包月祥
贵州省地质矿产勘查开发局106地质大队，贵州省遵义市563000
摘要： 为了实现地下矿山企业投资少、见效快、低成本、低污染、高效益、高安全系数，采用置换采矿方案——巷道掘进时,用混凝土模块发碹支护，使巷道自带通风功能，并同步永久封存散落浮矿、残留矿柱（壁）及采空区，可将裂隙渗水归管无污染处理；采矿时，液压活塞式渣石注入机和置换采矿支护架配套使用，用尾矿渣石等充填物将矿石置换出来，使顶板不冒落，实现矿山企业固体物零排放；运输，采用导链式运输系统，实现所采矿石的运出、充填渣石的运入同步进行，除井下装载点和地表卸载点外，中途无需人员操作，有效避免坠车安全事故的发生。若配备相应的智能装置，就可方便实现智能化矿山。
关键词:置换采矿方案、混凝土模块发碹支护、导链式运输系统。
一 前言
矿山企业，地下矿石开采后，所留下的采空区，大多采用人工放顶或者自然冒落。由此带来如下问题:
1 大量的顶板冒落，带来顶板管理及安全等一系列问题，稍有差错就是事故或矿难。
2 岩层裂隙增大，加大地下水的渗透，增加排水困难和污染源。
3 尾矿渣石无法有效的充填入采空区，丢弃在地表成为污染源，并费工费时费钱。
4 对于煤矿，采空区巨大的裂隙空间储存大量的瓦斯，并且紧邻作业地点，是一较大的危险源，不乏因采空区瓦斯引发的事故或矿难。
5 停产或闭矿后，采空区巨大的裂隙空间储存巨大的污染水源，无疑又是一巨大的危险源，不乏采空区储存的污染水源引发的事故或矿难。
以上所述问题，使矿山企业成为高危险、高污染的代名词，矿难和环境污染更是管理者的主要烦心事。
二 置换采矿方案
地下矿石置换采矿方案——巷道掘进时,用混凝土模块发碹支护，将散落浮矿、残留矿柱（壁）、采空区同步永久封存，裂隙渗水归管无污染处理；采矿时，用尾矿渣石等同步注入采空区充填并永久封存，将矿石置换出来，使顶板不冒落，实现矿山企业污染物零排放；运输，采用导链式运输系统，实现所采矿石的运出、充填渣石的运入同步进行，有效减少地下作业人员。具体实施如下：
1 巷道掘进与支护
在巷道掘进时，实施混凝土模块发碹支护，利用混凝土的易加工性、廉价性、牢固性、紧密性，同步形成具有密封功能、通风功能的牢固的永久性巷道。具体方法是：
（1）预制发碹模块。掘进工程开始前，提前将设计需要的发碹巷道墙体分解成：
a、竖直墙体为长方体模块。
b、起拱墙为直角梯形模块。
c、拱形墙为等腰梯形模块。
如图1所示，用模具预制，并在其间设置安装孔（并预埋螺母）、通风孔、卡装槽、注浆孔。另外，轨道安装孔、边沟、梯步等设计需要的，都可提前预制，并于发碹施工时拼装完成。
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（2）预备相应材料设备
a、专用材料：卡装条、连接垫块、缝隙垫块、通风孔连接管、锚杆。如图2所示。
b、专用设备：模块运装车、拱形墙模块输送架，如图3、图4所示。
c、通用设备：水泥注浆机、锚杆等。
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（3）发碹支护施工流程
A、运模块。巷道发碹时，用如图3所示的模块运装车，按需依次将长方体模块、直角梯形模块、等腰梯形模块运到现场。
B、拼装模块。运到后，直接装入，或用图4所示的模块输送架，送到指定安装点，放好通风孔连接管、缝隙垫块，用连接垫块，将相邻模块借助安装孔相互连接固定。
C、密封浇注。拼装好后，沿卡装槽、注浆孔注入水泥沙浆进行充填密封浇固，再将柱锥状卡装条打入卡装槽，遂完成一轮巷道混凝土模块发碹支护施工，如图5、图6、图7、图8所示。
混凝土模块，提前预制，一般为1x0.3x0.5米3，重量约360公斤，由特制的运装车按需运入，随到随装随走。超前掘进巷道发碹，可作短暂停留。
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（4）混凝土模块发碹支护优点
