金属采矿学辅导讲义

1、第一章 概论第一节 地下金属矿床分类金属矿床的矿体形状、厚度、倾角和赋存深度，对于矿床开拓和采矿方法的选择，有直接的影响。金属矿床可按上述几个特征进行分类。一、 按矿体形状分类1 层状矿床2 脉状矿床3 块状矿床二、 按矿体倾角分类1 水平和微倾斜矿床，倾角小于5°。2 缓倾斜矿床，倾角为5°30°。3 倾斜矿床，倾角为30°55°。4 急倾斜矿床，倾角大于55°。三、 按矿体厚度分类1 极薄矿体，厚度小于0.8m。2 薄矿体，厚度为0.84m。3 中厚矿体，厚度为41015m之间。4 厚矿体，厚度为101540m之间。5 极厚矿体，

2、厚度大于40m。四、 按赋存深度分类1 浅埋矿体，一般小于500600m2 深埋矿体，一般大于500m第二节 矿石和围岩的物理力学性质矿石和围岩的物理力学性质，影响到对矿床的开采和生产安全。主要的物理力学性质包括坚固性、稳固性、结块性、氧化性和自燃性、含水性、碎胀性等。一、 坚固性坚固性是矿石抵抗外力的性能，这种外力是一种综合的外力，如锹、镐、机械破碎、爆炸等的作用力。与强度的概念不一样。坚固性大小常用坚固性系数f来表示，它反映岩石的极限抗压强度、凿岩速度、炸药消耗量等的平均值。 （1）式中r为岩石的极限抗压强度，公斤/厘米2。二、 稳固性稳固性是指岩石在空间允许暴露面积的大小和暴露时间的长短

3、的性能。影响因素较多，包括岩性、地质结构、开采方式、地下水等。稳固性对采矿方法的选择和地压管理有重要影响。稳固性一般分为五类。1 极不稳固的 随掘随冒，不允许有暴露面积，要开挖时必须超前支护。2 不稳固的 允许有较小的不支护暴露面积，一般不大于50m2。3 中等稳固的 不支护暴露面积为50200800m2。4 稳固的 不支护暴露面积为200800m2。5 极稳固的 不支护暴露面积大于800m2。三、 结块性高含硫和黏土的矿石在有水时产生的粘结特性。四、 氧化性和自燃性氧化性是指硫化矿石在水和空气的作用下，变为氧化矿物的性质。高硫化矿物（含硫20%以上）在空气中氧化，产生大量的热量，升温引起火灾

4、。五、 含水性含水性是指岩石吸收和保持水分的性能。六、 碎胀性岩石破碎后，其体积比原岩体积增大的这种性质称为碎胀性。破碎后的体积与破碎前的体积之比被称为碎胀系数，一般坚硬矿岩的碎胀系数为1.21.5。第三节 几个基本概念一、 矿田和井田划归一个矿山企业开采的全部矿床或其一部分叫矿田，在一个矿山企业中划归一个矿井（坑口）开采的全部矿床或一部分叫井田。矿田有时等于井田，有时包括数个井田，见图1所示。a 矿田等于井田b 矿田包括两个井田井田井田图1 矿田和井田二、 阶段和矿块1 阶段 在井田中，在垂直方向上每隔一定的距离，掘进一条或几条与矿体走向一致的主要运输巷道，将井田在垂直方向上划分为矿段，这样

5、的矿段叫阶段。两相邻阶段间的高度称为阶段高度。2 矿块 在阶段中沿矿体走向每隔一定距离，将阶段矿体划分为独立的回采单元，称为矿块。三、 盘区和采区1 盘区 在开采水平或微倾斜矿床时，若矿体的厚度不超过允许的阶段高度时，在井田内不再划分阶段。为采矿工作的方便，将井田用盘区运输巷道划分成方形的矿段，此矿段称为盘区。根据开拓、采准和回采工作的不同，盘区又分为开拓盘区、采准盘区和回采盘区。2 采区 在盘区中沿走向每隔一定距离，掘进采区巷道连通相邻两个盘区运输巷道，将盘区再划分成独立的回采单元，这个单元称为采区。见图2所示。图2 盘区和采区的划分开拓盘区；采准盘区；回采盘区1主井；2副井；3主要运输巷道

6、；4盘区运输巷道；5采区巷道；6采区；7切割巷道四、 矿床开采顺序1 阶段开采顺序 井田中阶段开采顺序可分为上向开采和下向开采两类。2 矿块开采顺序 阶段中矿块开采顺序包括前进式开采、后退式开采和混合式开采。五、 矿床开采步骤金属矿床地下开采可分为开拓、采准、切割和回采四个步骤。1 矿床开拓 从地表开始，向地下掘进一系列巷道通达矿体，形成提升、运输、通风、排水以及动力供应等完整系统，称为开拓。为此目的而掘进的巷道，称为开拓巷道。2 矿块采准 在形成开拓系统的矿床中，掘进采准巷道，将阶段划分为矿块作为回采的独立单元，并在矿块内形成行人、凿岩、放矿、通风等条件，此项工作就称为采准。3 切割 在完成

7、采准工作后的矿块内，为回采开辟自由面和自由空间，就称为切割。4 回采 完成切割工作后，进行采矿的过程就是回采，包括落矿、运搬和地压管理三项主要工作。第二章 矿床开拓第一节 矿床开拓方法一、 开拓方法分类综合国内外金属矿山采用的开拓方法，可概括为单一开拓方法和联合开拓方法两大类。凡用一种主要开拓井巷开拓矿床，就叫单一开拓；由两种主要开拓井巷组合开拓矿床，就叫联合开拓。开拓方法分类见下表1。表1 开拓方法分类表开拓方法分类主要开拓井巷类型典型的开拓方法单一开拓法平硐开拓法平硐（1）垂直矿体走向下盘平硐开拓法（2）垂直矿体走向上盘平硐开拓法（3）沿矿体走向（侧翼）平硐开拓法斜井开拓法斜井（1）脉内斜

