地下开采留矿法：矿山技术人员必备专业知识

　　留矿法是经典的地下空场采矿方法，采用自下而上逆倾斜分层开采模式，依托采场内留存崩落矿石充当作业平台与围岩支撑结构，每次崩矿后按需放出部分矿石保障作业空间，采场回采完成后再集中放出留存矿石。该采矿方法具备设备投入少、基建成本低的优势，但存在作业效率偏低、劳动强度大、开采风险较高等短板，仅适用于急倾斜、矿体及围岩稳固、矿石无氧化结块自燃特性、地应力较低且厚度1至12米的规则矿体。目前留矿法包含有轨溜井出矿、无轨设备出矿两类主流开拓方式，衍生出台阶式、木支架式、充填式、深孔式等多种工艺形式，同时有着对应的凿岩爆破、出矿作业与局部支护加固规范，现阶段多应用于机械化程度较低的中小型矿山。

　　地下开采方法之留矿法

　　一、地下矿山开采方法之留矿法

　　在留矿法中，矿体多是水平分层，自下而上，沿逆倾斜方向开采的。崩下矿石可以用来稳固上下盘围岩，也可以作为气腿机械作业的平台。随着崩矿作业，多余的矿石在采场底部放出，以提供足够的作业空间。

　　留矿法适用于急倾斜矿体开采，而且要求矿体足够稳固，以保证工人在暴漏的顶板下安全作业，上下盘围岩足够稳固以实现自支承。

　　岩石爆破之后会发生松散，体积会增加

　　30%—40%，因此，为了在崩下矿石上形成一个合适的作业空间， 每次崩矿之后必须放出大约30%—40%的崩落矿石。矿房回采结束时，存留采场的60%的矿石将被一起放出。

　　崩下矿石要么通过低水平的装矿横巷用铲运机，装载机或电耙运出，要么通过脉内溜井运出。无论装矿横巷还是溜井都要紧凑配置以实现放矿。风动电耙在采场可以用来平整场地

　　留矿法在机械化开采和水利充填采矿出现之前是一种广泛应用的采矿方法，在澳大利亚，欧洲，加拿大，留矿法已大致被分段空场法，充填法，无底柱分段崩落法所取代。留矿法目前仍然应用于南美，非洲，亚洲和澳大利亚境内的少数机械化程度较低的矿山。

　　1.1留矿法缺点

　　留矿法需要劳动量较大，而且需要有相关工程的经验，工作条件比较恶劣，由于是把崩下矿石当做工作平台，且矿石每天都要放出，会带来一些风险。矿石内的空隙，不均匀放矿，浮石都可能引发问题。

　　这种方法生产能力相对较低，且矿石在采场存留时间过长。这将对矿山的初期生产带来较大影响—为了达产崩下矿石比放出矿石要多三倍。该方法也存在放矿过多的风险，这将导致凿岩困难，不得不架设木支架作业平台。这样既浪费时间，降低生产能力，也增加了成本。

　　1.2留矿法优点

　　然而，留矿法因其在设备和充填方面的单位投资很少仍然被采用。该方法资金投入最少而且需要的员工较少

　　二、适用条件

　　1 倾斜矿体

　　2 矿体稳固(保证工人在顶板下安全作业)

　　3 相对稳固的上下盘围岩

　　4 规则的矿体边界

　　5 矿石不因留在采场受到影响(不存在氧化性，结块性，自燃性)

　　6 矿体宽度为1—12米

　　7 岩石应力较小或者中等

　　2.1 矿体倾角

　　该方法适用于急倾斜矿体，倾角一般在70°以上，且一定要大于自然休止角(例如大于45°)。这是因为倾角较小的矿体会出现以下问题;

　　—放矿不均匀或者放矿困难

　　—大量出矿时不完全

　　—上盘围岩不稳固破坏，导致贫化

　　2.2 矿体质量

　　接下来的岩体质量估计主要是靠工程经验，大多数留矿法作业都是在岩体分类方法之前开始的。

　　留矿法适用于岩石条件较好的矿体(Q>10)，通常只需要点锚支护。任何钢筋网或者大范围的锚杆支护都可能降低生产能力，也可能导致出矿困难，或者产生浮石。

　　矿体必须足够稳固以保证工人在没有钢筋网或者较多锚杆支护的情况下可以安全作业。崩下矿石中的钢筋网或者锚杆对出矿会产生不利影响。仅仅是这一个要求就使澳大利亚西部矿山在没有每日对岩石稳定性进行评估的情况下采用留矿法变得很困难。

　　2.3 上下盘围岩质量

　　上下盘围岩的岩石质量最小是中等(Q>4)。破碎的围岩在放矿时很可能解体。

　　在大部分留矿法开采中，上下盘围岩只靠崩下矿石来支承，这种支承作用是微小的，且一旦开采结束，大量放矿时围岩将失去所有支承。因此，矿体围岩要有足够的稳定性。在采场内不宜采用钻凿安装长锚索钻孔的大型设备，内部支护经常是短锚杆，由气腿凿岩机凿岩，人工安装。在留矿法中可以留有矿柱，但矿柱会对出矿造成不利的影响，因此设计时应将这种影响降至最低。

