掛幫礦開采低段高無底柱留礦嗣后充填采礦法

劉艷章 張 群 葉義成 任賢鋒 王其虎 孫永久

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.武漢鋼鐵集團(tuán)開圣科技有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000)

掛幫礦開采低段高無底柱留礦嗣后充填采礦法

劉艷章1張 群1葉義成1任賢鋒2王其虎1孫永久2

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.武漢鋼鐵集團(tuán)開圣科技有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000)

殘留在露天礦最終邊幫上的掛幫礦賦存條件較為特殊，采用傳統(tǒng)的地下開采方法開采掛幫礦時，露天礦最終邊幫與地下采場的穩(wěn)定性差、生產(chǎn)效率低。因此，提出低段高無底柱留礦嗣后充填采礦法用于開采位于露天礦最終邊幫上的掛幫礦，該方法采用低段高回采，減小圍巖的暴露面積；不留底柱，采用中深孔爆破落礦，鏟運(yùn)機(jī)出礦，生產(chǎn)效率高；將礦石暫時留在采場，回采后立即充填采空區(qū)能有效限制采空區(qū)圍巖的變形；預(yù)留斜頂柱，能夠有效提高采空區(qū)充填效果。將該方法用于開采大冶鐵礦東露天尖ⅠN掛幫礦的開采，實(shí)踐結(jié)果表明：在預(yù)留采場與邊坡之間的保護(hù)礦柱的情況下，該采礦方法能有效保證掛幫礦開采過程中露天礦最終邊幫的穩(wěn)定和采場生產(chǎn)安全，高效地回收殘留在露天礦最終邊坡上的掛幫礦。

采礦方法 鐵礦 掛幫礦 安全性

在露天坑設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，由于地質(zhì)條件、開采工藝、設(shè)備等各方面條件的限制，導(dǎo)致局部地段部分礦石未能開采出來而殘留在露天礦最終邊幫及其附近區(qū)域上，這部分礦石即為掛幫礦[1]。國內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國遺留在露天礦最終邊幫上的掛幫礦礦石量占總開采礦石量的5%～16%[2]。我國是一個礦產(chǎn)資源短缺的國家，又是一個礦產(chǎn)資源消耗大國，在當(dāng)前礦石資源緊張的情況下回采掛幫礦能夠充分回收礦產(chǎn)資源，緩解礦產(chǎn)資源緊張的局面[3]。

經(jīng)過長期的露天開采，露天邊坡及掛幫礦體的穩(wěn)定性受到極大的擾動，再加上高陡的邊坡和掛幫礦體規(guī)模較小、賦存條件復(fù)雜等，這些都使掛幫礦的安全開采成為當(dāng)前采礦工作者面臨著的技術(shù)難題[4-6]。當(dāng)前用于露天坑邊坡掛幫礦開采的方法主要有兩類，一類是露天開采，一類是地下開采。采用露天開采的方法開采掛幫礦時，主要依靠擴(kuò)幫強(qiáng)采的方式進(jìn)行，擴(kuò)幫強(qiáng)采可能將露天礦最終邊幫底部支撐部分剝離，造成最終邊幫局部變陡，甚至造成最終邊幫滑坡，不利于礦區(qū)的安全生產(chǎn)。采用地下采礦法開采掛幫礦時，主要是在預(yù)留礦柱的情況下采用小尺寸的傳統(tǒng)空場法或充填法開采。預(yù)留礦柱可承擔(dān)一定的地壓，以保證露天坑邊坡的穩(wěn)定性不受地下開采的影響[7-9]。由于掛幫礦賦存條件較為特殊，礦體規(guī)模較小，在使用預(yù)留礦柱的空場法或者充填法開采時，通常需要將傳統(tǒng)的空場法和充填法進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到安全、高效的掛幫礦回收目的[10-11]。因此，如何充分利用礦山現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)備，采用安全、高效的方法回采露天幫坡上的掛幫礦資源是目前亟待解決的問題[12-13]。

根據(jù)掛幫礦賦存的特點(diǎn)，本研究在總結(jié)現(xiàn)有采礦方法及其適用條件的基礎(chǔ)上，改進(jìn)現(xiàn)有的采礦方法，提出一種適用于掛礦開采的低段高無底柱留礦嗣后充填采礦法[14]，并將該采礦方法應(yīng)用于大冶鐵礦東露天尖ⅠN掛幫礦的開采，檢驗(yàn)其實(shí)際應(yīng)用效果。