8、井开拓（2）下盘斜井开拓竖井开拓法竖井（1）下盘竖井开拓（2）上盘竖井开拓（3）侧翼竖井开拓斜坡道开拓法斜坡道（1）直线式斜坡道开拓（2）螺旋式斜坡道开拓（3）折返式斜坡道开拓联合开拓法平硐与井筒联合开拓法平硐与竖井或斜井（1）平硐与盲（明）竖井联合开拓（2）平硐与盲（明）斜井联合开拓明井与盲井联合开拓法明竖（斜）井与盲竖（斜）井（1）明竖井与盲竖井联合开拓（2）明竖井与盲斜井联合开拓（3）明斜井与盲竖井联合开拓（4）明斜井与盲斜井联合开拓平硐或井筒与斜坡道联合开拓法平硐，竖井，斜井与斜坡道（1）平硐与盲斜坡道开拓（2）竖井与盲斜坡道开拓（3）斜井与盲斜坡道开拓二、 矿床开拓方法的选择1 选择

9、矿床开拓方法的基本要求（1） 确保工作安全，创造良好的地表与地下劳动卫生条件； （2） 技术上可靠，并有足够的生产能力，以保证矿山生产企业均衡地生产；（3） 基建工程量最少，尽量减少基本建设投资和生产经营费用；（4） 确保在规定时间内投产，在生产期间能及时准备出新水平；（5） 不留和少留保安矿柱，以减少矿石损失；（6） 与开拓方案密切关联的地面总布置，应不占或少占农田。2 影响矿床开拓方案选择的因素（1） 地形地质条件、矿床赋存条件；（2） 地质构造破坏，如断层、破碎带；（3） 矿石和围岩的物理力学性质，如坚固性、稳固性等；（4） 矿区水文地质条件，如地表水（河流、湖泊等）、地下水、溶洞的分布

10、等；（5） 地表地形条件，如地面运输条件、地面工业场地布置、地面岩层崩落和移动范围，外部交通条件、农田分布情况等；（6） 矿石工业储量、矿石工业价值、矿床勘探程度及远景储量等；（7） 选用的采矿方法；（8） 水电供应条件；（9） 选场和尾矿库可能建设的地点。三、 矿床开拓的几个典型实例1 平硐开拓 当矿床处于山坡地形时，在采用平硐开拓较为有利时采用平硐开拓。根据矿脉倾向与山体倾向的不同，又可分为下盘平硐开拓和上盘平硐开拓，典型的平硐开拓见图3所示。图32 斜井开拓 斜井开拓是当矿体倾角在150450之间，矿体沿倾斜起伏不大时采用，斜井开拓包括脉内斜井开拓和下盘脉外斜井开拓，典型的斜井开拓见图4

11、所示。 图4（a）脉内斜井开拓 图4（b）下盘斜井开拓3 竖井开拓 当矿体赋存在地平线以下，倾角大于450，或150而埋藏较深的矿体时，常采用竖井开拓法。按竖井与矿体的相对位置分，有下盘竖井开拓法、上盘竖井开拓法和侧翼竖井开拓法三种方式。竖井开拓方式是大中型矿山应用中使用最多的，其中的下盘竖井开拓方式应用最广，上盘开拓方式是在不适合下盘开拓方式时才采用，在矿体比较集中而又不适合上、下盘竖井开拓时就采用侧翼竖井开拓。典型的开拓方法图见图5所示。图5（a）下盘竖井开拓法 图5（b）上盘竖井开拓法4 斜坡道开拓 在开采大型矿山、大量使用高度机械化的无轨设备时采用斜坡道开拓法，按照斜坡道的类型分为螺旋

12、式斜坡道开拓和折返式斜坡道开拓，斜坡道一般布置在下盘的岩层中典型的开拓方法图见图6所示。 图5 联合开拓 根据地形和矿体赋存条件，有时需要将平硐、竖井、斜井或斜坡道中的两种或以上的主要开拓井巷组合起来开拓一个或几个矿体，就称为联合开拓法，例如平硐与盲竖井联合开拓、明竖井与与盲竖井联合开拓等。典型的开拓方法图见图7所示。图7(a)图7(b)第二节 主要开拓巷道的位置一、地表移动的概念1. 由于地下开采，导致采空区周围岩层失去平衡，引起岩体的变形和破坏，这种大规模的破坏和移动，就会使地表发生变形和塌陷。按照地表出现变形和塌陷状态，分为崩落带和移动带。在地表出现裂缝的范围内称为崩落带，崩落带的外围到

13、出现变形的地点为止，称为移动带。从地表崩落带的边界至开采最低边界的连线和水平面所构成的倾角，称为崩落角；从地表移动带边界至开采最低边界的连线和水平面所构成的倾角，称为移动角。各种不同岩层的崩落与移动角可按照经验选取。图82. 主要开拓巷道的位置 各种主要开拓建（构）筑物（主、副井等）的位置必须建立在移动带以外，根据建（构）筑物的用途、服务年限的不同，其与移动带外边界的距离也不同（这个距离称为建（构）筑物的安全距离）。建（构）筑物的保护级别与安全保护距离见下表2。表2 建、构筑物的安全等级与安全距离保护级别建、构筑物的名称安全距离（m）提升井筒、井架、卷扬机房、多层永久公用建筑、住宅、发电厂、变

14、电所、公路、铁道、储水池、主扇风机房20河流、湖泊50未设提升装备的井筒通风井、充填井、其它次要井筒、简易构筑物10二、保安矿柱的圈定1 保安矿柱的概念 在受客观条件限制时，一些井筒或建（构）筑物必须布置在地表移动带以内时，为保证这些设施的安全，必须留足够的矿柱来加以保护，此矿柱称为保安矿柱。2 保安矿柱的圈定方法 该方法是圈定地表崩落与移动方法的逆方法，即从地表建筑物的安全边界开始向地表以上的矿体推算保安矿体的留设，见图9所示。图9第三节 通风井的位置与通风方式一、 风井的位置 通风井的位置一般在矿体的下盘或矿体的两端，通风井由承担人员、材料和设备通道的副井与专用风井组成。二、 井的通风方式