利用混凝土模块、拱形结构、连接垫块的相互支撑作用，有如下优点：
A、将散落浮矿、残留矿柱（壁）、采空区同步永久封存。
B、对巷道进行超前支护：如图23所示，各模块相互间由连接垫片、缝隙垫块、柱锥状卡装条的作用而连接并固定，在前进方向，形成相邻模块超前或
滞后半块长度的距离，成凹进凸出状，拱形结构又有较强的支撑力，利用拱形墙模块输送架的模块推送装置、前后移动装置、定位装置，准确将模块输送到凹部位置，随即利用双托连接块、双托弯折连接块及安装孔将其与相邻且固定的等腰梯形模块连接并固定，再用注浆机沿卡装槽、注浆孔、安装缝隙注入相应的混凝土或水泥浆，形成相应的注浆密封浇固层，后将柱锥状卡装条打入卡装槽，在安全地点完成一轮拱顶超前支护施工，确保巷道顶部冒落带的支护随时贴近施工掌子面，确保施工人员随时都在支护完好的安全地点作业，最大限度保障施工人员安全。
C、地下巷道裂隙渗水归管处理：顺裂隙往深处打2 --5米的孔，并置入多孔引水管，在注浆密封浇固层的对应处注浆密封，裂隙渗水会顺作多孔引水管流入，然后在巷道壁的相应处安装上导水引流管及闸阀，裂隙渗水就随导水引流管流走。斜井掘进时，安装上自吸泵就可直接抽出地表，不让其在作业点聚集后再抽，方便施工。地表浅层渗水，关闭闸阀不让其流入井下。可直接用于掘进作业。对于平巷，可直接流入水仓，亦可直接用于作业生产。总之，不让其随地流淌形成污染水源。有条件或必要时，可用相应位置的通风孔代替水管，减少相应的开支。如图24所示。
D、利用通风孔通风：在巷道口或发碹巷道起始处，用相应直径的刚性通风孔导风管接入通风孔，一定数量的通风孔导风管并联接入较大直径的刚性风筒，装上风机，污风及从通风孔被抽出，形成负压通风。墙体不坏，通风孔就不会坏，确保作业地点良好的永久通风性能，如图25所示。对于超前掘进巷道，由于墙体有较多的通风孔，完全可满足超前巷道的通风要求。
E、设置巷道行车：利用巷道壁众多有规律排布的安装孔，在巷道顶部安设一台巷道行车，顶部固定间距、固定线路的安装孔和行车支撑架交替使用，就可随时前、后移动。利用行车前进设施、后退设施、起吊设施，给巷道发碹和其余施工带来更多方便。必要时，挂上相应的抓斗，就可实施出渣作业。如图26所示。
F、随时撤、补采矿口。掘进作业到一定时候，就要进行采矿作业。此时就
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可在相应地点的巷道壁上开一采矿口，如图13所示，临时拆装，随时撤前、补后，并保证巷道的各种功能。地下采矿作业，巷道的掘进和工作面采矿，如同时同地点作业，给操作带来不便，因此，巷道需要超前掘进一定距离。在采矿工作面与巷道的交叉点，留一缺口，因模块的相互连接和支撑，就解决了巷道顶部的支护问题。采矿缺口处的模块撤装，撤前补后，较为方便，掘进和采
矿，可有效协调。
（5）、施工成本
巷道混凝土模块发碹支护，模块是提前预制，利用机械设备进行拼装，以10平米断面、宽3.5巷道为例，巷道发碹墙体周长约14米，墙体厚度0.3米，需用混凝土约4.2立方米。其成本为：
A 材料（目前遵义市场价），采用C25混凝土，其配比为水泥：水：砂：碎石=372:175:593:1260。目前425水泥到场价约360元/吨，砂、碎石到场价约为45元/吨。折算每立方混凝土材料成本价约217元。
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B 人工，地表现场用铲车、搅拌机、模具浇注，2人操作，150元/人.天，每天浇注50立方米，则工资成本为6元/立方。
C 电费、油耗、耗材等，电机10千瓦，10小时用电100度，计价100元。小型铲车耗油费约20元/小时，10小时耗油费约200元。耗材估计4元/立方米。共计10元/立方米。
