3超宽进路无底柱分段崩落法的提出及巷道稳定性分析
鉴于云冶铁矿薄至中厚矿体开采的高贫化及高损失，提出了超宽进路回采方式的概念。超宽进路的定义如下，将水平厚度小于15米的矿体沿走向全部拉开，根据出矿设备的要求确定拉开的高度，所形成的超宽进路作为无底柱分段崩落法回采的出矿进路。
当矿体较厚，拉开的超宽进路暴露的面积过大，就存在回采矿石时进路是否稳定的问题，对此以云冶铁矿上峪矿区Fe4号矿体的平均宽度，为超宽进路的基本断面，进行FLAC3D数值模拟分析，巷道宽为10米，高度为4米，断面设计为矩形，按照该矿体所出位置的实际埋深约为80米，模拟采用的参数为现场采集矿岩式样进行试验所得的数据。
模拟过程中对模型底部进行了位移约束，在X方向施加最大水平应力，Z方向施加垂直应力，Y方向施加最小水平应力，巷道走向垂直于最大主应力方向，所建模型如图3-1所示【3】。
图3-1 模拟实验模型图
Figure 3-1 The model diagram of simulation experiment
巷道采用不支护形式，其稳定计算结果如表3-1和图3-2所示。
表3-1 Fe4矿体开采稳定性模拟计算数据表
10米进路
X方向最大位移（mm） 0.35
Z方向最大位移（mm） 0.27
X方向应力（MPa） ＜7.97
Z方向应力（MPa） ＜5.57
塑性区面积（㎡） 0
图3-2Fe4矿体开采进路位移、应力云图和塑性区图
Figure3-2 Mining accesses displacement、stress nephogram and the plastic zone of Fe4 orebody
通过模拟计算结果可以看出，开采进路的水平位移量和竖直位移量很微小，两个方向的应力也很小，塑性区面积为0，说明采用超宽进路开采方案回采该矿体时，全面拉开的巷道具备完全的稳定性，不会给回采过程带来任何的安全问题。
通过对Fe4矿体的开采稳定性模拟，可以看出，该矿体回采进路是稳定的，主要是因为矿岩稳定性较好，且矿体埋深较小。但是为了进一步验证超宽进路开采方案在开采薄及中厚矿体中的稳定性及普遍适用性，需对该回采方案进行影响参数的全面研究，一方面可以加宽矿体的厚度来进行模拟，当开采进路所受的应力及相应的位移超出破坏极限，在回采进路中加入点柱，以保证整个开采过程的稳定性，另一方面加大矿体埋深进行模拟，与Fe4矿体的稳定性进行比较，使超宽进路开采方案在部分矿岩稳固的薄及中厚矿体开采中具有普遍适用性。
4超宽进路的现场应用【4】【5】
将超宽进路的开采方案应用于云冶铁矿上峪矿区东端部Fe4号矿体，开采水平为290～300米， 其上部分段的300m水平对应矿块部分已回采，覆盖岩已经落下。地表标高为370米。该矿体顶、底板围岩主要为黑云斜长片麻岩（包括含铁黑云斜长片麻岩、石榴黑云斜长片麻岩）。矿体顶底板岩石坚硬致密、完整，节理裂隙不甚发育，岩体稳固性较好。矿岩物理力学性质见表4-1。
表4-1 矿岩物理力学性质表
矿岩名称 硬度系数f 体重（t/m3） 松散系数
矿石 12～14 3.41 1.5
岩石 10～12 2.70 1.5
Fe4矿体总长约80m，平均厚度为10m，倾角为60°，矿石体重为3.5t/m3，储量约为27280t，在开采试验之前已经开挖一条探矿巷道，巷道宽3300mm，高3000mm，墙高2200mm，为1/3三心拱设计，巷道采用不支护形式。
图4-1Fe4矿体平面位置图
Figure4-1 Fe4 orebody floor plan
4.1采准切割工作
根据超宽进路方案的设计要求，以Fe4矿体的采准工作主要是扩帮工程，扩展后的超宽巷道作为回采进路，根据矿山实际条件，采准巷道一般情况不需要支护，在局部矿石稳固性较差和暴露面积比较大的地段采用喷砼支护，支护率按15%考虑。切割工程主要为切割平巷和切割天井。
由于Fe4矿体外开拓采准工程都已具备，标准矿块采切工程量统计不考虑该矿体以外的工程，只统计超宽进路以及切割天井、切割平巷等工程。
表4-2 采准切割工程量统计表
序号 工程名称 支护形式 净断面(m2) 巷道长度(m) 工程量(m3)
一 采准工程
