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第一章
地下开采方法及应用
汉斯·哈姆林
1.1简介
矿石是一个经济概念，在现有的经济条件下，表示的是可以被利用的可销售的矿物的集合。了解一个矿产的前景，要比建立一个金属品级需要的信息多。而且在充分了解一个矿床的开采技术,处理方法和所需成本之前，都要进行一项可行性研究。
“现有的经济条件”表示的是，宝贵的原矿石与没有价值的岩石混合在一起的时，每个成分都要分别定价。原矿石需要通过选厂处理，加工成不同的精矿。其中原矿石中不单单只含有一种金属，而是多种金属的混合，例如原矿石中含有铜、锌和铅等。原位矿石的价值可以通过市场金属价格，再扣除矿石冶炼费以及运输费来计算得出。企业在保证成本的同时，还会有额外利润。
金属价格取决于供应和需求情况，并且每天都会在伦敦和纽约的国际金属交易市场中波动。供过于求导致金属过剩，这反映了金属市场价格在下降。对于矿山的利润，它会随着金属价格的下降而下降，但是对于加工，运输，冶炼来说，成本仍然保持不变。因此矿山企业必须减少成本来适应金属价格的下降。在矿山企业低迷时期，我们应该克服困难，在艰难险阻中寻找机遇谋求发展。
在对付以上情况，一种方法就是调整正在开采的区域，在这些区域中采掘更高的品位矿石，通过增加矿山产品的价值，保持其利润。另一种方法是提高矿井生产效率，修改采矿方法和引进新的设备，利用强大的机械来提高工作效率。矿井必须保持盈利的动力，但这并不是简单的以增加劳动力成本和需求来获得的。
本章主要介绍了几种典型的地下采矿方法。以1999年的矿床为例来说明采矿方法类型，然而,由于每个矿床地质、年代、形状和体积都不同，因此这里描述的方法，我们要根据矿山的实际情况来运用。
1.2术语定义
为了更好的理解本文中的材料，一些常见的采矿术语将在下面说明：
平硐：水平或近似水平进入矿井。
顶板：屋顶或地下的开销面。
提升机：一种将材料从地下运送到一个较高平面的加载装置。
爆破漏斗：抛掷爆破时所形成的爆破坑。
横巷：水平或接近水平的地下硐室。
矿体倾角：矿床的水平倾斜角度。
放矿点:位于回采区域,通过重力转移装运矿石的地方。
水平巷道：水平或近似水平的地下开拓面。
指状格条天井：通常情况，几个采场的矿石通过巷道同时运送到一个地点，用于传送矿石的管道。
下盘：位于矿床之下。
格筛：安排，防止过大的岩石进入矿石传输系统。格筛通常由钢格板用于粗筛的。
挂帮：矿床的围岩或岩石。
中段：与竖井相连的水平地下工作系统。是矿石的开挖基础。
人行巷道：用于人员行走的巷道。
矿石：在现有的经济条件下，可获利的矿床。
放矿溜井：用来转移矿石的垂直或倾斜的地下硐室。
盲矿：对于其经济价值尚未探明的矿产矿床。
提升巷道：从一个地下向上提升到较高平面或者表面的，或垂直或倾斜的的地下硐室（比较小的暗井）。
斜坡道：连接水平或生产区的地下洞室;是倾斜的，以允许机动车辆的通行。
竖井：直立的井状管道。
插槽：为进一步回采而开挖的垂直或倾斜矿段，。
采场：从地下围岩中挖掘矿石。
走向：矿床的主要水平方向。
分段：平硐系统；通常，根据生产要求只用于采矿领域。
围岩：矿石周围的岩石。
废料：被开采的废石或低级品味的矿石。
暗井：地下采矿时，装有提升设备而无直通地面出口的垂直或倾斜的通道。
1.3采矿方法
1.3.1简介
一旦开始对矿体进行探测，就必须开始收集足够的信息，以保证进一步分析，进而来选择最合适的采矿方法。在此阶段，该选择是初步的，只是作为一个项目布局和可行性研究的基础。以后还需要改进，但矿石提炼的基本原则仍然是最终策划的一部分。。
对于采矿方法的基本原则，在现在很少运用。因为每个矿床有它的独特性，而且这些方法的基本原则是变化多样的。在本章中介绍这些变化显然是不可能的。因此本章只是简单的介绍采矿方法的特点。