15、 矿井的通风方式包括中央并列式、中央对角式和侧翼对角式。1 中央并列式图11图 102 中央对角式图123 侧翼对角式图13第三章 采矿方法第一节 采矿方法分类采矿方法就是矿块的采准、切割和回采三项主要工作的总和。目前，国内对金属矿山采矿方法的分类主要是依据回采过程中的地压管理，主要分为空场采矿方法、充填采矿方法和崩落采矿方法三大类，见表3所示。表3 采矿方法分类表类 别组 别典型采矿方法空场采矿方法1. 全面采矿法2. 房柱采矿法3. 留矿采矿法4. 分段矿房法5. 阶段矿房法（1） 全面采矿法（2） 房柱采矿法（3） 留矿采矿法（4） 分段矿房法（5） 水平深孔落矿阶段矿房法（6） 垂直深

16、孔落矿阶段矿房法（7） 垂直深孔球状药包落矿阶段矿房法充填采矿法1 单层充填采矿法2 分层充填采矿法3 分采充填采矿法4 支架充填采矿法（1） 壁式充填采矿法（2） 上向水平分层充填采矿法（3） 上向倾斜分层充填采矿法（4） 下向分层充填采矿法（5） 分采充填采矿法（6） 方框支架充填采矿法崩落采矿法1 单层崩落法2 分层崩落法3 分段崩落法4 阶段崩落法（1） 长壁式崩落法（2） 短壁式崩落法（3） 进路式崩落法（4） 分层崩落法（5） 有底柱分段崩落法（6） 无底柱分段崩落法（7） 阶段强制崩落法（8） 阶段自然崩落法第二节 空场采矿法在空场采矿法中，主要介绍中小矿山使用得比较多的几种采矿

17、方法，包括全面法、房柱法和留矿法等。一、 全面采矿法 1 实用条件和特点 薄和中厚矿体（小于57m），矿石和围岩稳固，缓倾斜（小于300）。其特点是只以夹石和贫矿体作为不规则的矿柱，以维护采场顶板的稳定，进行全面的回采。2 实例 典型的采矿方法图见下图14所示。图14二、 房柱采矿法1 实用条件和特点 薄、中厚和极厚矿体，矿石和围岩稳固，缓倾斜和水平矿体，实用范围比全面法要广泛。其特点是在采场内留下规则的连续或间断的矿柱，以维护采场顶板的稳定。2 实例 典型的采矿方法图见下图15所示。图15三、 留矿法1 实用条件和特点 薄和中厚以下的矿体，矿石和围岩稳固，急倾斜，矿石无自燃、结块等现象，该方

18、法应用范围很广。其特点是在矿房回采过程中人员在采下的矿石堆上作业，自下而上分层采矿，每次采下的矿石靠自重放下三分之一左右，其余的留在矿房中作为上采的工作平台，矿房回采完后，进行大量放矿。2 实例 典型的采矿方法图见下图16所示。图16第二节 崩落采矿法崩落采矿法是三大主要采矿法之一，它包括单层崩落法、分层崩落法、分段崩落法和阶段崩落法等。崩落采矿法在我国矿山应用很广泛，其采出矿石量约占地下矿采出矿石量的35%，并且还有增大的趋势。一、 单层崩落法 主要用来开采顶板岩石不稳固，厚度一般不大于3m的矿层。其特点是在回采工作面推进一定距离后，除保留下一步回采所需的空间外，有计划地回收支柱并崩落采空区

19、的顶板岩石并用以充填采空区，借以控制顶板压力。根据顶板岩石的稳固性和允许暴露面积的不同，可将单层崩落法分为长壁式崩落法、短壁式崩落法和进路式崩落法。1 长壁式崩落法 在三种方法中，当矿层顶板的稳固性相对较好时，采用长壁式采矿法。典型的工作压力图和采矿方法图见下图17和图18。图17图182 短壁式崩落法 当矿层的顶板围岩稳固性相对较差时，采用长壁式采矿法不易控制顶板地压，此时可采用该方法。在上下阶段巷道之间，沿矿层的走向掘进分段巷道，用分段巷道划分工作面，将工作面长度缩小形成短壁，以利于顶板管理。典型的采矿方法见图19所示。图193 进路式崩落法 当矿层顶板稳定性更差时，则采用进路式崩落法开采

20、。其特点是将矿块用分段巷道或上山划分成沿走向的小分段或沿倾斜的条带，从分段巷道或上山向两侧（或一侧）用进路进行回采（进路宽度可为22.5m的窄进路、57m的宽进路）。典型的采矿方法见图20所示。图20二、 无底柱分段崩落法无底柱分段崩落法自六十年代中期开始在我国开始使用以来，在金属矿山得到广泛使用，特别是在铁矿山得到使用，目前由该方法采出的矿石量已占地下铁矿山矿山总产量的70左右。1 特点 无底柱分段崩落法的特点是各分段的底部没有专用出矿的底部结构，分段凿岩、崩矿和出矿等的工作都在回采巷道中进行；以崩落矿体上覆围岩充填采空区，进行采空区地压管理。该方法的安全性好，采矿方法结构简单，回采工艺简单

21、，适应于高效率的大型无轨设备，机械化程度高。2 实用条件 该方法结构简单、可用范围广，其实应条件为：（1） 地表与围岩允许崩落；（2） 矿石稳固性中等以上；（3） 急倾斜的厚矿体和缓倾斜的极厚矿体；（4） 矿石价值不应很高（因为损失贫化较高）。3 实例 典型的无底柱分段崩落法的采矿方法如下图21所示。4 地压管理 无底柱分段崩落法以崩落上覆岩层作为形成崩落法正常回采条件，达到对地压控制的目的。三、 崩落法的地压管理无论是哪一种崩落法，都是以崩落上覆岩层和围岩来实现地压管理，即随着崩落矿石，强制（或自然）崩落围岩充填矿区，以控制和管理地压，这是崩落法共有的基本特征。虽然崩落采矿法在地压控制和地压