　　2.4 矿体几何尺寸

　　因为从采场空区内均匀放矿的要求，安装加固设施难度较大，要不要留矿柱这些因素要求矿体有一个规则的边界和宽度。

　　采场的稳定性跟变化的采场宽度和开采方向有关。矿柱经常作为支护方式的主要选择，因为在有限的作业空间内安设锚杆或者锚索比较困难。

　　2.5 矿石贫化

　　矿体在爆破之后应该保持稳固，没有氧化性，或其他物理化学性贫化，或可能导致矿石自燃或者结块的变化。

　　含高硫成分或者部分风化的矿体必须做实验以检测其自燃或者结块的可能性。破碎带的粘土成分对矿石的放出也有不利的影响。

　　矿石的结块将会给矿石的放出带来很大的困难。特别是矿柱上的矿石(溜井之间，或装矿横巷之间)

　　2.6 矿体宽度

　　留矿法一般适用于宽度为1米到12米的矿体。

　　采场的最小宽度仅仅取决于凿岩设备的要求，矿体宽度较大时，可以用矿柱来稳固上下盘围岩。

　　宽度大于12米时，矿块多垂直走向，横向布置。这样的话，相邻采场之间必须要留有矿柱。

　　2.7 地应力

　　留矿法只适用于低应力或中等应力矿体，高应力会导致顶板发生应力破坏，这会需要更多支护，降低生产能力，增加了使用钢筋网或锚杆加固矿体引发悬拱的风险。高应力采场回采结束放矿时会导致崩下矿石发生挤死，其后的放矿将会很困难。

　　三、留矿法开拓方式

　　留矿法目前主要有两种方式，一是采用溜井配脉内有轨列车出矿法(即标准留矿法)，另一种是在装矿横巷用铲运机或装岩机出矿。

　　人员，材料，设备，通风除了在已采采场在开采之上之外通常是从低水平运送的。留矿法的一大优势就是可以自下向上开采而不需要上面的进路。在采场任意一侧掘进的天井常常用木头支护，当崩下矿石承受压力或在放矿时，木支架可以承受中等或较大的变形。

　　3.1 溜井配有轨列车出矿法

　　溜井配有轨列车出矿法的开拓采准切割工艺包括：

　　u沿矿体底板掘进脉内运输平巷

　　u自采场两端向上掘进人形通风天井

　　u自阶段运输平巷以上5m掘进切割拉底平巷

　　u自阶段运输平巷向切割拉底平巷每隔几米掘进斗穿

　　u对斗穿扩漏以形成漏斗

　　u修筑溜槽

　　u人行天井的木支护

　　u凿岩准备工作

　　3.2 装矿横巷配铲运机等无轨设备出矿法

　　这种方法为采用铲运机或装岩机等无轨设备在装矿进路出矿，其开拓采准切割工艺包括：

　　u掘进阶段运输平巷

　　u到达预定采场一端的装矿进路

　　u采场底部结构的形成

　　u在采场底部掘进的装矿横巷

　　u自两端装矿横巷向上掘进的两条用于人行和通风的两条天井

　　u爆破准备工作

　　装矿横巷配铲运机等无轨设备出矿法的一大优势就是采场内的采准切割工程较少，没有漏斗，斗穿和拉底巷道，也不用预留矿柱。缺点是运输巷道布置在脉外，不能起到探矿的目的，且没有副产矿石。

　　四、生产效率

　　留矿法的凿岩和崩矿工作和空场法类似。采场内不进行机械化支护，用不规则的支柱代替。标准方案是采用气腿式凿岩机和伸缩式凿岩机凿岩，孔深1.8m～2.4m，炮孔直径为32mm，炮眼倾角为向上70°。

　　因此除了alimak和长壁式留矿法之外，采场的生产能力是由凿岩和崩矿的能力决定的。

　　每班崩下矿石量为115吨～200吨，采场的预期产量为每班(2台凿岩机，2个作业人员，1个辅助人员)40～70吨。

　　在各水平都有生产的稳定矿体，影响生产能力的主要因素就是崩下矿石的多少。但对采场刚开始回采，还没有大量放矿时，影响生产能力的只有可供放矿量，放矿量只有崩矿量的35%。这对到选场的矿量有之间的影响，且会影响早期资金回收。

　　五、采矿设备

　　留矿法的主要优点之一就是其设备需要量较小，气腿和其他设备用来凿岩，运输设备在阶段运输平巷内托运矿石(最小是手推式侧卸矿车)。

　　深孔留矿可以采用深孔凿岩设备，在装矿横巷用铲运机出矿。

　　六、出矿

　　留矿法中传统的出矿系统是将矿石直接从溜井下的溜道中泄到有轨卡车。装载机或者铲运机与放矿点装载系统联系起来效率更高，能使生产能力大大提高。

　　其他选择有在放矿点、长溜井或溜槽用扒矿机耙至布置在下盘围岩中的矿车。

　　6.1 溜井配有轨列车出矿

　　传统的留矿法是通过长溜井或漏斗将矿石卸到阶段运输平巷中的矿石中。设计矿量、使用时间，二次破碎的频率决定了溜井的规格和修筑，钢支护比木支护更能够抵抗爆破震动。钢支护溜井通过的矿量更大且使用时间更长，但比木支护成本更高。各种溜井的修筑起来都要消耗大量劳动力，且要求工人有经验，技术熟练。