1.3.2房柱采矿法
房柱采矿法适合于薄的层状沉积岩矿体，如铜页岩、煤、盐、钾、石灰石、白云石。这种方法主要是用来保护采场资源。该方法留下矿柱，以支撑上盘，有时矿工为了获取最多的矿石，留下最小的支柱。顶板必须保持良好的稳定性，并用锚杆加固岩层。房柱通常会有规律的安排。房柱可以设计为圆形或方形。中柱是不可开采的，因此在矿物中不包括矿山的矿石储量。不同的地质条件会有不同的房柱采矿法。下文将介绍三种典型的房柱法。
经典房柱式开采（图1.2），适用于中厚或厚的倾斜矿床。在采矿过程中留下的空场，可以使无轨机车在其中运行。从顶部开始垂直开采矿体到底部。
后房柱式开采（图1.3），适用于倾角为20°到55°的倾斜矿体。开采的矿石充填在采空区，充填可以保持岩体稳定，并可以作为一个工作平台，为下一个矿块开采做准备。
房柱式开采（图1.4）是一种无轨开采方法，适应急倾斜矿体。他允许无轨设备，钻井和出碴使用，并且沿房柱倾角向下开采。
经典房柱式开采。在经典房柱开采方法里，挖掘平面层状矿体只需要较少的开采工作量。在建设矿石运输和通讯巷道时，要停止开采。道路开挖可以与采掘矿石相结合，而且采空采场可以作为运输路线。
当开采矿石涉及到相同的钻爆技术时，采场的宽度和高度也应该与之相似。当在在地质条件良好，采场空间大的情况下，可以用大型凿岩台车来进行机械钻眼。
大型矿床应该沿顶板的垂直高度开采边帮。在这个阶段，通过锚杆来支护，下面部分会通过一个或者多个台阶进行回收。标准履带式钻机用于钻垂直孔和传统的阶段爆破。
采掘的矿石是用柴油机驱动的装载机承载的。采场的高度和输送距离，是根据使用不同的传输系统而定的。采掘矿石时会有足够高的台阶，可以为普通自卸车运输提供足够的距离。在薄矿体里的运输工具，可以从制造商那里购买低矿卡车。在采空区可采用铲运机（LHD），把清洗的渣土转移到卡车，然后运送到排土场。
移动机械化设备适用于平面或微倾斜矿体。通过支柱布局，建立几个生产区，这样通信布局也就简单明了。这些因素的改变都使人类和机器在矿石回收中提高了效率。
后房柱式开采。后房柱采矿法（“支柱”采矿）是房柱法和充填采矿法的组合。采用这种方法，矿石从底部开始向上进行片段回收直到水平。支柱是用来支撑顶板的。采空区采用液压回填尾矿，并且下片从填充表面开始开采。通过几层填充后再继续进行房柱开采。采用注沙充填可以调整采场布局，并可以尽可能的适应岩石条件和矿石边界。无论是用注沙充填来提高支柱的保障能力还是利用经典房柱式开采，都为了提高矿石回采率。
后房柱采矿法结合剪切和充填开采，即允许在平滑的地面，由房柱式开采提供了宽敞的采场工作面，这样容易获得多个开采点，有利于提高机械化的效率。
房柱式开采。其适用于倾斜矿体，而且采场可以运用无轨设备。虽然并不能广泛的运用于所有矿山，但是至少适合厚度为2到5米，倾角为15°到30°的矿体。
该方法有设计，矿体的倾角是通过极坐标系统定义的。无轨车的运输路线是通过倾角和采场底板来设计的。进入采场和运矿巷道的交叉运输路线应该建立在相反方向。
房柱式开采的发展主要包括运输线路如何在预定的方向穿过矿体，以及在选定合适的矿车后，如何维护运输的线路等。
从运输巷道挖掘分支到其他的采场需要按规定的倾角进行。采场在一个类似的运输巷道中工作，直到下一个平行的运输巷道。接着就是挖掘下一个巷道并且与前一个要相邻。重复这个过程，直到顶板跨度变得接近设计宽度并保持稳定，然后将平行于采场的矿柱子留作为支柱。
3.3矿脉采矿
在静脉矿山中（图1.5,1.6和1.7）矿床是高度可变的。一个矿体可从一个大规模的变成一个数平方公里约20克/吨0.5米宽的石英脉矿，这些都是用来恢复矿物的价值，但宁愿让上盘和下盘的废石完好无损。在较厚的矿体，机器在矿体周围运作是没有问题。当矿化区缩小到几米，机器可能太宽，其只适合在矿边界工作。岩石开挖只允许有少量的生产浪费，这就导致了开采的替代方案是使用人工恢复高品位矿石。然而，劳动价值是昂贵的，手工采矿技术是低效的，同时也很难找到人使用手动凿岩机来工作。