1 低段高無底柱留礦嗣后充填采礦法

根據(jù)露天掛幫礦的賦存條件和礦體形狀，開采時階段高度一般為15～20 m。為了充分保證采場安全，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在采場靠近露天礦最終邊幫的一側(cè)預(yù)留一定厚度的保護(hù)礦柱，即使在露天礦最終邊幫出現(xiàn)小規(guī)模巖體垮塌、滑坡的情況下，也可以充分保證采場生產(chǎn)安全。

低段高無底柱留礦嗣后充填采礦法見圖1所示。在掘進(jìn)開拓工程時，開拓巷道一般垂直于露天礦最終邊幫布置，通達(dá)礦體，隨后在礦體下盤離礦體界線較遠(yuǎn)的圍巖中布置沿脈運(yùn)輸巷道。

圖1 低段高無底柱留礦嗣后充填采礦法

1.1 采準(zhǔn)和切割

如圖1所示，開拓工程完成后，從開拓巷道中掘進(jìn)階段運(yùn)輸大巷，從階段運(yùn)輸大巷中掘進(jìn)穿脈巷道，通達(dá)待回采的礦房；礦房和礦柱間隔布置，在間柱中掘進(jìn)通風(fēng)人行天井，通過聯(lián)絡(luò)道將通風(fēng)人行天井和礦房相連接，聯(lián)絡(luò)道的間隔為3～4 m；采準(zhǔn)完畢后，從穿脈巷道中進(jìn)行切割拉底，拉底高度為2～2.5 m，拉底寬度為礦體的厚度。

1.2 回采和充填

礦房內(nèi)的回采工作從拉底空間中由下往上進(jìn)行，分層高度為2～3 m，梯段工作面長度為2～4 m，高度為1.5～2 m。采用水平中深孔爆破落礦，炮孔間距為0.8～1 m，采用三角形排列。爆破落礦至礦房頂部時，將礦房頂柱預(yù)留為具有一定傾角的傾斜礦柱。每次爆破落礦后放出30%～40%體積的礦石，余下的礦石儲存在采場內(nèi)作為工作平臺向上繼續(xù)回采，待礦房回采完畢，將所有礦石全部放出，并采用鏟運(yùn)機(jī)出礦。礦石運(yùn)出后對采空區(qū)進(jìn)行充填。

與傳統(tǒng)的采礦方法相比，該采礦方法在開采過程中圍巖的最大暴露面積比傳統(tǒng)采礦法低50%以上，能夠有效提高采場的安全性；不留底部結(jié)構(gòu)，采用中深孔爆破落礦，鏟運(yùn)機(jī)出礦，具有生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)；將爆破落下礦石體積的60%～70%堆積在礦房內(nèi)形成礦石堆，用以暫時支撐兩幫圍巖，并作為繼續(xù)向上回采的工作平臺，可以暫時保障采場的穩(wěn)定性，當(dāng)回采結(jié)束后立即采用高強(qiáng)度充填料充填采空區(qū)，以限制采空區(qū)圍巖的變形，以達(dá)到控制圍巖崩落和地表下沉的目的，使回采工作的安全得到保障；回采過程中只留少量支撐礦柱，能盡可能多地回收礦石，礦石回收率高。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

武鋼大冶鐵礦是我國著名的鐵礦山，是武鋼重要的礦石來源之一[15-16]。大冶鐵礦分為露天開采和地下開采2部分，目前露天開采基本結(jié)束，遺留下來的露天坑重建為黃石國家礦山公園。

大冶鐵礦露天開采結(jié)束后，留下了大量的優(yōu)質(zhì)掛幫礦，經(jīng)過二期擴(kuò)幫延深強(qiáng)采，大部分殘留礦石得以充分回收，但是依然有部分礦石遺留在露天礦邊幫上，例如東露天尖ⅠN掛幫礦，在MICROMINE軟件中實(shí)現(xiàn)大冶鐵礦露天礦最終邊幫和東露天尖ⅠN礦體掛幫礦的3維可視化，如圖2、圖3所示。

圖2 尖ⅠN礦體掛幫礦俯視圖

大冶鐵礦東露天尖ⅠN掛幫礦體分布在30～32線北幫，賦存標(biāo)高在-120～-180 m之間，走向長160～270 m，水平厚度為10～15 m，形狀為條帶。東露天尖ⅠN掛幫礦的地質(zhì)儲量為49.45萬t。其中，F(xiàn)e1礦石量為48.37萬t，F(xiàn)e1-Δ礦石量為1.08萬t。