　　6.2 放矿点出矿

　　这种方式主要采用有轨装岩机或铲运机出矿，比起采用溜井，有轨列车出矿有更大的生产能力。悬臂式装岩机一般直接将矿石装进有轨列车，而铲运机可以装进卡车，列车和矿石溜井。这种方法更适合于围岩片帮或比较破碎的矿体。

　　6.3 操作指南

　　留矿法能够实现的一大原因就是一崩下矿石为工作平台，以够得着顶板凿岩。因此必须严格控制从采场底部放出矿石的多少。这就需要控制:

　　u生产炮孔的数量(包括长度，直径和类型)

　　u采场爆破矿石的多少

　　u由出矿点决定采场爆破作业面得区域

　　u放矿点的数量

　　u每个放矿点放出的矿量

　　放矿的多少主要取决于工程经验。经验可以决定了出矿方式。以往工程的经验对决定采场内哪个装矿点可以用来崩矿。

　　留矿法放矿时在矿石内部可能会出现浮石或者空区，这在放矿点或者采场工作面都很难发现。因此在矿石上作业的工人必须佩带安全绳。安全绳与锚杆上的长锁链或钢丝绳相连，锚杆可以在上盘，也可以在下盘，后者两者都有。

　　七、支护与加固措施

　　留矿法一般适用于岩体受力情况较好的矿体，一般不会采用大规模的地应力支护措施。

　　7.1 采场顶板支护

　　只有在局部破碎的顶板处才会采用支护。这些支护包含可以马上发挥作用的锚杆，如涨管式锚杆和机械式锚杆。如若采用钢筋网，则钢筋网的规格应较低，使其仅能够支承该处松散矿石。且质量足够轻以利于人工搬运，钢筋网应该有随矿石变形的能力。

　　7.2 上下盘围岩支护

　　上下盘的支护主要是使各锚杆共同作用以保证在放矿时能有效控制片帮和贫化。根据出矿时围岩质量和井口附近的岩石是否会松散破坏，可以采用涨管式锚杆，机械式锚杆和注浆锚杆。上下盘岩石中的锚杆一般与工作作业的安全绳紧密相连。

　　因为深孔凿岩设备很难进入采场，所以留矿法一般不采用长锚索支护。如果必须使用，则可以人工搬运风动深孔凿岩设备进入采场，或者用风动绞车拖动，但这回造成较大的生产延期。

　　八、留矿法的不同形式

　　留矿法应用起来比较灵活，其基本设计有多种形式。

　　8.1 台阶留矿法

　　台阶留矿法的工作面是以倒台阶形式推进的，其角度大约等于矿石的自然安息角。工人以崩下矿石为工作平台钻凿炮孔，为使采场内存留的矿量最小，矿石随后被从一侧向另一侧滚动放出。也可以随之向采场充入废石。

　　这种方法的关键是顶部天井，因为天井的间距决定了采场顶部凿岩的推进长度。

　　8.2 设木支架的留矿法

　　留矿法与其他采矿方法相比经济上最大的不足就是60%—70%的矿石在回采结束大量放矿前都要留在采场里。在采场顶部间隔安装木支架或者隔墙能将这一值减少至30%左右。隔墙能将崩下矿石放出，最上面的隔墙可以托住矿石以形成工作平台。这种方法一般只适用于宽度小于2米的采场。

　　8.3 充填留矿法

　　在充填采矿法中，当充填料缺乏时，可以用留矿法暂时继续采矿。只有到达足够的高度时，矿石才被放出，然后场地。矿石不断积累升高，直到充填料充足或者采场到达预定水平。此时，矿石在装矿横巷用铲运机运出。大量放矿时，上下盘的暴露面积较大，可能会引起破坏，进而导致矿石贫化。因而采用此方法时，为避免围岩破坏，矿石贫化，应该用锚索加固围岩。

　　8.4 深孔留矿法

　　深孔留矿法集合了阶段空场法和留矿法的特点。崩下矿石不是作为工作平台，而是留在采场用来支承上下盘围岩。这种方法比起标准的气腿式开采留矿法可以大大提高生产能力，但炮孔偏斜或者爆破时间控制不好会导致上盘破坏，这增加了贫化的风险。

　　8.5 阿里马克留矿法

　　这种方法主要应用于加拿大一些特定矿山里。在不同阶段之间钻凿天井和用于钻凿水平深孔的工作平台。同样，崩下矿石不是作为工作平台，而是为上下盘围岩提供有限的支承。

　　8.6 横向布置留矿法

　　此方法可以用来开采厚度较大的矿体(就像横向充填法一样)。采场垂直矿体走向布置，采场之间留有矿柱。这些矿柱要么是永久性的，要么在充填了空区之后用深孔爆破的方法或者下向充填回采。