1 扩帮工程 不支 30.54 80.00 2443.2
二 切割工程
1 切割平巷 不支 8.37 15.00 125.55
2 切割天井 不支 6.00 10.00 60.00
合计 105.00 2628.75
考虑矿体条件可能出现的变化，选取了采切比修正系数为1.0028。根据矿体的储量计算为27280t，修正后的采切比为见表4-3：
表4-3 采准比计算表
工程
名称 长度
m 工程量
m3 采切比 修正
系数 修正后采切比
自然米
m/kt 体积
m3/kt 自然米
m/kt 体积
m3/kt
超宽进路方案 105.00 2628.75 3.85 96.34 1.0028 4.52 113.08
传统方案 105.00 942.67 3.85 34.56 1.0028 4.52 40.55
4.2回采工作
(1)采矿切割槽的形成
先在矿块端部布置一条切割平巷和一个切割天井，在切割平巷内钻凿上向平行炮孔，炮孔排距1.2m，平行炮孔间距1.2m，炮孔完成后以切割天井为自由面分2～3次爆破（起爆采用全非电起爆系统，即导爆索和非电雷管联合分段起爆），适当出矿后形成切割槽。
(2)凿岩
凿岩采用YGZ-90型凿岩机在回采进路巷道内打上向平行炮孔，钎头直径76～80mm，钎杆直径50mm。每米炮孔崩矿量为7t，凿岩机台班效率为30m/台班。
(3)爆破
爆破采用乳化炸药，BQF-100型装药器装药。采用导爆管和非电毫秒雷管，分段微差爆破。
(4)出矿
选用2m3铲运柴油机作为主要的出矿设备。为保证落矿及出矿作业能顺利进行，原则上每个矿块的出矿进路应完成上向平行深孔凿岩工作，才能进行爆破落矿及采场出矿工作。
(5)通风
无底柱分段崩落采矿法普遍存在通风效果不够好的问题，特别是采矿进路工作面尤为突出，為了改善采矿工作面的通风效果，除采用电动铲运机出矿；改善凿岩效果；采用先进凿岩机以减少产尘外，加强进路内局扇通风，使进路内有流动风流。工作面配备一台JK58-1No4局扇通风。
(6)回采中应注意的问题
拉槽和落矿时，要求对深孔、装药及爆破的质量进行严格把关，防止悬顶和立槽发生。同时在生产中应随时注意观测放矿的实际情况，及时发现悬顶和立槽，并通过加密炮孔和加大装药量进行处理。
(7)应用效果及经济分析
经过整个回采过程可以看出，虽然该方案在采切工程量上有一定程度的增加，体积采切比较大，但是整体开采强度及矿石回收率方面都较传统沿走向布置进路的开采方式提高很多，同时贫化率也有明显的降低。具体数据见表4-4。
表4-4 超宽进路开采方案经济指标表
工程
名称 矿体厚度
（m） 矿体倾角(°) 矿石储量（t） 回采矿石量（t） 废石量（t） 回收率
（%） 贫化率
（%）
超宽进路方案 10 55～60 27280 23245 2159 85.20 8.50
通过对矿山开采状况的实际调查可知，应用沿走向布置出矿进路无底柱分段崩落法的回采指标大概为：回收率70%， 贫化率为15%。由此可见超宽进路开采方案在回收率及贫化率方面具有明显的优势。
超宽进路无底柱分段崩落法现场应用结果表明：在整个开采过程中巷道并没有出现失稳现象。另从经济角度对该采矿方案进行评价，超宽进路开采方案虽然采准工程量增加了1686m3，体积采切比也有所增大，但在整体回收率方面提高了15%，贫化率降低了6.5%。
5结论
(1)超宽进路无底柱开采薄至中厚矿体的方法是可行的，针对云冶铁矿上峪矿区Fe4号矿体进行的FLAC3D数值模拟可以看出，全面拉开的进路稳定性良好，进路所受的应力远小于矿石的抗拉强度，并在实际应用中得到了证实；
(2)为了超宽进路开采方案的普遍适用性，当进路宽度逐渐增大或矿体埋藏过深时，进路所承受的应力将超出矿岩所承受的极限，发生不稳定，此时应在进路内加入点柱，才能保证回采过程巷道的稳定性，但布置的点柱不能妨碍铲运机等出矿设备的安全进出为原则。
(3)超宽进路开采方案回采Fe4矿体的回采效果证明，超宽进路的开采强度、回采效率、回收率、贫化率指标更优于传统方法。
参考文献
[1] 李志鹏,王宝文,蔡真印.浅谈无底柱分段崩落法应用现状及发展趋势[J].矿冶工程，2011(11):1.