D 管理费，作为企业的一部门，地表分派1人即可，月薪2500计，则管理费约2元/立方米。
以上共计约235元/立方米。模块因有缝隙、孔、洞，实际方量要小，但后期要注浆充填密封，固按设计方量计算。
E 井下模块现场拼装，1人开机，1人上螺母等，1人调配，3人操作，250元/人.班，可在1.5小时内完成1米，因与其它工作搭配用工，折算每米拼装人工成本约200元。
综上述，每米约为（217+6+10+2）x4.2+200=1187元。加上其它材料费约60元，共计每米材料、人工成本约1247元。未算管理费、设备折旧等费用。
具有通风功能的、牢固的永久性巷道，对矿山的安全起作很重要的作用。
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2 置换采矿
矿山地下采矿，根据矿体的赋存条件，或用壁式，或用巷柱式。大多数矿体是层状或似层状，本置换采矿方案，采用沿空留巷走向长壁前进式采矿。如图14中所示，当主井、风井初次形成回路，完善水仓及排水系统、监测监控系统等矿山必备的八大系统设施后（实际上，主井、副井、风井及井底车场之内的设施、设备是相对长久和固定的，之外及采区内的是动态的），即可进行置换采矿工作，分4步来完成。
（1）安装置换采矿支护架
当风井、主井及副井联通，如图14中的1处所示，风井在工作面的延生部分,作混凝土模块发碹支护工作时，于工作面前进方向一侧，采用混凝土模块加固发碹墙体，如图15中2处所示，为后续采矿工作留下作业空间。
风井在工作面的延生部分，混凝土模块发碹支护工作完成后，采矿工作面即形成。风井在工作面的延伸部分用密闭封住，风从之前预留的工作面
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空间通过，则可进行正常的采矿工作，如图18所示。向前推进一定距离（约3米），顺工作面按一定间距（通常是0.3米左右）安装如图20所示的置换采矿支护架单体。前撑顶架前着力点置于顶板与工作面的交叉处，顶架接顶，
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背力板面为采空区，如图15所示。初安装时，因设置的强力回位弹簧装置，获得初次支撑力，稳定支护架。整工作面安装完毕，则用钢丝绳通过连接绳卡连接起来，则形成顺工作面的一排柔性掩护支护架，之后在采空区面挂上网格状背力网，就可向采空区充填渣石，如图16、图17所示。
（2）安装液压活塞式渣石注入机
矿层倾角在45度以上时，渣石会自然下溜，矿层倾角在45度以下时，渣石不会自然下溜，要借助外力，即在回风巷相应处，安装液压活塞式渣石注入
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机，将渣石有序注入采空区充填，且必须接顶，如图17、图18、图19所示。
（3）置换采矿
安装好液压活塞式渣石注入机后，就可将渣石有序注入采空区充填，充填
物会产生向前的推力，此推力通过置换采矿支护架传递给原生矿层，同时产生反作用力，由于置换采矿支护架的作用，又会同时产生向上、向下的分力顶向顶板和底板，支架的材质有足够的抗压能力，就形成充填物的压力、工作面原生矿层的反作用力、支架支撑力、顶板压力的力量平衡，支架下面的工作面就是安全空间。
工作面采矿活动是一个渐进过程，采矿面逐渐向前推进，支架就会随之向前移动，采空区同步前移。与采矿同步，向采空区注入渣石充填，等于把矿石置换出来。如此采矿、充填，循环往复，顶板就不会冒落。渣石是有一定空隙的松散物，通过活塞式液压渣石注入机，将其注入采空区充填，渣石接顶后到挤压密实，有一较大的区间值，在充填与采矿之间，充填的时间和充填量就有较大的回旋余地，采矿工作面和支护架有较大的安全系数。
（4）巷道加固支护
