矿床开采单元的划分与开采步骤

金属矿床地下开采有哪些步骤? 简述各开采步骤间应遵循的关系。~

开拓完成矿山的提升、运输、通风排水、充填系统、采准在完成开拓工程的基础上,掘进一系列巷道,将阶段划分为矿块，在矿块内为行人、通风、运料、凿岩、放矿等创造条件的采矿准备工作。采准巷道布置和类型随采矿方法而异，常见的采准巷道有阶段运输平巷，穿脉巷道，通风、行人、运料天井，凿岩平巷,凿岩天井,切割天井，拉底巷道，电耙巷道，装矿巷道，放矿溜井等。回采在完成采准工作后形成矿房开采矿石将矿石运出。

（一）矿床开采单位的划分
一般矿床都占有较大面积和有丰富的储量，为了有计划地进行开发，常将矿床按矿体赋存条件，由大到小分为若干部分（开采单位），划归相应的采矿企业（生产单位）进行开采。
一般把矿床的分布范围称为矿区，通常划归一个矿务局（或公司）开采。处于同一地质构造、同一成因的全部矿床，称矿田（煤矿则称煤田）。如果矿田规模较大，可划分为若干部分，每一部分由一个矿井（坑口）进行开采，称为井田（图12-1），井田的边界可以是人为边界或自然边界。开采时，还必须把井田分成较小的部分，对倾斜矿层，常沿其倾斜方向按一定标高把矿层分成若干个平行于走向的长条部分，称为阶段（或称中段），其上下分界面称为水平，如0m水平、-50m水平等（图12-2）。当阶段较小时，开采可沿全阶段一次开采；如阶段面积较大，还应进一步划分成n个采区，每个采区沿倾斜布置n个开采工作面，称区段。

图12-1 矿区、矿田、井田划分示意图


图12-2 阶段及分区布置方式示意图

Ⅰ—阶段垂高；Ⅱ—阶段斜长
阶段的开采顺序，一般情况下自上而下进行。
（二）矿床开采方式
矿床开采方式一般为露天开采或地下开采，某些矿床采用两种方式联合开采。
1.露天开采
当矿体埋藏较浅且厚度较大或开采深埋矿床的浅部矿体时，可采用露天方式开采。露天开采是从地面较大面积上直接向深处开掘，一般是把矿层分割为一定厚度的水平分区，由上而下梯状开采，从而形成工作面并采出矿石，其优点是施工简便，采掘能力大、效率高、成本低、劳动环境好。露天开采时直接在地面开挖采矿工程，其总体称为露天采（矿）场（图12-3）。

图12-3 露天采矿场示意剖面图

1—台阶；2—台阶坡面；3—排水沟；4—矿体；5—台阶面坡角

图12-4 地下开采井巷示意图

1—竖井（或称井筒，立井）；2—斜井；3—平硐；4—暗井（盲井）；5—溜井；6—石门；7—矿门；8—溜道；9—上山（道）；10—下山（道）；11—小井；12—露天采矿场；13—光层平巷；14—矿层平巷
2.地下开采
开采埋藏在地下深处的矿产，多采用地下开采方式，即利用各种类型的巷道，使用不同的采矿方法，从地下开采出矿石。地下开采应用的巷道，如图12-4所示。
1）垂直巷道（直立巷道）：①竖井（或称立井），由地面进入地下的大口径井筒，系主要垂直通道；②小井，与地面相通作通风或安全出口或临时提升用的小型竖井，有时也称风井；③暗（盲）井，与地表不直接相通的竖井，主要用于从下水平往上水平提升矿石；④溜井，连接上、下水平，无通往地面出口的竖井，用于自上而下溜放矿石。
2）水平巷道：①平硐，由地面掘进的主要水平巷道；②平巷，沿岩层或矿层走向开挖的水平巷道，分别称岩层平巷或矿层平巷，平巷不直接与地面相通；③石门和矿门，在地下垂直（或斜交）矿体走向，开掘在岩层和矿层中的水平巷道。
3）倾斜巷道：①斜井，在地面掘进的有一定倾角的大口径井筒，是主要倾斜通道；②溜道，在地下自上而下溜矿用的倾斜巷道；③上山（道），在地下沿矿体倾斜向上开掘的巷道，一般位于开采水平运输大巷以上；④下山（道），在地下沿矿体倾斜向下开掘的巷道，一般位于开采水平运输大巷以下。
以上介绍的是单一巷道，采矿生产时则是把各种巷道有机地结合起来综合使用，统称为巷道（坑道）系统，其中，把由一个井筒在地下联结形成的整个井巷系统称为矿井或矿坑。
垂直巷道（竖井）的四壁称帮，下面称底，水平和倾斜巷道的顶称顶板，底称底板，两侧亦称帮，前进开掘的面称工作面或掌子面，采矿工作面也称回采面，回采后的空间称采空区。
（三）矿床开采的步骤
一般分为开拓、采准和回采三个步骤。