圖3 尖ⅠN礦體掛幫礦側(cè)視圖

根據(jù)大冶鐵礦東露天尖ⅠN掛幫礦礦體賦存現(xiàn)狀可知，東露天尖ⅠN掛幫礦位于大冶鐵礦東采深凹露天坑高邊坡下，露天高邊坡產(chǎn)狀N89°E/SE1°，傾角∠43°；礦體伸入高邊坡內(nèi)部，一面臨空，另一面被斷層錯斷。礦體有近50 m長區(qū)域在F9斷層錯動范圍內(nèi)，滑體下部的礦體支撐上部欲滑巖體，部分地段采取了錨桿固定抗滑措施。圍巖為蝕變閃長巖，近礦閃長巖由于強(qiáng)烈蝕變及節(jié)理裂隙較發(fā)育，強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性差。邊坡的穩(wěn)定性、F9斷層的穩(wěn)定性、采空區(qū)的穩(wěn)定性均是開采過程中影響安全的重要隱患。同時掛幫礦賦存區(qū)域邊坡角為65°～70°，無理想作業(yè)空間和作業(yè)平臺。因此，大冶鐵礦東露天尖ⅠN掛幫礦的開采環(huán)境復(fù)雜，開采難度大，安全隱患多。

2.2 掛幫礦開采

根據(jù)礦山實(shí)際情況，將低段高無底柱留礦嗣后充填采礦法應(yīng)用于大冶鐵礦東露天尖ⅠN掛幫礦的開采，有針對性地應(yīng)用該采礦方法進(jìn)行掛幫礦的開采，如圖4所示。

大冶鐵礦東露天坑底部標(biāo)高約為-156 m，尖ⅠN掛幫礦各開采水平分別為-148、-156、-170 m水平，其中-156 m水平以上的礦體賦存在露天邊坡上，為了充分保證安全，在采場靠近邊坡的一面預(yù)留8 m厚的保護(hù)礦柱。

采準(zhǔn)工程主要有穿脈巷道、穿脈聯(lián)絡(luò)道、出礦巷道、斜坡道等。由于掛幫礦賦存邊坡無理想的作業(yè)空間和作業(yè)平臺，無法直接掘進(jìn)平硐通達(dá)-148 m以上礦體，因此在露天邊幫底部掘進(jìn)傾斜穿脈至-148 m水平，傾斜穿脈尺寸為2.8 m×2.5 m，再從傾斜穿脈中掘進(jìn)出礦巷道通達(dá)礦體，出礦巷道尺寸為2.8 m×2.5 m，傾斜穿脈通過聯(lián)絡(luò)道相連，聯(lián)絡(luò)道尺寸為2.8 m×2.5 m，聯(lián)絡(luò)道水平標(biāo)高為-148 m水平，傾斜穿脈布置在間柱中，間柱寬8 m，間柱將礦體切割為礦房，礦房長為20 m，寬為礦體厚度；對于-156～-148 m之間的礦體，從露天邊幫底部掘進(jìn)平硐穿過礦體到達(dá)礦體下盤，隨后在礦體下盤掘進(jìn)沿脈運(yùn)輸巷道，平硐和沿脈運(yùn)輸巷道尺寸為2.8 m×2.5 m；對于露天坑最低標(biāo)高以下的礦體，可通過掘進(jìn)斜坡道通達(dá)開采水平，隨后掘進(jìn)穿脈通達(dá)礦體，斜坡道和穿脈的尺寸均為2.8 m×2.5 m。

圖4 開采尖ⅠN掛幫礦示意

由于部分采準(zhǔn)巷道掘進(jìn)通過F9錯動區(qū)域，考慮斷層中破碎帶、錯位區(qū)域以及充填在破碎帶中的破碎巖石的影響，需要對該部分巷道加強(qiáng)支護(hù)，掘進(jìn)時可采用插板支護(hù)該段巷道。

回采工作總體由上往下進(jìn)行，在每一階段中由下往上回采。通過對穿脈巷道進(jìn)行刷幫形成回采工作面，采用中深孔鑿巖爆破、踩碴打眼，炮孔為水平炮孔，炮孔的間距為0.9 m，炮孔排列方式為三角形排列，炮孔直徑為75 mm，孔深7 m，每次爆破落下的礦石量可達(dá)560 t。礦石分兩步驟分別放出，即局部出礦和大量出礦。局部出礦時每次運(yùn)出每次崩落礦石的30%左右，剩余礦石暫時留在礦房內(nèi)，作為繼續(xù)向上回采的工作平臺，當(dāng)?shù)V房回采結(jié)束后，進(jìn)行大量放礦，隨后立即充填采空區(qū)，充填方式為全尾砂膠結(jié)充填。開采過程中預(yù)留的礦柱作為支撐采場的永久礦柱，不回采。