如今，可以选择一个超小尺寸的凿岩机来开采2米宽的巷道。这些超小尺寸凿岩机可以与深孔钻机配套使用，来进行开采矿体。再补充一个2m3挖掘机与深孔钻机就可以进行矿脉机械化开采。
1.3.4留矿法
在收缩回采（图1.8），矿石挖掘从水平切入，然后从底部开始向前推进。破碎矿石的一部分留在采空站，它可以作为上述开采矿石的工作平台，并支持采场的顶帮。
通过爆破，岩石的体积增加了约50%，40％的爆破的矿石必须留在挖掘面，以保持爆破矿石顶部的稳定性。当采场发展到规划采场的边界，则要中止，与此同时矿石的其余60％可被回收。
较小的矿体可以通过单个采场开采，而较大的矿体被分成若干个单个采场进行开采，以维护矿体围岩的稳定性。一般采用后矿柱采矿法进行回采。留矿采矿法可用于矿体
陡倾角（倾角必须超过休止角），
矿业公司，
相对稳定的上盘和下盘，
常规矿石和边界，
在采场中不受影响的矿石（某些硫化矿在大气中容易氧化分解），
收缩回采发展包括
沿采场底部的运输巷道，
横切到下方的采场矿石，
采削5至10米以上的运输平巷，
从运输平巷穿过通风巷道，抵达采场。
对采场底部的情况，可以视为分段回采出的矿量，并减少放矿装置。
钻孔和爆破使回采区产生空洞。采场中的粗堆矿应该避免使用机械化设备。标准的做法是使用气腿式凿岩机钻孔爆破。
传统的留矿法处理只需要在运行槽上通过轨道车直接倾倒矿石，同时将铲装载机与放矿口加载系统结合一起，可以提高工作效率。
留矿采矿法是一种常见的和重要的机械化地下开采方法。它的优点是矿石可以直接通过斜槽倾倒，消除人工放矿。然而，在现在这些都不是重点，其真正的缺点是，劳动强度大，生产力低下，而且工作条件艰苦和危险，很难采出大量矿石，因此需要用浅孔留矿法来代替。在通常情况下，直接撤出分段采矿法，用分段崩落法和充填采矿法替代。
现在留矿采矿法仍然存在，但是作为一种典型的采矿法，可以在机械上用最小的投资，使其不完全依赖人工。
1.3.5分段空场采矿法
在分段空场采矿法（图1.9和1.l0）中，矿石在空场开采回填后可以恢复正常。采场在沿垂直方向很大，该矿体可以分为不同的采场。在矿段之间，通过预留矿柱支撑顶板。预留的房柱通常是垂直的穿过矿体的柱体矿体。矿石的水平段，被称为冠支柱，也都留下来支持采场。
如果扩大了采场尺寸，那么就影响了挖掘效率。因此矿工瞄准的可能是最大的采场。岩体的稳定性取决于选择采场的矿柱的大小。分段采矿法进行开采的矿床具有以下特点：
倾斜角必须超过休止角，
上盘和下盘有稳定的岩石，
主要矿石和围岩，
有规律的岩石边界。
中深孔钻主要为分段巷道在矿体内部层次之间做准备，这些都是重要位置，因为这些都是深孔钻机钻爆孔的要点。钻探炮眼是最重要的要领，每个孔的深度和角度，所有这一切都必须十分精确，只有这样才能实现成功爆破。
可以通过采场底部进行安全出碴，同时还可以结合运输卡车或轨道车进行运输。槽形采场底部通常是通过加载巷道，以规则的间隔进行回采。
选择发展巷道和采场的是费力费钱的过程。作为一种替代传统的放矿口和清除系统，一个简单的形式将会日益普及。在这里，底板与水平面相切。出碴的地方在露天采场的采场底部。考虑安全情况，在露天采场可以通过无线电话相互联系。
分段矿房法需要一个规则的采场矿石边界。在钻探内部，全部都是在较大的矿体，矿石，上盘和下盘之间的区域沿矿体走向开采。
1.3.6大孔径回采
大孔径回采（图1.11-1.13）是分段空回采的一个按比例增大的变型的采矿方法，其中使用具有较大直径（140〜165 MM）的炮眼。这些通常是用在钻孔（i）技
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