图12-5 开拓系统示意图

1）开拓：系指从地面到矿体开掘一系列的井（垂直的）、巷（水平的），建立运输、通风、排水和供水等系统，这些井巷统称为开拓井巷，开拓是采矿的第一个步骤。开拓巷道包括：竖（斜）井筒、平硐、暗（盲）井、石门、阶段平巷、主溜井、井底车场等（图12-5），其中用作提升或运输矿石的称主井（或主平硐），主要用于提升人员、材料、废石或通风的称为副井，多数矿井还开凿有专用的风井。
2）采准：采准就是采矿前的准备工作，其主要任务是对阶段（或称中段）作进一步的分割，开掘采准巷道，把阶段进一步划分为采区或矿壁，创造回采条件，同时作为行人、运输、通风之用。
3）回采：系指从采区或矿壁中大量采出矿石的生产过程。采矿过程完成后即形成采空区。

图12-6 阶段与采区示意图

在采矿初期，开采、采准、回采是依次进行的。投产后，实行“采掘并举，掘进先行”的方针，保证开拓超前采准，采准超前回采（图12-6）。
掘进和回采破坏了自然条件下矿岩的受力平衡状态，巷道周围岩体因之受力不平衡，产生了矿山压力，它可使巷道变形、冒顶、塌落，以致摧毁矿山设备和造成人身伤亡。为安全采矿，应加强对巷道（即对地压）管理，多数情况下是进行支护或采用其他措施。
在巷道中进行的地质、水文地质工作，都要在支护之前进行。
（四）地下采矿方法简介
根据对采空区和地压的不同处理，将地下采矿方法分为以下四类。
1）自然支撑法：在矿石和围岩均较稳定的矿区里，可采用自然支撑采矿法（图12-7）。主要有以下两种方法：①空场法，即对采空区不作处理，主要适用于围岩稳定的薄228矿层；②留矿柱法，在采空区之间保留适当的矿柱支护顶板。

图12-7 自然支撑采矿法采区示意图

1—上阶段水平；2—本阶段水平；3—顶柱；4—底柱；5—间柱；6—上部崩落废石；7—矿房、矿柱界线
2）人工支撑法：即随回采工作面的推进，采用人工的方法（水泥柱、木柱）支撑顶板。
3）充填法：即对采空区用碎石、泥沙（或尾沙、水沙）或水泥进行人工充填。该方法对围岩破坏性小，顶板岩层下落的移动量小，但成本较高，主要适用于条件复杂（如水下采矿等）、价值高的矿床。
4）崩落法：让采空区顶部崩落充填采空区，故对顶板岩层破坏较大，主要适用于围岩不稳定的矿区。在能沟通富水含水层的地段或在城市、地表水体和重要道路桥梁下面，不允许用崩落法采矿。
（五）采空区顶板岩体破坏特征
开采矿体在地下形成采空区，采空区上方顶板岩层失去支撑和平衡，在矿山压力的作用下，会产生变形和破坏，即引起顶部岩体的开裂、塌落和移动，按顶板岩层的破坏程度和形式，可将整个破坏影响区在剖面上分为3个带（图12-8）。

图12-8 顶板破坏分带示意图

（据北京煤炭科学院，1985）
a—不规则冒落；b—规则冒落；c—严重断裂；d—一般开裂；e—微小开裂；f—冒落带；g—裂隙带；h—整体移动带；i—破裂带
1）冒（崩）落带：直接顶板分裂为碎块向下垮落的范围。可分为不规则冒落段和规则冒落段。这一带岩石碎胀，堆积、透水性好，可形成上部地下水或地表水向下灌入的通道，引起突水，一般不允许这一带发展到上部强含水层或地表水体。
2）裂隙带：在冒落带之上大量出现切层、离层的采动裂隙的范围。该带可分为三段：严重断裂段、一般开裂段、微小开裂段。该带裂隙连通性好、透水性强，当该带达到补给水源时，能使矿坑涌水量急剧增加，甚至造成突水。
3）岩层整体移动带：该带位于裂隙带之上，一般表现为地层整体弯曲变形或剪切位移，或带内整体弯曲下落，一般不产生裂隙，不会构成充水通道。

（一）开采单元的划分

1.矿区、矿田、井田

矿山下设一个或几个坑口（矿井），坑口是具有独立开采系统的生产单位。划归坑口开采的矿体或其一部分叫做井田，划归矿山开采的矿体叫做矿田，划归公司（联合企业）开采的矿体叫做矿区，如图5-3-2所示。

在矿山企业中，矿区、矿田、井田的大小，绝大多数是按矿床自然赋存条件划分的。在生产实践中往往将一个大矿体或彼此邻近的若干个矿体划为一个井田，进行独立开采。根据目前的技术经济水平，以及矿体的赋存特点，井田走向长度一般为1～3km左右。一个井田内的矿石储量应与年产量相适应。储量大，年产量可增大；储量小，年产量应当相应减少。个别情况下，确定井田尺寸要作技术经济论证，以确定技术经济上最合理的井田范围。