22、管理方面有较大的优点，但由于要大规模崩落围岩，崩落法会诱发地表和地下多种地质灾害，如地表塌陷、山体滑坡、地下采场泥石流、地表水下注等。图21第三节 充填采矿法一、 单层充填采矿法 该方法适用于缓倾斜薄矿体中采矿，用矿块倾斜全长的壁式回采面沿走向方向一次按矿体全厚回采，并随工作面的推进有计划地用水力或胶结充填采空区，以控制顶板崩落。我省的湘潭锰矿采用的就是这种采矿方法。典型的采矿方法的实例见下图22所示。图22二、 上向水平分成充填采矿法 该方法一般将矿块划分为矿房和矿柱，矿房和矿柱分两步骤回采，第一步回采矿房，第二步回采矿柱。矿房回采时，自下向上水平分层进行，逐层充填采空区，并留出继续上采的工

23、作空间。充填体作为维护采场两侧的围岩，起到控制采场地压的作用；充填体还是向上回采的工作平台。在矿房回采完最后一个分层后，将采场充填接顶，完成矿房的回采工作。以同样的方式回采矿柱。1 采矿方法图例 典型的采矿方法的实例见下图23所示。图232 适用条件 矿体和上下盘围岩均较稳固，矿石品位高和稀有金属矿床。三、 下向分层充填采矿法 这种采矿方法与上向分层充填采矿法相反，在中段矿块中，从上往下逐层回采和充填，每一分层的回采工作，在上一分层人工假顶的保护下进行。充填体主要起控制采场地压的作用。1 采矿方法图例 典型的采矿方法的实例见下图24所示。图242 适用条件 矿石和围岩很不稳固，矿石品位好或价值

24、高的有色金属和稀有金属。第四节 充填材料一、 充填材料的分类 根据不同的标准，可对充填材料进行下列分类。1 按充填材料粒级分类（1） 块石（废石）充填料 主要用于处理空场法和留矿法开采后遗留的采空区，如赣南的钨矿山开采中都采用这种材料处理采空区。（2） 碎石（粗骨料）充填料 主要用于机械化水平分层充填采矿法、分段充填采矿法，用水利输送。（3） 磨砂（戈壁集料）充填料 作为分级尾砂的补充材料。（4） 天然砂（河砂和海砂）充填料 （5） 脱泥尾砂充填料 这是使用最广泛的一种充填料，其来源方便，成本低廉。（6） 全尾砂充填料 2 按力学性质分类 根据充填体是否具有真实的内聚力，可将充填材料分为非胶结

25、和胶结两类。（1） 非胶结充填材料 不含水泥等胶凝材料的充填料。（2） 胶结充填材料 含水泥或水泥替代品等胶凝材料的充填料。二、 充填材料的作用机理1 充当采矿的工作平台。2 支撑采场围岩，控制采场地压。第四章 露天矿开采露天开采是相对于地下开采而言的，露天开采包括原生矿床开采和砂矿床开采，在此只介绍原生矿床的开采。目前，我国铁矿石产量的90%和有色金属矿石的52%是用露天开采的，作为冶金辅助原料的石灰石全部用露天开采。第一节 露天开采的几个概念一、 露天采场的基本要素1 露天采场 露天开采所形成的采坑、台阶和露天沟道的总和，称为露天采场。2 台阶 露天开采时，通常是把矿岩划分成一定厚度的水平

26、分层，自上而下逐层开采，并保持一定的超前关系。在开采过程中各工作水平空间上呈阶梯状，每个阶梯就是一个台阶，台阶是露天采场基本构成要素之一，见图25所示。图253 边坡与边坡角 最上一个台阶的坡顶与最下一个台阶的坡底之间的连线所构成的斜面就叫做边坡面，如图中的ag面和bh面；边坡面与水平面所构成的角就称为边坡角，如图中的角和角。当开采到最终境界时的边坡面称为最终边坡面，相应的边坡角称为最终边坡角。最终边坡上的平台，按其用途分为安全平台、运输平台和清扫平台。图26二、 露天开采境界1 露天开采境界 是指露天矿开采终了时（或某个时期）所形成的空间轮廓。它由露天采矿场的地表境界、底部境界和四周边坡组成

27、。露天开采境界的确定，涉及面较广，主要包括自然因素（矿床赋存条件）、技术组织因素（开采技术水平、装备等）和经济因素（基建投资、矿石成本、矿山经济效益等）。2 剥采比 在露天开采境界内，剥离岩石的量与采出矿石量的比，或开采单位矿石所需剥离的岩石量，就称为剥采比。式（2）和式（3）是平均剥采比的计算方法。 （2）或 （3）式中的符号意义见图27所示。图27 开采境界与剥采比的概念第三节 矿床开拓一、 矿床开拓的概念 露天矿山分为山坡露天和凹陷露天矿。矿床露天开拓是开辟地面与露天采矿场各开采台阶之间的矿石运输通路，以此保证露天采矿场与受矿点、废石点、废石场和工业场区的运输联系，及时准备出新的工作水平

28、。二、 矿床开拓的方式 露天矿的矿床开拓坑道有露天坑道和地下井巷两种基本形式。按运输方式分类，露天矿床的开拓方式主要有：公路开拓、铁路开拓、带式输送机道开拓、平硐溜井开拓、提升机道开拓等。一） 山坡露天矿开拓 山坡露天矿开拓一般采用直进式和回返式坑线布置。采场与工业场区相对高差不大，开采台阶数较少。二） 凹陷露天矿开拓1 公路开拓 以汽车运输为特点的开拓方式1） 公路固定坑线开拓 开拓坑线布置在开采境界内的最终边帮上，在该采矿场整个开采过程中不再改变位置。随着开采水平下降，坑线不断延深。开拓坑线的布置方式有直进式、回返式和螺旋式，见图28所示。图28-a图28-b2） 公路移动坑线开拓 开拓坑

