第三章
基于采矿方法的地下矿山设计
理查德·布鲁克和威廉·赫斯特里
3.1 介绍
前一章主要重点是各种类型的非煤地下矿山必须处理的一些方面。本章将解决适用于某些特定采矿方法的规划和设计。
3.2 房柱法回采
当一个人考虑到石灰岩、白云岩、盐、天然碱、钾盐、石膏等地下矿山中的数量，以及密西西比河谷存在的所有的铅、锌矿，从而意识到美国大约60%至70%的非煤地下矿山开采都采用了某种形式的房柱采矿法，就不会再感到惊讶。根据全国石材协会1998年的调查，光是从总体工业这一点来说几乎有92座地下矿山，都使用了房柱法。目前，又有30至40个房柱法地下矿山处于规划中。
本章的这部分内容只涉及到房柱法采矿设计中一些更重要的方面，并将参考很多本书中后面将会提到的案例研究，在各种矿产品中出于特定的应用都可能会读到此书。
3.2.1 房柱法回采介绍
第2章（2.4.2.2）中的讨论已经充分涵盖了一个新矿体在哪里以及如何获取这个矿体的内容。但是我们还是要重新回顾一下房柱法采矿的一些主要概念。
■ 如果可以从矿山侧翼打平硐开发，这显然是最经济的矿山开拓方法。
■ 如果一个竖井已掘定，那么 ——
——生产竖井也应该掘进在某处靠近矿体重心的位置。
——竖井深度应沉到大部分的矿石被吊下来时能达到的竖井转运站
——竖井深度应足够深，以容纳足够的装运站，罐笼装载和破碎站
——为了美观，竖井井架应该设在公众的视线之外。
■ 如果竖井的斜坡道开拓是为了——
——无轨运输，那么建议斜坡道最大倾度为8%
——输送带运输，但倾斜度在某个常规基础上，与无轨运输橡胶胎带关联变化，建议斜坡道最大倾度为15%。
——根据所传达的材料类型，输送带运输，那么最大的倾角理论上可以从0.26到0.44弧度变动（15度到25度)
但是，应该强调的是，运输带旁须有设备用来清理泄漏的岩石。正是这种状况可能限制了斜坡道的倾角，除非采用手动铲除方法清理泄漏的岩石。
3.2.2 矿房和房柱方向
房柱方向的确定应考虑初始应力.在所有采矿方法中,使用房柱采矿法开采的规划人员必须意识到可能的初始应力。如果在某个特定的方向确实有大量的最大水平应力,那么在确定矿房掘进方向和矩形房柱方向时，规划设计者应将之考虑进去，以给予该方向最大的支护。在开拓的早期阶段,应该作一些研究以决定矿体内在压力水平的大小和方向。如果不知道一个方向的水平应力，至少在美国中部和东部地区，应使房柱直角应该对齐北纬90度，好抵消自然地壳水平应力。这不仅是必要的而且被认为是很好的操作方法,很多浅部的房柱开采法，可能其水平应力很小，不需要担心矩形房柱方向和矿体方向或边界房柱。这是非常正确的,在山侧采用平硐开拓时,大自然在万年前早已释放了该点水平应力。
然而,与这种情况形成鲜明对比,一些深部房柱法开采的矿山具有巨大的问题,不仅是高水平的水平方向的应力,而且岩石会吸收大量的能量而剧烈破坏。在这些方法中, 不仅是房柱方向的确定很重要,而且开采的顺序,以及如何开采也很重要。 这些方法可以在Korzeniowski 和Stankiewicz的案例研究“为波兰铜金矿修改的房柱采矿法,”中查据(第九章，第二节、)。
考虑矿体倾斜的房柱定向。虽然大多数房柱采矿法是应用在相当平坦的地层,但该方法并不一定要局限于平坦的水平。可以放宽到倾斜为5%到8%的情形, 房柱法采场之间的布局几乎没有区别,除了矿房应该矿石应该以向下而不是向上吊装的方式布局。 矩形房柱的取向,可能对倾斜方向房柱长边的定向比较有意义。
另一种方法是，根据倾斜矿体的水平等轮廓线，依次开采平行的矿层。因此，由于每一圈矿体都被炸开了，大部分的岩石都会被抛掷到下一层，可以在那里装载（因此，术语“梯级开采”）。该方法由穆富利拉在1966年首次发表。然而,在这种情况下,在第二圈开采中房柱也几乎立即被回采了,因此当沿走向后退回采时，允许崩落矿体上盘。
当倾角很陡，例如到达35%到45%时，就难以用操作无轨设备，一些制造商提出了后移式、齿轮驱动大型机械，在这些条件下可以钻采场轮。然而，必须用铲矿机开采矿石，以这个角度，矿石不会在重力作用下滚动，而且对任何其他类型的装载设备来说这个坡度都太大了。
3.2.3 房柱法采矿运输的开发