图5-3-2 矿区、矿田、井田划分示意图

2.阶段、采区（矿块）

一个井田范围较大，为了便于回采矿石，需要把井田划分成阶段，再把阶段划分成采区（矿块），图5-3-3为阶段与采取划分示意图。

图5-3-3 阶段与采区划分示意图

（二）阶段

是沿矿体倾斜方向划分的，阶段范围沿倾斜以上下两个阶段运输平巷为界，沿走向以井田边境为界。阶段高度是指上下两阶段运输平巷间的垂直距离。缓倾斜矿体的阶段高度通常小于20～30m，急倾斜矿体的阶段高度通常为50～60m，也有高达80～120m左右的。阶段高度主要取决于矿体的赋存条件、采矿方法，只要条件允许，适当增加阶段高度，才可以减少阶段数目，降低开拓、采准工程量，减少矿石损失和贫化。因此，近年来有增加阶段高度的趋势。

当开采水平或倾角极小的矿体时（金属矿床水平的和倾角极缓的比较少），可将井田划分成盘区（图5-3-4），再将盘区划分为采区，然后按采区依次回采。开采倾斜矿床时，矿体厚度不大，采区可沿走向方向布置，矿体厚度很大时，采区可垂直走向方向布置。采区范围上下以阶段平巷为界。其高度为阶段高度，长度以采区天井（或上山）为界，长度根据采矿方法不同，变化在10～40m至50～60m之间。

图5-3-4 盘区平面图

阶段的开采是采用自上而下的顺序，即先开采上部阶段，后开采下部阶段，也可以同时开采几个阶段。采用多阶段开采，虽然可以增加工作线长度和提高矿井生产能力，但也会造成管理分散，巷道维护工作量大，占用设备数量多，各种管、线、轨道不能及时回收复用，污风串联，经营管理费用增加等一系列问题。因此应合理组织生产，采用集中作业，缩小同时开采的阶段数目。一般同时回采的阶段数目可保持1～2个，不应超过3～4个。

1.开采顺序

阶段中各采区（矿块）在沿走向方向的开采顺序可分为前进式、后退式和联合式。

（1）前进式回采：是由主井或主平硐向井田边界方向开采。前进式回采可以使采区及早投入生产，但主要阶段运辅区段处于采空区下部，当围岩不够稳固时，会增加巷道的维护费用。

（2）后退式回采：是由井田边界向主井或主平硐方向开采，其优缺点与前进式回采相反。

（3）联合式回采：联合式回采法是上述两种方法的联合使用。

2.相邻矿体的开采顺序有

矿体倾角小于或等于围岩的移动角时，应从上盘向下盘推进的开采顺序；矿体倾角大于围岩移动角、两矿体又相邻很近时，应根据矿体之间夹石层的厚度、矿石和围岩的稳固性以及所选取的采矿方法和技术措施而定。一般是选用先采上盘矿体，后采下盘矿体的开采顺序。若夹石层厚度不大，采用充填法时，也可采用由下盘向上盘的开采顺序（图5-3-5）。

图5-3-5 相邻矿体的开采顺序

（三）矿床开采步骤

矿床开采一般分为开拓、采准、回采3个主要步骤。

在用地下方式开采矿床时，首先必须从地表开掘一系列通到矿体的井巷，以形成从地面到阶段水平的行人、运输、排水、通风等系统。人们把进行这项工程施工的工作叫做开拓，为了开拓所掘进的各类井巷叫做开拓巷道。

在已经开拓好的阶段里，为了回采矿石，需根据采矿方法的要求，在采区内掘进平巷、横巷和天井等，这项工作叫做采准。这些巷道可统称为采准巷道。

在已做好采准工程的采区里，进行大量采掘矿石的工作叫做回采。

为了保持矿山的均衡生产，开拓、采准、回采必须保持一定的超前关系，即开拓超前于采准，采准超前于回采，其超前关系是以掘进开拓、采准、回采巷道所提供的开拓矿量、采准矿量、备采矿量所需的时间来表示。一般矿山都应具备有3年以上的开拓矿量，1年左右的采准矿量，半年左右的备采矿量，这3种矿量称为三级矿量。矿山建设和生产实践证明，保持合理的三级矿量是实现正常持续生产的重要条件。三级矿量的划分方法如下：

（1）开拓矿量：通过掘进开拓巷道，形成了完整的运输、通风、排水系统，在这种开拓巷道范围内的矿床储量叫做开拓矿量。

（2）采准矿量：是开拓矿量的一部分。在已开拓的矿体范围内，掘完了采准巷道，形成了采区外形，在这些采区范围内的矿量称为采准矿量。

（3）备采矿量：是采准矿量的一部分。凡是已做好采矿准备的采区内，完成了切割工作，可以立即进行回采，在这些采区范围内的矿量称为备采矿量。

基建矿山的三级矿量必须在矿山投产时，就要达到设计要求的三级矿量保有期限。生产矿山的三级矿量保有期限，靠每年的采掘年度计划来调整平衡。

在采矿工业中，要先掘进巷道，才能回采矿石，只有掘进超前，才能保有一定的三级矿量。因此，“采掘并举、掘进先行”，是矿山建设和生产所必须遵循的重要方针。

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