29、线布置在开采境界内的最终边帮上，在该采矿场整个开采过程中出入沟的位置会发生变化，直到工作线推进到最终开采境界，才在最终边界上固定下来，见图29所示。图29-b图29-a3） 地下公路斜坡道开拓 地下公路斜坡道布置在露天采矿场开采境界外的围岩体中，典型的开拓图见图30所示。图302 铁路开拓 以火车运输为特点的开拓方式。与公路开拓相比，铁路开拓有运输能力大、运输设备坚固耐用、受气候条件影响小的优点；但铁路开拓坑线受铁路平面曲线半径大和纵向坡度小的影响，开拓坑线展线长度大、曾加剥岩量、基建工程量大、基建期长、线路移设困难、开拓系统和工作组织困难等。由于铁路开拓存在的一些缺点，国内外采用单一铁路开拓

30、的矿山逐渐减少。一般的做法是铁路开拓与其它开拓方式组合形成联合开拓系统。3 带式输送机道开拓 是利用带式输送机的主体建立露天采场的矿岩运输通道，它多用于开采深度大的凹陷露天矿，也可用于高差大的山坡露天矿。常用的带式输送机道开拓方式为：（1） 单一带式输送机道开拓；（2） 汽车半固定破碎机带式输送机道开拓，见图31所示；（3） 汽车固定破碎机带式输送机道开拓；（4） 移动式破碎机带式输送机道开拓。图314 平硐溜井开拓 是利用地下井巷作为开拓坑道，以建立山坡露天矿场与地面间的运输联系，它是高山型矿床的一种经济有效的开拓方法。典型的开拓系统见图32所示。图325 斜坡提升机道开拓 是以较陡的斜坡提

31、升机道建立工作面与地面卸矿点和废石场取得联系。斜坡提升机道不能直接到达工作面，还需与汽车或铁路等配合才能构成完整的开拓运输系统。常用的斜坡提升机道开拓方法有斜坡箕斗开拓和斜坡矿车开拓。凹陷露天矿的箕斗设在最终边坡上，山坡露天矿的箕斗道一般设在采矿场端帮开采境界以外。第二部分 金属矿山开采诱发的典型地质灾害第一节 概述矿山地质灾害是矿山工程建设和资源开采直接诱发的一种人为灾害。从矿山灾害形成机制、发灾原因、表现形式和严重程度等方面来看，矿山地质灾害具有自然属性和社会属性两重性。自然属性是指自然环境和自然条件，如地形地貌、岩土体性质、地下水赋存条件、矿体埋深、气象条件，这些都是发灾的背景和环境因素

32、；社会属性就是指致灾的人类活动及其行为方式，如矿山基本建设（修筑公路、建设厂房等）、采矿方法、落矿工艺、充填方法、加固方法、抽排地下水、尾矿堆积等，这些人为活动都是致灾的诱因。矿山地质灾害具有的两重性，决定着是否发灾、发灾规模与强度、发灾时间、灾害损失程度。因此，从灾害的属性出发对金属矿山工程地质灾害进行客观、科学分类，对于深入研究致灾原因、防灾减灾及灾后救护等都具有重要的意义。第二节 金属矿山工程地质灾害的类型 根据造成地质灾害的动力来源，分为内动力地质灾害、外动力地质灾害、人为地质灾害。根据地质灾害分布地理条件和空间分布特征，分为地表地质灾害（主要包括崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降等）、海底

33、地质灾害（主要包括海底滑坡等）。地下（井下）地质灾害（主要包括岩爆、突水突泥、地下热害等）。根据地质灾害活动的时间特点，分为突发性地质灾害（主要包括矿震、冒顶片帮、矿坑涌水、崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等）和缓发性或累进性地质灾害（主要包括地面沉降、尾矿库渗漏、地热等）。金属矿山工程地质灾害是矿山开采活动而直接诱发的人为地质灾害，是人类生产活动导致的严重地质灾害，它主要包括高地应力、冒顶片帮、地表塌陷、边坡滑坡、大面积空区崩塌、岩爆、地热、尾矿库倒塌、矿坑突水、泥石流、地表地质环境污染、矿区荒漠化等，本章节仅就这些重大矿山工程地质灾害类型分类如下。2.1 冒顶片帮冒顶片帮是地下开采空间顶板和边

34、帮岩石以及人工构筑物如充填体等冒落、崩塌，它是矿山开采导致的最直接的工程地质灾害。在金属矿山，冒顶片帮常常无明显前兆特征，具突发性，发生频度高，难以防范，是矿山生产安全的主要地质危害。2.1.1 冒顶片帮的危害性据不完全统计，我国各种矿山每年工伤死亡人数中有40死于冒顶片帮，死亡率占矿山各种地质灾害之首。西方发达国家如英国、美国和日本等国的金属矿山的冒顶片帮死亡人数占矿山总死亡事故的47%65%。根据对国有大中型有色金属矿山的统计，我国有色金属地下开采矿山冒顶片帮造成的人员死亡人数占矿山总事故死亡人数的18%；图3.1是上个世纪80年代国有大中型有色金属矿山的统计死亡人数。虽然与西方发达采矿国

35、家相比我国的这一百分比数较低，但绝对死亡人数则大大高于西方发达国家。百分比数和绝对死亡人数的这种关系，反应了我国矿山企业的综合安全管理落后于西方发达采矿国家。1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 年5040302010死亡人数 图3.1 有色金属矿山冒顶片帮灾害图由于冒顶片帮发生频度高、难以判断和识别、难以预防，它长期以来一直是金属矿山安全的最大威胁，也是矿山安全研究的主要对象。但迄今为止，冒顶片帮灾害仍然是一个未解决的重大技术难题。2.1.2 冒顶片帮的类型地下金属矿山冒顶片帮的类型较多，产生的机理也较复杂。一般来说，从受力特征上可以把冒顶片帮分为重

