西石門鐵礦南區(qū)高效開采工藝研究

何 鑫 任鳳玉

(1.東北電力科學(xué)研究院有限公司;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院)

西石門鐵礦屬接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，總體呈似背斜狀，西北翼延深較短，東南翼延深較長。礦體走向長5 020 m，橫向?qū)?25～1 076 m，平均寬度360 m。礦體厚度一般1.2～32 m，平均15.13 m。礦體傾角西翼一般5°～20°，東翼一般0°～45°。

礦山南區(qū)礦體厚度較大，主要應(yīng)用無底柱分段崩落法開采，目前礦山生產(chǎn)南區(qū)已下降到40 m中段采礦作業(yè)。隨著深部礦體被采空區(qū)大量破壞和礦體下盤大量出露矽卡巖層，絕大部分礦段成為緩傾斜中厚礦體，無底柱分段崩落法的采場地壓活動強(qiáng)烈，生產(chǎn)可靠性與安全條件較差，開采效率不能滿足生產(chǎn)要求，急需改進(jìn)無底柱分段崩落法開采工藝，以實(shí)現(xiàn)安全、高效開采。本研究立足于無底柱分段崩落法的工藝技術(shù)，改進(jìn)采場結(jié)構(gòu)與回采方式，使之較好地適應(yīng)礦體產(chǎn)狀的變化，實(shí)現(xiàn)“四低一高”(低損失、低貧化、低成本、低事故隱患與高生產(chǎn)能力)的開采目標(biāo)。

1 采礦工藝改進(jìn)研究

西石門鐵礦南區(qū)0 m中段礦體傾角15°～28°，礦體厚度8～17 m;礦石與頂板圍巖中等穩(wěn)固到不穩(wěn)固，底板矽卡巖極不穩(wěn)固。礦石品位43.26%，底板矽卡巖品位8%～12%。

現(xiàn)用無底柱分段崩落法開采，分段高度12 m，進(jìn)路間距10 m(見圖1)。采用YGZ－90型鑿巖機(jī)鑿巖、斗容2 m3的鏟運(yùn)機(jī)出礦，巷道斷面尺寸(高×寬)=3.2 m×3 m。由于礦體厚度小而分段高度較大，絕大多數(shù)礦段為單分段開采，頂板圍巖一般中等穩(wěn)固偏低，既形不能成穩(wěn)定的空場，又不能隨采隨冒。為有效地提高無底柱分段崩落法開采緩傾斜中厚礦體的礦石回采率，只有2條途徑可供選擇:或者減小分段高度，以降低單分段回采礦量的比例;或者改善單分段出礦的條件，使崩入空場內(nèi)的礦量得到有效回收。

應(yīng)用無底柱分段崩落法開采緩傾斜中厚礦體時(shí)，為降低礦石損失貧化，不僅需要采用“自落頂、設(shè)置回收進(jìn)路”的采場結(jié)構(gòu)，并且需要保證3個(gè)分段回采。按3分段回采原則(見圖1)，礦體適宜的分段高度為6 m左右，即為現(xiàn)用分段高度的一半。這一較小的分段高度不僅將使采準(zhǔn)系數(shù)過大，使現(xiàn)用出礦設(shè)備的能力難以發(fā)揮，而且將使采場地壓管理復(fù)雜化，使采準(zhǔn)工程的穩(wěn)固性進(jìn)一步惡化。

圖1 低貧損分段崩落法采場結(jié)構(gòu)

根據(jù)礦體形態(tài)與南區(qū)現(xiàn)有條件，設(shè)計(jì)了圖2所示改進(jìn)方案。充分回收空區(qū)礦量和促使頂板圍巖及時(shí)冒落，是新方案的要點(diǎn)。在圖2所示的采場結(jié)構(gòu)中，如果單分段塹溝崩礦形成的頂板暴露面積，不足以誘導(dǎo)頂板圍巖及時(shí)冒落，則需要相鄰2個(gè)分段的塹溝同時(shí)落礦，以使頂板暴露面積達(dá)到臨界冒落面積。南區(qū)持續(xù)冒落面積不超過1 000 m2，臨界冒落跨度30 m左右。當(dāng)采寬達(dá)到30 m、回采長度達(dá)35 m左右，頂板圍巖就會冒落。如果不能冒落下來，則雙層回采，即同時(shí)崩落2個(gè)分段的塹溝礦量。有兩個(gè)分段控制，冒頂不成問題。礦體厚度大時(shí)誘導(dǎo)冒落一部分，礦體厚度小時(shí)可崩落部分上盤巖石，將頂板完整拉開。把分段高度從12 m改為10 m，把切割巷從礦體上盤改為下盤側(cè)，分段高度變小，進(jìn)路長度變短，采準(zhǔn)工程量變化不大。遇到空區(qū)還得后退進(jìn)路回采。

圖2 新方案采場結(jié)構(gòu)

新方案(圖2)的基本參數(shù)主要包括分段高度、進(jìn)路間距、塹溝位置及其落礦炮孔邊孔角。為使分段之間形成連續(xù)采空區(qū)，當(dāng)?shù)V體厚度一定時(shí)，分段高度越大，落礦炮孔邊孔角越小。由于是空場下落礦，邊孔角小些不影響有效爆破，但爆破振動對其下回采進(jìn)路的穩(wěn)定性影響增大。為此，下盤側(cè)邊孔角宜取較大的數(shù)值，上盤側(cè)邊孔角宜取較小的數(shù)值。建議下盤測邊孔角不小于40°，以保護(hù)進(jìn)路的穩(wěn)定性;上盤側(cè)邊孔角取為15°左右，以增大頂板圍巖的暴露面積。在此條件下，南區(qū)0 m中段的分段高度取9～10 m為宜。