置换采矿，为了掘进与回采工作相互影响不大，巷道需要超前掘进一定距离（约5米）。即在混凝土模块发碹支护的巷道一侧开一采矿口，采矿后，随即用混凝土模块进行加固支护，如图13、图18、图19所示，就地即时扯前、补后，在采空区处用混凝土模块加固发碹墙体，确保巷道安全。
实施置换采矿，将尾矿渣石充填入采空区，如果是倾斜矿层，在近回风巷处渣石接顶，在近运输巷处及中、上部，则有一定的密实度，对顶板的支撑力则更大。采矿向前推进后，顶板有少量下移，但绝对不会冒落。加上混凝土模块支护的巷道，采区不会有较大的采动影响。
3 运输
置换采矿方案，采出一立方米的矿石，就要充填入一立方米的渣石，这就要求运出矿石的同时，将渣石运入。
本方案选用导链式运输设备，由电机、变速箱、驱动链轮组成驱动器（类似刮板机机头）；在圆环链的一侧设置驱动销，组成驱动链，如图21所示；翻斗式矿车底架的相应部位设置驱动锁，如图23、图24、图25所示，并放置于轨道上；在运输线路上的轨道中间，设置导向轮装置，如图22、图28所示，驱动链条置于驱动链轮上和导向轮装置内。在驱动链轮驱动下，驱动链条在导向链轮内沿轨道中间往返运行，并由驱动销带动翻斗式矿车在轨道上往返运行。选择较小的翻斗式矿车，常规巷道的断面即可设置双向轨道，进行来回双向运输，及时将所采矿石运出，又同时方便地将尾矿渣石运至液压活塞式渣石注入机处充填，如图18、图19所示。如此，采矿、运输、充填是一个流水线作业，增加相应的设施、设备，就可进行全自动流水线作业。
导链式运输系统，链条驱动小矿车往返运输，减少人员操作，运输量大，维修方便，可有效降低生产成本，有利于实现自动化流水线作业。有效避免坠车事故的发生。
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三 置换采矿方案可行性及前景
1、技术可行性
本置换采矿方案，掘进支护、置换采矿、运输各个环节所用技术，都是普通的成熟技术，不需要高、精、尖技术，只需相互间的组合与磨合。例如：
（1）巷道掘进与支护。掘进常规操作及可。混凝土模块发碹支护，磨具制作为常规技术，运装车和安放架，现代叉车技术改装即可，具体操作是模块拼装。
（2）置换采矿，充填物与升降架配套即可，所需的液压活塞式渣石注入机，所用电机、液压泵、活塞缸套，现今都是通用技术。
（3）导链式运输系统，刮板输送机的相应设备改装后，与翻斗式矿车、轨道配合即可。
总之，技术上是可行的。
2、通风安全性。
（1）前期建矿，井外设置通风机械，刚性风筒的负压通风，确保通风安全。
（2）采区采矿，牢固的巷道，采矿工作面与超前巷道相距数米，且同步前行，没有二次通风设施，采空区全部充填与巷道的浇注密封，可确保不漏风，通风安全性系数大于井口通风机械的安全性系数。对于煤矿，只要井口通风机械安全，就不会发生瓦斯突出以外的瓦斯爆炸事故。如果发生瓦斯突出，瞬间即可恢复通风，将损失降到最低。这是后退式不可能达到的效果。
3、施工安全性
（1）混凝土模块发碹支护。磨具制作模块，运装车和安放架拼装,有效避免巷道片帮和冒顶事故的发生。
（2）置换采矿，充填物与升降架配套，顶板不冒落，有效避免冒顶引发事故。
（3）导链式运输系统，翻斗式小矿车连续往返运行，除井下装载点和地表卸载点外，中途无需人员操作，有效避免坠车安全事故的发生。
4、材料可行性
置换采矿方案，所用的材料，如水泥、钢材等，不需要特殊材料。总之，所用材料没有难题。
5、资金及生产成本可行性
（1）前期建矿投资
本置换采矿方案，采用沿空留巷前进式采矿，若与后退式相比，前期矿山建设，主井与风井在矿层处联通形成回路，完善相应的系统，就可实施置换采矿，不用单独掘进运输平巷和回风平巷，少用约50%的时间，少用约50%的资金。
（2）后期生产成本
后期采矿，随时都可大量出矿。
生产成本，以单个采矿作业面长度80米、矿层厚度1.6米、巷道断面10平方，宽度3.5米为例，若为煤矿，每进1米，则可采煤200余吨。若为金属矿，则可采矿400多吨。以煤矿计算。