36、力结构型破坏和高应力作用下的应力型破坏，还可以根据岩性的不同及其受力特征进行分类，如张拉型破坏、压剪型破坏等。这里仅根据岩性、岩体结构形式、产生机制等把金属矿山冒顶片帮分为表3.1所列的几种形式。2.2 岩爆岩爆是开采活动诱发的岩石的强烈破坏，是岩石动力破坏形式，在这种破坏过程中伴随着弹性应变能的突然释放而强烈地冲击矿山工作面、采掘设备和采矿人员。岩爆具有突发性、猛烈性的特点，往往难以防范，严重的岩爆会导致重大人员伤亡、毁坏矿井、诱发矿震等，是深矿井开采中最为严重的安全灾害之一。表3.1 冒顶片帮的类型围岩岩性岩体结构冒顶片帮模式产生机制脆性围岩块体状结构及厚层状结构张裂塌落拉应力集中造成的张

37、裂破坏劈裂剥落压应力集中造成的压致拉裂剪切滑移及剪切碎裂压应力集中造成的剪切破裂及滑移拉裂岩爆压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏塑性围岩中薄层状结构弯折内鼓卸荷回弹压应力集中造成的剪切松动碎裂结构碎裂松动压应力集中造成的剪切松动层状结构塑性挤出压应力集中作用下的塑必流动膨胀内鼓水分重分布造成的吸水膨胀散体结构塑性挤出压应力作用下的塑流塑流涌出松散饱水岩体的悬浮塑流重力坍塌重力作用下的坍塌2.2.1岩爆的危害性冬瓜山铜矿自93年以来，在深部井巷工程的施工中多次出现岩石射现象。该矿1999年5月发生的一次岩爆最具代表性，岩爆发生时伴有炸裂声，岩爆破坏巷道长达25m。岩爆发生后的20余天内，不

38、时有小的岩爆发生。对这一段项道进行锚网支护后，再次发生岩爆，拉断锚杆并击穿金属网。该矿近年来发生的几起主要岩爆及地压显现见表3.2。表.2 冬瓜山铜矿岩爆实录日期中段地点发生情况描述1993年-790中段辅助井、措施井、与-790 m水平运输辅助井井口旁底板岩石弹射，约有0.2m3岩石在相当两只雷管爆炸声中崩出，一位工人受轻伤，雨衣被打破1997年1月17日-730水平盲竖井下掘东北部井下6 m处岩石弹射、崩出，崩出岩石约150kg,占井壁面积约0.5m21997年1月20日-730水平同1月17日盲竖井之下的7 m处岩石弹射，崩出，崩出岩石约300kg,占井壁面积约1平方米，岩壁出现两条裂缝

39、，长约60cm，间距40cm，裂缝宽2mm。1997年2月26日-790和-830两中段间的废石溜井废石溜井中部西帮壁处（约-810水平）岩石弹射，崩出岩石0.3m3,崩出前有爆裂声，一工人衣服被擦破。1999年3月-875m水平水仓施工巷道直角拐弯处闪长岩中巷道顶板上岩爆，崩出岩石面积达1015m2。1999年5月-850m水平巷道内巷道顶板矽卡岩发生岩爆并伴有炸裂声，历时20余天，岩爆巷道长达25m。锚网支护后再次发生岩爆，拉断锚杆并击穿金属网。红透山铜矿自70年代中期开始就有微岩爆现象发生，进入深部中段后岩爆次数(频度)增多(大)，强度呈现增大的趋势。特别是近年来，岩爆的频度和强度明显增

40、大，仅-647 m中段(约900 m深处)31#脉盘区，近年来发生的几起主要岩爆及地压显现，见表3.3。特别是99年5月18日发生在-647 m中段9-10#采场下盘一平巷至二平巷、二平巷至三平巷之间斜坡道内的连续两次岩爆，造成数十米长的巷道边帮岩石产生严重的崩落，崩落岩石新鲜且无构造裂隙的痕迹，成薄片状；斜坡道折返处的岩墙产生严重的压剪性破坏。岩爆发生时，地表有明显的震感。岩爆发生后的一个星期内，此处的围岩仍产生较大的炸裂，少量围岩崩出，采场内伴有大量粉尘造成采场“尘雾”现象。岩爆发生后，经国内科研院所和大专院校的专家现场调查，认定本次岩爆已达中等程度(巷道帮壁围岩崩出深度大于25cm)，见

41、图3.2所示。岩爆发生后，巷道处严重的破坏和危险状态，已几乎暴废，经过初步的加固处理仅能提供通风和行人通道；9#、10#采场临时停产，干扰了矿山的正常生产并给矿山造成了很大的经济损失。表.3 红透山铜矿-647水平岩爆实录表时 间地 点描 述1995.59#、10#采下水平岩块弹出，有响声，呈透镜状，伴有粉尘气浪1996.29#、10#采场壁帮矿壁襞裂，有响声，对应下部1302探矿穿脉失稳1996.5采场上盘回风巷50余米范围内顶板冒落，局部帮壁劈裂1997.29#采平巷一平巷顶板失稳，帮壁劈裂，少量冒落1999.59#采平巷，下部斜坡道巷道和斜坡道两侧帮大量岩石崩出，崩出岩石片状，岩爆发生时