通常情况下,生产竖井的位置都设计在矿体形心附近。生产开拓的目标是最小化运输矿石至竖井的成本。 如果是无轨运输,考虑其他因素将有助于最小化运输成本。
■ 坡度应该尽可能小,长距离运输控制在8%以下
■ 运输路线应尽可能笔直。这意味着保持房柱位置，防止路线偏离周围的新形成的房柱。因此，在开采之前，所有的主要运输道路都应该规划好，也就是说和所有房柱应该布局出来。
■ 长途道路应保持良好的条件，有足够数量的碎石，大小综合，并保持道路干燥。水不仅仅会造成的道路坑洞，而且会滑动岩石去切割轮胎。
矿山开拓计划的布局。把第二章（2.3.1）给出的拇指法记在脑海中。这些包括保持道路交叉口是分开的主水平巷道的六倍宽，避免锐角道岔从而形成锋利的外圆角房柱，除了主水平巷道外，以至少三倍宽的主水平巷道的对角宽度保持坡道和下斜接近平行。
对于无轨橡胶轮运输车系统的规划，必须考虑到从工作面移动岩石至破碎和吊装设备的各种方法。有很多方法可以做到。事实上，今天的现代液压挖掘机和强大的橡胶轮机器，采掘设备不仅功能多而且灵活，它有时也会造成一种困扰，即如何确保经常使用的是最佳方法。
房柱法采矿开始产矿时，若是从竖井底部或斜体底装运，运距短，无用材料通过斜坡道运到地表，用胶轮装载机可能是最好的方式。
由于矿体逐步从转运位置运出来，在前端，装载机应开始装载矿石进入卡车。在中间点，当需要几辆卡车运输已生产的一定吨位的矿石时，装载机可以装载卡车，也可以给自己装载，并跟随卡车到转运点。最后，随着距离的增加，要有使有足够数量的卡车供使用，装载机留在转运点，保持运输持续进行。
当采矿区涉及多个工作水平，主要运输区在底层，然后各种组合的铲运机，前装机，和卡车就可以用来运送矿石到溜井。在溜井底部，自动卡车装载机可以将矿石运送到卡车或火车上。如果上部矿体是相当小的，一个自动溜槽不够，就可以使矿体简单地堆积在地面上，一个铲运机或前端装载机可在这装载矿石到另一辆卡车。图3.1列举了，从一个矿房面移动材料到最后的矿运点的所有可能性。
矿山规划需要注意的是，在一个不断扩大的空间和房柱矿山里，去移动矿石的最佳的方法或组合是不断变化的，对每一个条件和距离，只有一个最佳的，成本最低的方法。以上所有可以被利用的井下环境的计算机模拟表明 (Bullock 1975, 1982; Gignac 1978)。
一些房柱法采矿的另一个概念是值得注意的。在一些较老的田纳西州矿山、巷有点小。因而，当距离变长，就需要使用更大的运输卡车。然而，因为小巷它是不可能去大卡车。为了解决这个问题，野蛮的锌，其戈登维尔矿，开始侧卸式卡车拖车钩在一起使迷你型的火车。为了每趟长途它们的使用增加了有效载荷，从而优化了生产这一特定的装载和运输条件。
如果一个输送系统用于主要的远程运输，还适用于矿山布局以上建议，除了输送将从矿井入口的下降开始。在这种情况下，我通常有一个semimoveable破碎机或断路器在井下矿石点之前加载到给料机的输送系统。运输系统，无论是铲运机或前端装载机和卡车，将把破碎的岩石从脸部中央接收点在破碎机。然后输送饲料的该破碎机。根据如何快速开采的速度远离中心点，每6至12个月，破碎机必须定期移动。
有段时间，铁路运输的原则就是把矿石从表面运输到生产竖井。在密苏里的旧的铅带，556公里（300英里）的互联铁路，一次把所有矿石从约15个矿运输到2个竖井。今天只有很少有房柱矿采用轨道运输。
3.2.4 房柱法开采的提取方法
一个现代的房柱法开采系统的优点是每个任务都可以被机械化到一定程度。机械化最大限度地减少了经营的劳动力，使工作人员的操作更容易。现代房柱法开采的高负载设备是很容易去学习使用和操作的。任何一个在建筑工程、军事、甚至是在一个农场里经营过任何重型机械的人，适应在房柱法设备上装载和搬运设备都没有麻烦。
虽然大多数房柱法采矿都是是通过钻孔和爆破进行，特别是在骨料和金属开采企业。一个非常大的房柱法采矿，也要做机械挖掘。许多天然碱、钾、和一些盐矿山，挖掘所有开口都使用机械开挖。读者仅仅针对本出版物中的案例研究，这些案例说明了这些类型的房柱法矿山使用了钻孔和爆破技术和机械挖掘技术。随着当今机械掘进机械功率的优化与改进，如磁盘，刀具等工具，如果是高度破碎低硅含量，机械开挖的可能性至少应研究和考虑在100 MPa的任何岩石（15000 psi）（甚至高达136兆帕[ 20000磅]）。在适用的情况下，各种机械开挖是有据可查的（布鲁克，1994）。此外，经过长时间的开发，全断面隧道掘进机在一定条件下也证明了他们的价值（斯奈德1994；亚力山大1999）。