礦石經(jīng)鏟運(yùn)機(jī)出礦，隨后由汽車從出礦巷道、穿脈、斜坡道等運(yùn)輸至露天坑底部，最后由露天坑內(nèi)運(yùn)至地表。

尖ⅠN掛幫礦的開采對大冶鐵礦東露天邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生擾動，特別是該掛幫礦的開采使F9斷層以及滑體破碎帶面臨著崩塌、滑坡的威脅。在開采的過程中，為了及時了解邊坡的變形情況，預(yù)測邊坡變形趨勢，對露天邊坡進(jìn)行了位移監(jiān)測，從2005年至2009年間的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，大冶鐵礦東露天邊坡的變形屬于收斂變形，X向最大變形位移值為16 mm，隨后變形位移值逐漸趨于平緩，達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，說明該采礦方法開采尖ⅠN掛幫礦能夠保證最終邊幫的穩(wěn)定。

根據(jù)該區(qū)域的地質(zhì)條件、礦體埋藏條件以及采礦方法等因素綜合分析，采用低段高無底柱留礦嗣后充填采礦法開采大冶鐵礦東露天尖ⅠN掛幫礦，從2004—2009年共回收礦石45.87萬t，回收率約為82.3%，共創(chuàng)直接經(jīng)濟(jì)效益1.6億元。

3 結(jié) 論

(1)采用傳統(tǒng)的地下開采方法開采掛幫礦時，露天礦最終邊幫與地下采場的穩(wěn)定性差、生產(chǎn)效率低，為此提出了適用于開采掛幫礦的低段高無底柱留礦嗣后充填采礦法。

(2)低段高無底柱留礦嗣后充填采礦法能夠充分利用圍巖自身的穩(wěn)定性，并且可及時封閉采空區(qū)以保障安全。采用低段高回采，減小采空區(qū)圍巖的暴露面積，增強(qiáng)了采空區(qū)的穩(wěn)定性；采用中深孔爆破落礦，不留底柱，采用鏟運(yùn)機(jī)出礦，具有爆破落礦效率高，出礦效率高，機(jī)械化程度高的特點(diǎn)；每次落礦后將部分礦石暫時留在礦房內(nèi)，可暫時支撐采場兩幫圍巖，能夠有效限制采場兩幫圍巖的變形；礦石運(yùn)出后，立即充填采空區(qū)，可以及時、有效地處理采空區(qū)。將該方法用于開采大冶鐵礦東露天尖ⅠN掛幫礦，該采礦方法保證了黃石國家礦山公園中大冶鐵礦東露天最終邊幫安全、穩(wěn)定的同時高效地回收了大冶鐵礦東露天尖ⅠN掛幫礦的礦石。

(3)理論分析與工程實(shí)踐表明，低段高無底柱留礦嗣后充填采礦法具有采場穩(wěn)定性好、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，適合開采殘留在露天礦最終邊幫上的掛幫礦，值得推廣。

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(責(zé)任編輯 石海林)

PillarlessOre-remainingSubsequentFillMiningwithLowStageHeightApplicabletotheExploitationofHangingWallOre

Liu Yanzhang1Zhang Qun1Ye Yicheng1Ren Xianfeng2Wang Qihu1Sun Yongjiu2

(1.SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China；2.WISCOKaishengScience&TechnologyCo.，Ltd.，Wuhan430000，China)

The traditional underground mining methods to exploit the hanging wall ore on the slope of the open pit usually result in poor stability and low efficiency of the final slope and the underground stope because of the special occurrence conditions of the hanging wall ore in the open pit.Then，the pillarless ore-remaining subsequent fill mining with low stage height is put forward to exploit the hanging wall ore on the final slope of the open pit.This method shortens the height of the stages in order to reduce the exposure area of the stope.It has a higher efficiency by obligating no bottom pillar and blasting with deep hole and transporting the ore with scrapers.And by using this method，the deformation of the rock mass is limited temporarily with partial ore remaining in the stope and filling the goaf.In this method，the top inclined pillars are designed to improve the filling effect.This method was put into the exploitation of JianⅠN hanging wall ore of the east open pit in Daye Iron Mine.The application result showed that it guaranteed the stability of the final slope and the safe exploitation of the hanging wall ore at the stope，and effectively recovered the ores on the final slope of open pit under the conditions of keeping the safety pillars between reserved stope and the slope.

Mining method，Iron mine，Hanging wall ore，Safety

2014-08-13

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(編號：51074115)，“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號：2011BAA05B03)。

劉艷章(1969—)，男，教授，博士。

TD853

A

1001-1250(2014)-12-040-05