42、地表有明显震感，近40 m巷道被严重破坏，9#、10#采场临时停产1999.7.299#平巷8 m长范围内帮壁剪切破坏，并伴有明显的炸裂声1999.12.279#采场一、二平巷，斜坡道顶板长度6 m左右条状岩块冒落、岩石破裂声响持续约20分钟1999.10.2031#脉盘区三平巷斜坡道三角矿柱破坏严重，伴有声响从冬瓜山铜矿和红透山铜矿(特别是红透山铜矿)岩爆发生的实录可以看出，随着金属矿开采深度的增大,高应力地压问题日益严重，岩爆频度和强度亦明显增大。红透山铜矿一年之内发生了数次岩爆现象,岩爆强烈程度在增大，该矿发生的中等岩爆产生了较大的破坏性，是国内硬岩金属矿山迄今为止最典型、最有代表性也是

43、最大的一次岩爆。金属矿山深井开采中的岩爆灾害问题已突现出来，它是我国金属矿山地质灾害的一个新课题。由于岩爆灾害是一种典型的内动力地质灾害，其突发性极强、破坏性大，一旦发生岩爆，往往会造成灾难性后果。这里特别强调我国金属矿山必须高度的重视深井开采中的岩爆灾害问题，必须加强对它的研究和防范工作。图3.2 红透山巷道岩爆照片2.2.2 岩爆的类型对岩爆分类的基础是岩爆的发生机理，而对岩爆进行分类则是便于根据不同类型的岩爆的特点，对其施实不同的防与治的措施，选择不同的支护方式等。到目前为止，对岩爆的分类没有一个统一的标准，分类方法的种类繁多。有的人用岩爆释放出的能量大小来分类，有人的用岩爆造成的工程破

44、坏形式及程度来分类，有的人则根据岩爆的诱因来分类。等等这些，都是人们根据各自从事的工程需要从不同的角度和观点提出来的。在诸多的分类方法中，南非的ortlepp的分类是比较好的一种，他根据对南非金矿现场岩爆观察以及对岩爆发生机理的研究，按岩爆能量的级别大小顺序，把岩爆分为应变岩爆；臌折型岩爆；矿柱或工作面压碎型岩爆；剪切破坏型岩爆和断层滑移型岩爆五大类。他给出了这五种类型的主要特征和能级大小的对应关系，见表3.4。表3.4 岩爆能量大小与岩爆分类关系假定的震源机理地震初动里氏震级ml应变岩爆表面片落并伴随岩块的强烈弹射很难发现可能产生岩爆-0.20臌折与空间自由面平行的原生岩层向外臌爆爆裂01.

45、5矿柱或工作面压碎完整岩体内剪切破裂的强烈扩展爆裂1.01.5剪切破坏完整岩体内剪切破裂的强烈扩展对偶（双力偶）剪切2.03.5断层滑移原有断层的强烈重新运动对偶（双力偶）剪切2.55.02.3 矿震矿震是开采矿山直接诱发的地震现象，矿震的震源浅，危害大，小震级的地震就会导致井下和地表的严重破坏。在我国，金属矿山矿震现象相比于煤炭矿山来说要少，因而长期以来没有引起人们的重视。近年来，金属矿山矿震现象增多，强度增大。例如湖南涟源市的青山硫铁矿因地下采场空区过大，1996年7月1日22时57分发生了里氏2.6级的地震，经区域性地震台网(长沙、益阳、宁乡地震台站)测定震中就在矿区。地震发生时，矿区的

46、群众普遍有感，地下“轰”的一声巨响，房屋晃动，地表少数房屋开裂破坏，导致井下采场大面积冒顶，四个采场大面积垮塌，见图3.3所示。矿山因此被迫关闭，造成直接经济损失2000多万元。红透山铜矿进入深部开采后，地表时有明显震感，并伴随地下采场岩爆的发生。该矿的矿震和岩爆正困扰着矿山的正常生产，给矿山带来了很大的危害，并潜伏着发生严重灾害的隐患。矿震同岩爆一样是近年来出现较多的一种点型的矿山工程地质灾害，大的矿震灾害对矿山来说可能是毁灭性的，甚至会诱发区域性地震。矿震发生的诱发因素多，发生机制复杂，必须强对矿震的监测和预报等的研究工作。图3.3 矿震致使采场大面积冒落2.4 地表塌陷矿山地表塌陷是一个

47、复杂的时、空发展过程，其形成机制涉及到许多重要理论问题，特别是与矿山压力、岩层移动、地下水等问题密切相关。近百年来，许多国家对矿山开采诱致的塌陷问题进行了广泛的研究。地表塌陷是常见的典型地质灾害，在地表塌陷灾害中矿山开采导致的塌陷危害最大、造成的损失最严重。据统计，我国因采矿引起的地面塌陷面积达1150km2，发生采矿塌陷灾害的城市近40座，造成严重破坏的有25座，每年因塌陷造成的损失达4亿元以上。虽然这些统计数据大多反映的是煤矿开采造成的灾害，但需要指出的是金属矿山开采造成的地表塌陷灾害及其造成的损失是一个不容忽视的问题。与煤矿开采相比，金属矿山因其开采规模相对较小，矿山相对分散，大多远离城

48、市，致使长期以来对金属矿山地质灾害的关注程度远不如煤炭矿山，但随着近年来金属矿山地质灾害的频繁发生，充分证明金属矿山开采导致的地质灾害的危害性在不断增大，必须引起各矿山企业、主管部门和全社会的高度重视。2.4.1地表塌陷的危害性对金属矿山来说，地表塌陷灾害不同程度地普遍存在，如东乡铜矿、武山铜矿、金川镍矿、程潮铁矿、锡矿山锑矿、凡口铅锌矿等。近10余年来，金属矿山地表塌陷灾害呈急剧上升的势头，矿山企业的短期行为如采后不充、采充失调，民采等多年积蓄的隐患暴露出来。金属矿山地表塌陷灾害不仅给企业自身造成了严重的经济损失，还大量引发与当地政府和群众之间的矛盾，造成不良的社会后果。1999年，山东莱州

