急傾斜厚大礦體高分層連續(xù)充填采礦方法研究

馬毅敏 周文略

(中鋼礦業(yè)開發(fā)有限公司)

目前國內的急傾斜厚大鞍山式鐵礦以貧礦為主，而且多數(shù)開采條件復雜。由于此類礦體形態(tài)變化大、巖石夾層多、被厚大第四系地層覆蓋等特點，使礦山企業(yè)普遍生產效率低，開采成本居高不下。為改變這一不利局面，需要開發(fā)一種安全高效、低成本的采礦方法，提高此類礦床的開采價值。

1 開采技術條件

位于山東省汶上縣的李官集鐵礦屬沉積變質型低品位磁鐵礦礦床，平均地質品位25.4%，急傾斜中厚至厚大礦體，具有巖石夾層多，礦體和夾層厚度變化大的特點。主礦體控制走向長1 365 m，最大厚度100 m，傾角75°，礦體被F2－1斷層切錯，被分割為南、北2段。含礦巖層為條帶狀磁鐵角閃石英巖，頂?shù)装鍨楹谠谱兞r，礦體與圍巖分界線不明，礦巖中等穩(wěn)固。礦體上部被厚45～70 m的第四系地層覆蓋，地表不允許塌落。

礦山采用地下開采，設計年采選原礦120萬t，主井、副井、設備材料井和出風井4條豎井構成礦山對角式開拓系統(tǒng)，已形成－120 m總回風水平和－320 m運輸水平，主要采用充填法開采。

2 采礦方法研究

2.1 采礦方法分析

根據(jù)礦體的開采技術條件，考慮盡快實現(xiàn)達產的要求，初步提出2種采礦方案，即方案1:大直徑深孔崩礦嗣后充填采礦法;方案2:點柱式全礦床上向高分層連續(xù)充填采礦法。方案1屬于急傾斜厚大礦體較常規(guī)的采礦工藝，生產能力較大，但是掘進工程量大，采場準備時間長，二步采要求充填體強度高。方案2是根據(jù)傳統(tǒng)的上向分層充填采礦工藝，在保證采場安全的前提下，增大分段和分層高度，減少充填循環(huán)次數(shù)，并對采準、切割工程布置、爆破落礦、充填方式等進行了優(yōu)化和創(chuàng)新。2方案的預期技術經濟指標見表1。

表1 主要經濟技術指標比較

對2個方案的優(yōu)缺點進行分析對比，結果見表2。

表2 采礦方案優(yōu)缺點比較

綜合以上2種方案的分析結果，充分考慮到礦體探礦不足和品位較低的條件，決定利用適當?shù)膿p失率換取生產效率，最終選擇采準工程量小、采礦靈活和成本低的點柱式大分段上向高分層連續(xù)充填采礦法即方案2。

2.2 采礦技術方案

采場沿礦體走向布置，寬為礦體水平厚度，采場長度60～100 m，具體根據(jù)礦體厚度調整。采場間留連續(xù)間柱，采場內留點柱。在脈外上盤布置采準工程，利用材料斜井(開段斜井)連通每分段沿脈巷，分段高度22.5 m，分段運輸巷通過上坡和下坡出礦聯(lián)絡道與采場連通?；夭勺圆蓤龅撞坷紫锵騼啥送七M到采場間柱，分層回采高度7.5～8 m，充填后留1.5～2 m空頂，作為下一層的作業(yè)空間。全礦床除1個主運輸巷外，不設其他階(中)段運輸巷，不留頂柱，自下而上逐層連續(xù)推進開采。脈內和脈外均可設置順路溜井，采用淺孔鑿巖，無軌設備出礦。通過采場回風充填井輸送尾砂進行充填，一分層充填完畢后，通過壓頂墊底方式抬高采場出礦聯(lián)道，以充填體作為工作平臺，在點柱支撐的頂板下進行第二分層的回采作業(yè)，詳見圖1。

圖1 點柱式全礦床上向高分層連續(xù)充填采礦法

3 生產實踐

礦山從主運輸水平－320 m開始自下而上連續(xù)推進，采礦流程見圖2。目前礦體的第一分段的一分層即將采完，部分采場已開采二分層。

圖2 采礦生產流程

3.1 采準工程布置

采場結構參數(shù):采場平均長度為70 m，根據(jù)北京科技大學采場穩(wěn)定性研究結果，確定采場間柱寬為6 m，點柱尺寸5 m×5 m，間距15 m×15 m。點柱位置可根據(jù)巖石夾層位置進行調整，間柱位置可由分段切割巷的4個端點和礦體上下盤邊界確定。回采過程要嚴格控制點柱尺寸，保持其上下連貫性。

采準巷道布置:在－320 m主運輸水平的川脈內向上掘斜上山至－308 m，－308 m水平作為第一分段，布置分段沿脈巷道作為鏟運機出礦聯(lián)絡巷及采場回風巷道，向上每隔22.5 m高度布置分段沿脈巷道，分段巷與采場由出礦斜巷連通。每個采場設2條出礦巷道，與脈外采場溜井連通，溜井順路施工，直徑3 m。根據(jù)采場大小每個采場內布置1～2條充填回風井，直徑2 m。

3.2 切割、拉底工程

在一分段的上下盤布置沿脈切割巷，切割巷由切割橫巷連通，巷道斷面3 m×2.7 m(三心拱)，斷面積為7.47 m2;施工順序:縱向切割→縱向切割巷拉底→橫向切割→橫向切割巷拉底。