[2] 郭雷,熊靓辉.无底柱分段崩落法现状及发展趋势.中国矿山工程[J]，2010（12）44～47.
[3] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M]．北京：机械工业出版社，2008.
[4] 祝泽辉.超宽进路无底柱分段采矿法应用研究[D].硕士毕业论文，2013年12月.
[5] 祝泽辉,明世祥.无底柱分段崩落法开采薄矿体的改进研究[J].有色金属（矿山版），2014(1)，27～29.
作者简介：郭佳宁（1985）年北京科技大学采矿工程本科毕业，安全工程师，现在金诚信矿业管理股份有限公司工作,从事安全方面的工作。祝泽辉(1986)男，北京科技大学硕士毕业，采矿工程专业，主要研究方向采矿技术及支护技术。现在金诚信矿业管理股份有限公司工作，从事采矿技术工作。
关键词：薄至中厚矿体开采，进路宽度，数值模拟，巷道稳定性
1引言
无底柱分段崩落法于上世纪60年代引入我国，由于这种采矿方法，采场结构简单，机械化程度高、效率高，安全性好，所以得到了广泛的推广和使用，至今已经有多年的历史【1】【2】。
但是由于无柱分段崩落法本身开采工艺的特点，使得在矿石回采过充中产生大量的损失及废石的混入，尤其是用此方法开采赋存条件复杂，难以探明的薄至中厚矿体时，更加会加剧矿石的损失以及切岩量的增加，使得开采成本大幅增加。
2云冶铁矿地质概况
北京云冶矿业有限公司（简称云冶铁矿）矿体顶、底板围岩主要为黑云斜长片麻岩（包括含铁黑云斜长片麻岩、石榴黑云斜长片麻岩）、黑云角闪斜长片麻岩（包括含铁黑云角闪斜长片麻岩）、斜长角闪岩。其次为角闪岩、角闪辉石岩及黑云角闪变粒岩。夹石主要为黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩，其次为花岗岩脉，为火山—沉积变质成因矿床。矿体赋存状态复杂多变，薄至中厚矿体多数难以探明，以致在回采过程中探矿工程及切岩量不断增加，矿石损失率较大。
3超宽进路无底柱分段崩落法的提出及巷道稳定性分析
鉴于云冶铁矿薄至中厚矿体开采的高贫化及高损失，提出了超宽进路回采方式的概念。超宽进路的定义如下，将水平厚度小于15米的矿体沿走向全部拉开，根据出矿设备的要求确定拉开的高度，所形成的超宽进路作为无底柱分段崩落法回采的出矿进路。
当矿体较厚，拉开的超宽进路暴露的面积过大，就存在回采矿石时进路是否稳定的问题，对此以云冶铁矿上峪矿区Fe4号矿体的平均宽度，为超宽进路的基本断面，进行FLAC3D数值模拟分析，巷道宽为10米，高度为4米，断面设计为矩形，按照该矿体所出位置的实际埋深约为80米，模拟采用的参数为现场采集矿岩式样进行试验所得的数据。
模拟过程中对模型底部进行了位移约束，在X方向施加最大水平应力，Z方向施加垂直应力，Y方向施加最小水平应力，巷道走向垂直于最大主应力方向，所建模型如图3-1所示【3】。
图3-1 模拟实验模型图
Figure 3-1 The model diagram of simulation experiment
巷道采用不支护形式，其稳定计算结果如表3-1和图3-2所示。
表3-1 Fe4矿体开采稳定性模拟计算数据表
10米进路
X方向最大位移（mm） 0.35
Z方向最大位移（mm） 0.27
X方向应力（MPa） ＜7.97
Z方向应力（MPa） ＜5.57
塑性区面积（㎡） 0
图3-2Fe4矿体开采进路位移、应力云图和塑性区图
Figure3-2 Mining accesses displacement、stress nephogram and the plastic zone of Fe4 orebody