49、马塘金矿因开采导致地表严重塌陷，致使莱州至招远的国家级公路遭受严重的塌陷破坏而中断交通，民房被埋并导致人员伤亡的重大工程地质灾害。截止到2000年12月，凡口铅锌矿自建矿以来因矿床疏干排水和地下开采导致2600多处地表塌陷坑，大到上万平方米，小到只有几平方米。地表房屋下沉、严重开裂，地表严重集水，形成藻泽地、水塘，且集水下渗采场，不仅严重影响了矿山自身的生产，而且给矿区附近的农业生产和居民生活造成了一定影响。新桥硫铁矿是一个以硫为主的大型多金属矿床，矿区自开采以来发生过多次大规模岩溶塌陷。已统计到的塌陷就有150个，引响面积达90万m2并生大量的地表开裂。白银厂坝铅锌矿因民采导致露天矿坑以下的

50、矿体存在大量的不明民采空区，1997年致使一露天坑台钻塌入民采空区的事故。锡矿山因开采导致地表塌陷区面积高达80.2万m2，下沉盆地最大下沉量达2.8m，导致大量建筑物被毁，并引发了一个315万m3的大体积滑坡。本溪市在已采空的18.7km2的区域内有6.5km2的地面建筑物遭到破坏。采空区地表平均下沉达2m，最深达3.7m，造成建筑物墙体位移、断裂、房屋倾斜，甚至倒塌，地表和地下供电、水、气等的管缆和地下设施遭到不同程度的损毁。江西武山铜矿因采矿导致塌陷面积达60.87公顷，塌洞达157个，造成房屋倒塌、农田荒弃，影响主要公路交通的安全和地表建筑物的使用。图3.4是一组典型的矿山地表塌陷灾害

51、的照片，从中可以看出塌陷灾害的严重程度。2.4.2 地表塌陷的类型矿山地表塌陷和地裂缝的主要诱因是矿山开采和矿床疏干。矿山开采方式是影响地表塌陷主要的因素，所采用的开采方法不同，对地表的影响程度也存在极大的差别。从总体上讲，分露天采矿和地下采矿，这两种采矿方式均会引起地表塌陷，露天引起的塌陷分布在露天采坑的四周附近围岩体，地下开采引起的地表塌陷是地下采矿空间上部的影响范围内的岩层。采用充填采矿法、空场法开采对地表的影响相对小一些，采用崩落采矿法开采时地表的影响最大。矿床疏干排水，严重破坏地下水系的平衡，与采矿工程相结合，是影响地表塌陷的重要因素之一。(a) 凡口矿采空区上的地表房屋塌陷（199

52、5.09.04）（b） 凡口矿地表塌陷形成的洼地（1993.03.03）图3.4 一组典型的地表塌陷照片1、岩溶塌陷金属矿山岩溶塌陷是指那些位于岩溶地区的矿山因矿床疏干大量抽排地下水，破坏地下水系的平衡，降低岩层中的潜水面，引起溶洞中的水压失衡。在地下水流作用下，岩溶洞穴中的物质和上覆盖层沉积物产生潜蚀、冲刷和淘空作用，结果导致岩溶洞穴或溶蚀裂隙中的充填特被水流搬运带走，在上覆盖层底部的洞穴或裂隙开口处产生空洞。若地下水位下降，则渗透水压力在覆盖层中产生垂向的渗透潜蚀作用，土洞不断向上扩展最终导致地面塌陷。岩溶洞穴或溶蚀裂隙的存在、上覆土层的不稳定性是塌陷产生的物质基础，地下水对土层的侵蚀作用

53、也是丰收的，不过这种作用很慢，且规模一般不大；人为抽采地下水，对岩溶洞穴或裂隙充填物和上覆土层的侵蚀搬运作用大大加强，促进了地面塌陷的发生和发展。此类塌陷的形成过程大体可分为如下四个阶段：（1）在抽水、排水过程中，地下水位降低，水对上覆土层的浮托力减小，水力坡度增大，水流速度加快，水的潜蚀作用加强。溶洞充填物在地下水的潜蚀、搬运作用下被带走，松散层底部土体下落、流失而出现拱形崩落，形成隐伏土洞。（2）隐伏土洞在地下水持续的动水压力及上覆土体的自重作用下，土体崩落、迁移，洞体不断向上扩展，引起地面沉降。（3）地下水不断侵蚀、搬运崩落体，隐伏土洞继续向上扩展。当上覆土体的自重压力逐渐接近洞体的极限

54、抗剪强度时，地面沉降加剧，在张性压力作用下，地面产生开裂。（4）当上覆土体自重压力超过了洞体析极限强度时，地面产生塌陷，如图3.5所示。同时，地其周围伴生有开裂现象。这是因为土体在塌落过程中，不但在垂直方向产生剪切应力，还在水平方向产生张力所致。图3.5 岩溶地面塌陷过程示意图2、开采诱发的地表塌陷露天开采和地下开采都会导致地表塌陷。露天采矿引起的地表塌陷不同于露天边坡的滑坡，滑坡发生在露天边坡的表层，而塌陷则往往离边坡有一定的距离，它发生在稳定边坡的围岩体中。露天开采导致的地表塌陷大多发生在凹陷露天矿坑周边围岩体中，一般为露采排水导致地下水位的变化，其影响范围内的地表会产生不同程度的塌陷。地下开采矿山地表塌陷与所采用的采矿方法有关，大量开采矿石，直接导致上覆岩层的移动和破坏、以及抽排地下水破坏地下水系的平衡是诱发地表塌陷的根本原因。1) 空场法空场采矿法是在采矿时，采场以敞空形式存在，采场的稳定性依靠矿柱和围岩来维护。在一般情况下，采场上部的岩层能保持稳定，引起地表下沉的原因是上覆岩层的变形和地下水系的破坏。2) 充填法充填采矿法是对采场中的矿石开采后形成的空区进行逐步或一次充填，依靠充填体对采场围岩体和上覆岩层起支撑作用，维持采场