（a）巷道掘进成本：前述，每米掘进现场人工、耗材约1200元，折算每进1米吨煤掘进成本约12元。
（b）巷道支护成本：前述，每米支护成本约1247元，折算每进1米吨煤支护成本约13元。
（c）采矿成本：班进2米，产煤约400吨，现场10人操作，工资按300元/人.班计，则吨煤约7.5元。加耗材5元/吨。共计12.5元/吨。
（d）充填成本：完全按地面征用山地计算。
山头平均高程按60米计算，每亩可产充填渣石约666X60X1.4=55944方。按当前山地征用单价计算，每方充填渣石征地单价不到1元。
井口就近征用硬度较小的山体，挖机、鄂破机2人操作，1班就可生产约600立方渣石。其人工成本约1元/方。
电费、油费、耗材等约3元/方。
渣石运输，井口2人即可完成装、挂矿车，按前述班产400吨计算，吨矿约1元。
充填渣石是就近取材，返程运输，其充填成本吨矿计算约8元。
（f）运输成本：导链式运输系统，自动翻斗，地表2人照看矿车，井下1人巡查即可，维修1人，合计人工约4元/吨。耗材约3元/吨。共计约7元/吨。
综上述，实施置换采矿方案，其坑口采矿吨矿成本为：（掘进）12+（支护）13+（采矿）12.5+（充填）8+（运输）7=50.5元。加上管理费5元、电费6元、设备折旧2元、维修费5，总计约为70.5元/吨。未算矿权、资源、税费等费用。
6、前景
本置换采矿方案实施后，每前进一步，巷道是牢固的永久性支护，巷道掘进与支护、采矿作业同步前行，没有顶板冒落，没有固体排放物，少有污水排放。在巷道沿线设置信息接收等装置，就可实现自动化流水线作业。有如下7个方面的优势：
(1）、前期建设，单独掘进巷道少，所用时间短，相比投资少、见效快。后期采矿，随时都可大量采矿，产量大，成本自然降低，效益自然好。
(2）、巷道混凝土模块发碹支护，所花费用，与其它支护方式所花费用相比，不相上下。但是，所拥有的通风功能、防水防漏功能、超前支护功能、壁挂功能、临时撤装及永久使用功能，将散落浮矿、残留矿柱（壁）、采空区同步永久封存，实现地下渗水无污染排放。
(3）、置换采矿，从源头上有效防止顶板事故，使矿山固体物零排放，污水接近零排放，有效提高矿石回采率和采矿安全系数。有条件时，如尾矿渣石不够充填，还可将社会生产、生活垃圾代替尾矿渣石进行充填，顺便将社会生产、生活垃圾进行地下深部密封埋藏。
(4）、导链式运输系统，小矿车往返连续运输，安全性高，运输量大，所用人工相对要少，维修方便。运输成本相对要低。方便实施矿山智能化生产。
(5）、采区及采场通风效果达到最佳。对于煤矿，后期采矿没有长距离（6米以上）的独头掘进巷道，就没有局部通风设备，在井口主要通风机械完好前提下，就永远不会发生瓦斯突出以外的瓦斯爆炸事故。
(6）、对于煤与瓦斯突出煤层，可有效防突。在首采工作面，顺煤层打防突钻孔，提前释放高压瓦斯，对煤炭生产的影响很小，煤矿乐于实施。在后续工作面，如图29所示，运输巷转为回风巷，则沿巷道顺煤层打超前排放孔，提前释放高压瓦斯，对煤炭生产没有影响，煤矿更乐于实施。在超前排放孔实施的前提下，万一发生瓦斯突出，其强度不会高，瞬间即可恢复通风，可将损失降到最低。对于较小的突出，损失会很轻微。换句话讲，只要突出的冲击波没有当场致人死亡，瞬间恢复通风后，生还的可能性会很大（根据历年相关资料统计显示，瓦斯事故中，绝大部分的人员死亡都是因缺氧窒息所致），地表救援，很快就能到达救援现场。
(7）、最大效果防火。对于易燃煤层，除作业点外，没有裸露的浮煤和残留煤，且通风良好，就不可能发生煤的自燃。井下都是阻燃线缆，没有易燃物，就不可能发生火灾事故。
总之，本置换采矿方案，可使地下矿山企业，成为投资少、见效快、低成本、低污染、高效益、高安全系数的智能化矿山企业。
包月祥，贵州省地质矿产勘查开发局106地质大队。