通过模拟计算结果可以看出，开采进路的水平位移量和竖直位移量很微小，两个方向的应力也很小，塑性区面积为0，说明采用超宽进路开采方案回采该矿体时，全面拉开的巷道具备完全的稳定性，不会给回采过程带来任何的安全问题。
通过对Fe4矿体的开采稳定性模拟，可以看出，该矿体回采进路是稳定的，主要是因为矿岩稳定性较好，且矿体埋深较小。但是为了进一步验证超宽进路开采方案在开采薄及中厚矿体中的稳定性及普遍适用性，需对该回采方案进行影响参数的全面研究，一方面可以加宽矿体的厚度来进行模拟，当开采进路所受的应力及相应的位移超出破坏极限，在回采进路中加入点柱，以保证整个开采过程的稳定性，另一方面加大矿体埋深进行模拟，与Fe4矿体的稳定性进行比较，使超宽进路开采方案在部分矿岩稳固的薄及中厚矿体开采中具有普遍适用性。
4超宽进路的现场应用【4】【5】
将超宽进路的开采方案应用于云冶铁矿上峪矿区东端部Fe4号矿体，开采水平为290～300米， 其上部分段的300m水平对应矿块部分已回采，覆盖岩已经落下。地表标高为370米。该矿体顶、底板围岩主要为黑云斜长片麻岩（包括含铁黑云斜长片麻岩、石榴黑云斜长片麻岩）。矿体顶底板岩石坚硬致密、完整，节理裂隙不甚发育，岩体稳固性较好。矿岩物理力学性质见表4-1。
表4-1 矿岩物理力学性质表
矿岩名称 硬度系数f 体重（t/m3） 松散系数
矿石 12～14 3.41 1.5
岩石 10～12 2.70 1.5
Fe4矿体总长约80m，平均厚度为10m，倾角为60°，矿石体重为3.5t/m3，储量约为27280t，在开采试验之前已经开挖一条探矿巷道，巷道宽3300mm，高3000mm，墙高2200mm，为1/3三心拱设计，巷道采用不支护形式。
图4-1Fe4矿体平面位置图
Figure4-1 Fe4 orebody floor plan
4.1采准切割工作
根据超宽进路方案的设计要求，以Fe4矿体的采准工作主要是扩帮工程，扩展后的超宽巷道作为回采进路，根据矿山实际条件，采准巷道一般情况不需要支护，在局部矿石稳固性较差和暴露面积比较大的地段采用喷砼支护，支护率按15%考虑。切割工程主要为切割平巷和切割天井。
由于Fe4矿体外开拓采准工程都已具备，标准矿块采切工程量统计不考虑该矿体以外的工程，只统计超宽进路以及切割天井、切割平巷等工程。
表4-2 采准切割工程量统计表
序号 工程名称 支护形式 净断面(m2) 巷道长度(m) 工程量(m3)
一 采准工程
1 扩帮工程 不支 30.54 80.00 2443.2
二 切割工程
1 切割平巷 不支 8.37 15.00 125.55
2 切割天井 不支 6.00 10.00 60.00
合计 105.00 2628.75
考虑矿体条件可能出现的变化，选取了采切比修正系数为1.0028。根据矿体的储量计算为27280t，修正后的采切比为见表4-3：
表4-3 采准比计算表
工程
名称 长度
m 工程量
m3 采切比 修正
系数 修正后采切比
自然米
m/kt 体积
m3/kt 自然米
m/kt 体积
m3/kt
超宽进路方案 105.00 2628.75 3.85 96.34 1.0028 4.52 113.08
传统方案 105.00 942.67 3.85 34.56 1.0028 4.52 40.55
4.2回采工作
(1)采矿切割槽的形成
先在矿块端部布置一条切割平巷和一个切割天井，在切割平巷内钻凿上向平行炮孔，炮孔排距1.2m，平行炮孔间距1.2m，炮孔完成后以切割天井为自由面分2～3次爆破（起爆采用全非电起爆系统，即导爆索和非电雷管联合分段起爆），适当出矿后形成切割槽。
(2)凿岩
凿岩采用YGZ-90型凿岩机在回采进路巷道内打上向平行炮孔，钎头直径76～80mm，钎杆直径50mm。每米炮孔崩矿量为7t，凿岩机台班效率为30m/台班。