机械开挖的优点是（ozdemer 1990）——
■ 提高人员的安全性
■ 最小扰动
■ 需要较少的地面支持
■ 连续的，非循环操作
■ 地面振动少，无空气冲击
■ 统一均匀废石的大小
■ 磨煤机需要粉碎和研磨
■ 减少通风要求
■ 自动化能力
机械挖掘是真正可行的，它增加了较高的生产速度，降低了矿井的经营成本。
许多房柱法矿山表面必须依靠钻孔和爆破。矿山的凿岩爆破初始传递通常是通过钻孔”模式或“掏槽”模式。这些类型在文献中是有据可查的（布鲁克1961、1982和1963；兰格福尔；霍普勒1998）。然而，一个方面往往被忽视的是，只有约40%的岩石应打破与钻轮
打破了只有一个自由的脸，但约60%的岩石应该被切块多自由面因为他们接触破碎（图3.2）。这最大限度地减少了每吨的岩石破碎和最大限度地提高生产力。
3.2.5 单通或多通提取
现存厚度矿体或有价值的岩石的开采有2种方法：单通道开采（采片）的整个厚度或通过多个通道或矿层移除矿体。当然，在这些可能的选择方法中，涉及到的整体厚度都要提取。
通常在开采层岩石存放时，所需的地平线的总厚度是已知的，可以提前决定如何采取厚片。然而，在金属矿床开采中，特别是密西西比河谷或坍塌角砾岩型矿床，除了我在这些地方，采矿工程师一般不知道厚厚的总开采层位置，每个钻石钻孔已经通过形成。离那个洞几英尺远的地方，开采条件可能很好。
对于一个金属矿总生产商来说，最好的方法是通过矿石体先开采上一层薄片。所要采取的片的厚度取决于所用设备或将要购买的设备是什么。 它还取决于地面是否可以被开采，和开采时保持安全有效的高度。开采的顶层片层，首先必须要达到的安全条件是允许任何背部和肋柱缩放和加强。在作者看来，这种厚度不应超过8.5米至9.8米（28至32英尺）。然而，在一次使用的高质量大的和可扩展的热潮屋顶垢设备的情况下，有开采12 到40英尺厚片厚的矿体。
如果在地表以下发现了矿石，那么，先开采后发现的矿石。在这个矿石被移除后，再加上其他的勘探，发现没有更多的矿石，而背面是安全稳固的，然后在地板上的矿石才可以采取。
根据矿石尚未开采的厚度和原始采场高度，开采矿石的方法在后面也有所不同。如果原来的采场高度不超过7.6米（25英尺）和背层的厚度不超过2米（7英尺），那么最可扩展的富矿面临台车可以用来钻（水平）钻井。通过钻探水平孔,一个矿工有更好的机会平稳安全的活动，,相比上面的孔钻打破自由面来说只需要较少的维护。这是特别真实的，如果在实践中仔细爆破。作者不推荐倾斜角度大的进给钻近垂直孔，特别是一个层状矿床，这是在许多房柱法开采的矿山的现状。
图 3.3
如果在背面的矿石厚度大于2米（7英尺），或矿房高度已经达到最大高度，可以安全地保持稳定，然后回采的方法是先切一个槽在后面的入口处。这槽应该是在房柱应达到的高度的下一个矿层或顶部的矿体。注意不要损坏将成为新房柱顶部的岩石。光面爆破在这方面的使用具有优势。矿井推土机（通常一个小的如4号或6号）应该开始推石头。如果没有推土机是可用的话前端装载机也可以做一个合理的工作建立巷道。从这里，在采空区大可以钻（水平）孔和遵循矿带。即使是在坚硬的岩石中超过了原来的采空区，一个问题不会产生比其他装载机现在将要装载的矿石为它破碎。在采矿作业完成后，约75%的矿体将不得不留在采场岩堆中。但是如果该矿需要立即生产的话，这可能是一个缺点。但是当夏天的时候如果矿石可以移动的话，这或许可以成为一个很大的优势。
当采掘到矿石的顶部时，因为矿工们仍然非常接近于矿体背面所以矿体背面必须保证安全。这型矿业已在田纳西州的锌和荚铅锌区实践。从破碎的岩石堆中开采出来矿石的情况并不罕见。在这种情况下，有必要从岩石堆的底部运载矿石，使新的装载室可以用去装岩石堆的破碎岩石，从而装载了多余的岩石（图3.3）。
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