拉底時以切割巷為自由面進行刷幫，高度為4 m，縱向長度到礦體邊界，橫向長度為采場寬度，拉底兩幫必須采用光面爆破。刷幫至點柱位置時，按照設計要求留好點柱，點柱四邊光爆，保證點柱形態(tài)和規(guī)格。

3.3 回采工藝

3.3.1 鑿巖爆破

每分層采礦高度7.5 m，分3步完成:一步拉底高度為4 m;拉底完成后在橫向切割巷內挑頂形成二次采礦工作面，在工作面上鑿水平孔落礦，由上盤向下盤推進。二步采礦高度為3 m。三步壓頂高度為0.5 m，壓頂采用控制爆破技術，周邊孔上傾角不大于2～3°，各孔均要互相平行，順直前進并要求孔底在同一垂直面上，確保兩幫順直頂光滑，保證頂板平整并略呈拱形。一分層充填后，通過壓頂墊底方式抬高采場出礦聯(lián)道進入采場，向上依次循環(huán)分層回采。

鑿巖使用 YT－28、7655型鉆機，鉆鑿水平淺孔，排距0.8～1 m，間距0.9 m，呈菱形布置，每米崩礦量為4 t/m。鑿巖作業(yè)每班3人配2臺鉆機，工效為300 t/(班·d)，12個班單班作業(yè)即能完成每年120萬t的產量。

每分層的頂板要采用光爆技術，孔距0.7 m，少裝藥或導爆索爆破，保持頂板光滑，爆破后無需支護。爆破采用人工裝藥使用2#巖石乳化炸藥，藥包起爆用半秒延期導爆管，非電起爆系統(tǒng)。具體鑿巖爆破系數(shù)見表3。

表3 鑿巖爆破系數(shù)

3.3.2 出礦運輸

采場礦石由2 m3鏟運機經過溜井聯(lián)巷卸入采場溜井內，再由電機車運輸卸入主溜井。－320 m水平井底車場采用上、下盤環(huán)形布置，采用窄軌運輸，軌距762 mm，由10 t電機車牽引8輛4 m3單側曲軌側卸式礦車為1列，目前運行3列可以滿足礦山生產能力。礦石經過粗碎后通過主井提升到地表礦倉。

3.4 采場充填

礦山采用廢石及全尾砂充填方法。地表充填站采用立式沙倉沉淀濃縮、風動造漿工藝，設立2套充填系統(tǒng)，系統(tǒng)制備輸送能力85 m3/h，可滿足120萬t/a的充填能力要求。掘進廢石不出坑，倒入空區(qū)充填。全尾砂作為充填集料，硅酸鹽水泥作為充填膠結劑，攪拌制備成濃度為65% ～70%的充填料漿。

充填漿料經充填鉆孔自流到井下－120 m水平，從鉆孔的套管下端開始敷設充填管至各分段聯(lián)巷，最后通過采場充填回風井依次采用上分層敷設充填管自流充填下分層采空區(qū)。每層充填高度為5.5～6 m，為下一分層留1.5～2.0 m的作業(yè)空間。充填時每分層下部使用灰沙比1∶12的充填料充填，上部留1 m厚度，采用灰砂比1∶4的充填料形成澆面層，作為下一分層回采時的作業(yè)平臺。采場不設濾水井，安置小型排水泵，充填濾水由水泵抽至泄水孔，泄入－320 m水平水溝流入水倉。

3.5 通風

采場通風采用主通風系統(tǒng)加局扇的方式聯(lián)合通風，新鮮風流從－320 m主運輸巷經材料斜井進入分段平巷，然后經采場聯(lián)絡道進入回采工作面，污風排入采場通風充填天井，進入總回風水平排出?？紤]到采場內工作面較多，每個工作面可另安裝2臺5.5 kW局扇通風機，在距工作面15 m處安1臺，做抽出式通風，再稍后安置局扇1臺，做壓入式通風。

3.6 主要技術經濟指標

經過1 a的生產，各項技術經濟指標日趨穩(wěn)定，主要指標見表4。

表4 技術經濟指標

4 結論

(1)點柱式全礦床上向高分層連續(xù)充填采礦方法，采用22.5 m的大分段、7.5 m的高分層進行連續(xù)回采、淺孔落礦、鏟運機出礦、廢石及全尾砂充填，實現(xiàn)了急傾斜厚大貧鐵礦床的安全高效連續(xù)開采，非常適應巖石夾層多，礦體與圍巖分界不明，礦體和夾層厚度變化大和地表不允許塌落的礦體開采。

(2)全礦床除1個主運輸水平外，不設輔助中段運輸水平，不留頂柱，比多中段開采節(jié)約40%以上的工程量。

(3)通過增加點柱，在保證采場安全的前提下增大分段和分層高度，減少采準工程量，采準比降低約30%以上;采場沿礦體走向布置，增大沿礦體走向一次拉開面積，形成多工作面的局面，減少充填對回采的影響，提高采、充、出工藝連續(xù)性。

(4)有效解決了兩步驟回采效率低、充填強度要求高的問題。采場一分層只需一步驟回采，一次采完、充填后即向上開采二分層，充填體強度要求低，使用灰砂比1∶12的充填料與廢石一起充填空區(qū)，大幅減少水泥用量，降低充填成本。通過實踐，灰砂比例還有降至1∶20的可能。

(5)高分層回采工藝可靈活調整回采邊界，剔除夾石和有效降低損失貧化率;采用淺孔設備鑿巖，在保證生產能力的基礎上又保持了采礦靈活性;無軌設備調節(jié)能力強，可同時服務多個采場，出礦效率高，為快速達產提供了有利技術支撐。

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