(3)爆破
爆破采用乳化炸药，BQF-100型装药器装药。采用导爆管和非电毫秒雷管，分段微差爆破。
(4)出矿
选用2m3铲运柴油机作为主要的出矿设备。为保证落矿及出矿作业能顺利进行，原则上每个矿块的出矿进路应完成上向平行深孔凿岩工作，才能进行爆破落矿及采场出矿工作。
(5)通风
无底柱分段崩落采矿法普遍存在通风效果不够好的问题，特别是采矿进路工作面尤为突出，為了改善采矿工作面的通风效果，除采用电动铲运机出矿；改善凿岩效果；采用先进凿岩机以减少产尘外，加强进路内局扇通风，使进路内有流动风流。工作面配备一台JK58-1No4局扇通风。
(6)回采中应注意的问题
拉槽和落矿时，要求对深孔、装药及爆破的质量进行严格把关，防止悬顶和立槽发生。同时在生产中应随时注意观测放矿的实际情况，及时发现悬顶和立槽，并通过加密炮孔和加大装药量进行处理。
(7)应用效果及经济分析
经过整个回采过程可以看出，虽然该方案在采切工程量上有一定程度的增加，体积采切比较大，但是整体开采强度及矿石回收率方面都较传统沿走向布置进路的开采方式提高很多，同时贫化率也有明显的降低。具体数据见表4-4。
表4-4 超宽进路开采方案经济指标表
工程
名称 矿体厚度
（m） 矿体倾角(°) 矿石储量（t） 回采矿石量（t） 废石量（t） 回收率
（%） 贫化率
（%）
超宽进路方案 10 55～60 27280 23245 2159 85.20 8.50
通过对矿山开采状况的实际调查可知，应用沿走向布置出矿进路无底柱分段崩落法的回采指标大概为：回收率70%， 贫化率为15%。由此可见超宽进路开采方案在回收率及贫化率方面具有明显的优势。
超宽进路无底柱分段崩落法现场应用结果表明：在整个开采过程中巷道并没有出现失稳现象。另从经济角度对该采矿方案进行评价，超宽进路开采方案虽然采准工程量增加了1686m3，体积采切比也有所增大，但在整体回收率方面提高了15%，贫化率降低了6.5%。
5结论
(1)超宽进路无底柱开采薄至中厚矿体的方法是可行的，针对云冶铁矿上峪矿区Fe4号矿体进行的FLAC3D数值模拟可以看出，全面拉开的进路稳定性良好，进路所受的应力远小于矿石的抗拉强度，并在实际应用中得到了证实；
(2)为了超宽进路开采方案的普遍适用性，当进路宽度逐渐增大或矿体埋藏过深时，进路所承受的应力将超出矿岩所承受的极限，发生不稳定，此时应在进路内加入点柱，才能保证回采过程巷道的稳定性，但布置的点柱不能妨碍铲运机等出矿设备的安全进出为原则。
(3)超宽进路开采方案回采Fe4矿体的回采效果证明，超宽进路的开采强度、回采效率、回收率、贫化率指标更优于传统方法。
参考文献
[1] 李志鹏,王宝文,蔡真印.浅谈无底柱分段崩落法应用现状及发展趋势[J].矿冶工程，2011(11):1.
[2] 郭雷,熊靓辉.无底柱分段崩落法现状及发展趋势.中国矿山工程[J]，2010（12）44～47.
[3] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M]．北京：机械工业出版社，2008.
[4] 祝泽辉.超宽进路无底柱分段采矿法应用研究[D].硕士毕业论文，2013年12月.
[5] 祝泽辉,明世祥.无底柱分段崩落法开采薄矿体的改进研究[J].有色金属（矿山版），2014(1)，27～29.
作者简介：郭佳宁（1985）年北京科技大学采矿工程本科毕业，安全工程师，现在金诚信矿业管理股份有限公司工作,从事安全方面的工作。祝泽辉(1986)男，北京科技大学硕士毕业，采矿工程专业，主要研究方向采矿技术及支护技术。现在金诚信矿业管理股份有限公司工作，从事采矿技术工作。