隨著回采工作面下降，南二區(qū)礦體傾角變緩、厚度變小。0 m中段礦體平均鉛直厚度8～17 m，傾角15°～28°?，F(xiàn)用無底柱分段崩落法，分段高度12 m，進(jìn)路間距10 m，絕大多數(shù)礦體單分層開采，頂板圍巖又不能隨采隨冒，礦石崩入空區(qū)，放不出來，礦石回采率低，工作面下降速度快，采礦生產(chǎn)銜接緊張。單層出礦的回收率一般不超過50%，要達(dá)到75%的回采率，必須絕大多數(shù)礦段保持3個(gè)分段開采，第1分段誘頂冒落，第2分段正?；夭桑?分段底部回收。按此要求，南區(qū)0 m中段的合理分段高度為6 m左右。

2 雙工作面回采方案研究

工程揭露與生產(chǎn)探測表明，目前－40 m水平以上的未采礦體多為下盤賦存厚層矽卡巖的“殘缺破損+塌方區(qū)”礦體;估計(jì)－40 m以下礦體多屬于原生礦體。由于“殘缺破損+塌方區(qū)”礦體的綜合品位低、開采難度大，如果按原設(shè)計(jì)從上往下逐分段回采，勢必在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)處于生產(chǎn)能力低的被動生產(chǎn)局面，而且出礦品位低也將影響采選經(jīng)濟(jì)效益。在此條件下，應(yīng)充分利用礦體較緩、斜長較大的有利條件和巖體冒落規(guī)律研究的新成果，采用上、下雙工作回采形式，實(shí)現(xiàn)上部貧礦與下部富礦同時(shí)開采［2］(圖3)。

圖3 上下雙工作面同時(shí)回采分區(qū)

目前，西石門南區(qū)上分區(qū)工作面即將進(jìn)入0 m中段，根據(jù)圖2，下分區(qū)首采工作面宜設(shè)置在－80 m中段。只要－80 m中段的回采進(jìn)度不滯后于0 m中段，足可保證在臨時(shí)礦巖柱消失前，形成滿足安全需要的足夠厚度的散體隔離層。由此可見，能否實(shí)現(xiàn)圖1方案，關(guān)鍵是下分區(qū)首采中段的回采時(shí)間。下分區(qū)的回采時(shí)間越早，雙工作面回采的安全性就越好。

南區(qū)既具有雙工作面回采的礦體賦存條件，又具有雙工作面回采的開采技術(shù)條件，此時(shí)能否實(shí)施好雙工作面回采方案，主要取決于深部開拓工程的施工進(jìn)度。

目前深部開拓工程已經(jīng)具備良好的施工條件［3］。0 m開拓工程現(xiàn)已越過主溜井的位置，因此主井與主溜井已經(jīng)具備從0 m水平施工的條件(圖4)。可從0 m水平向上反掘上段主井、向下正掘主溜井。當(dāng)主溜井到位后再反掘下段主井。同時(shí)，在120 m水平，可同步施工主井的硐室工程。這樣可使主井提升系統(tǒng)的施工速度提高1倍以上，完全可以在1.5 a的時(shí)間內(nèi)建成并投入提升。

圖4 0 m水平主井與主溜井的位置與施工條件

快速建成主井的作用是非常大的，不僅可加快－80 m中段的回采，而且可滿足0 m中段的運(yùn)礦要求?，F(xiàn)今產(chǎn)量最大的南二區(qū)的回采工作即將轉(zhuǎn)入43 m分段，為保證生產(chǎn)效率，需要利用0 m中段的溜井出礦，為此迫切需要0 m水平具備運(yùn)輸?shù)V石的能力。

3 結(jié)論

(1)西石門鐵礦南區(qū)為緩傾斜中厚礦體，頂板灰?guī)r穩(wěn)定性較差，容易冒落;礦體一般節(jié)理裂隙不發(fā)育，但軟硬變化懸殊，從中等穩(wěn)定到不穩(wěn)定;底板閃長巖中等穩(wěn)定;位于閃長巖與礦體之間的矽卡巖夾層極不穩(wěn)定。

(2)現(xiàn)用無底柱分段崩落法絕大部分礦體單分段開采，而且礦體多被民采空區(qū)破壞不能正常開采，這是造成礦石損失過大、備采礦量消耗過快和生產(chǎn)能力低下的主要原因。

(3)根據(jù)礦巖穩(wěn)定性條件與礦山生產(chǎn)習(xí)慣，西石門鐵礦南區(qū)適合于在無底柱分段崩落法的基礎(chǔ)上改進(jìn)工藝技術(shù)，為此本研究設(shè)計(jì)了平底塹溝落礦與進(jìn)路出礦相結(jié)合的采礦方法改進(jìn)方案。分析表明，這一改進(jìn)方案可在貧化率不增大的條件下，將礦石回采率從原無底柱分段崩落法的60%左右提高到75%左右，并有利空區(qū)礦量的安全回收。

(4)根據(jù)礦體產(chǎn)狀條件，改進(jìn)方案的分段高度可取為9～10 m，塹溝巷道的適宜位置依礦體厚度與傾角條件而異，以確保分段之間的礦體被充分崩透、炮孔邊孔角適度、炮孔長度不超過15 m的位置為佳。

(5)利用礦體傾角較小和頂板圍巖容易冒落的條件，設(shè)計(jì)了上、下雙工作面同時(shí)開采方案。分析表明，這一方案與傳統(tǒng)的單工作面開采方案相比，可緩解工作面的下降速度，有利于空區(qū)冒落殘礦的回收，并可使采場生產(chǎn)能力提高1倍以上。

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