急傾斜厚大礦體采礦方法的選擇

魏曉明 李長洪 張立新

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100093;2.邯邢冶金礦山管理局安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽六安237426)

隨著我國埋藏淺、品位低的鐵礦石資源日趨減少，開發(fā)埋藏深、品位低的鐵礦石資源已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急［1-2］。近期開發(fā)的礦山多是厚大的急傾斜礦床，國內(nèi)外針對厚大的急傾斜礦體和極厚礦體采用的采礦方法主要有:大直徑深孔崩礦采礦法，無底柱分段崩落法，上向分層充填采礦法等等。而對于地表需嚴(yán)格保護(hù)或礦體上部頂板不允許破壞的礦床開采如建筑物下開采、村莊農(nóng)田下開采一般采用充填采礦法或空場嗣后充填法。

李樓鐵礦位于安徽省西部霍邱縣，行政區(qū)劃屬霍邱縣馮井鄉(xiāng)。礦床開采范圍內(nèi)基本平坦，略有坡度，地形南高北低，西高東低。地形標(biāo)高一般為35～50 m。礦床開采范圍內(nèi)地表基本為農(nóng)田，礦床開采盡量不要破壞農(nóng)田。李樓礦體為沉積變質(zhì)礦床，礦床礦帶長3.4 km，寬0.25～0.4 km。據(jù)現(xiàn)有探礦工程揭露，李樓鐵礦床共有6個礦體，其中Ⅰ號礦體為主礦體，占全礦床資源儲量的85.83%;其次為Ⅱ和Ⅲ號礦體。Ⅰ號礦體平均真厚度48.2 m，屬于厚大礦體;Ⅱ、Ⅲ號礦體平均真厚度分別為11.05、12.4 m，屬于中厚礦體。礦體走向近南北，上部傾向西，傾角65°～75°，中部(－500 m上下)近乎直立，深部(－500 m以下)向東倒轉(zhuǎn)，傾角72°～88°，屬于急傾斜礦體。

本研究通過李樓鐵礦采礦方法選擇的工程實(shí)例，并對其生產(chǎn)中應(yīng)用的高分段鑿巖空場嗣后充填法和高階段側(cè)向崩礦嗣后充填法進(jìn)行比較，探討厚大的急傾斜礦體采礦方法的選擇。

1 李樓鐵礦采礦方法初選

1.1 采礦方法選擇原則

根據(jù)李樓鐵礦的開采技術(shù)條件及水文地質(zhì)條件，結(jié)合李樓鐵礦開采實(shí)際，采礦方法選擇需解決的問題:①地表村莊民宅、農(nóng)田不受破壞，公路不改道，地表不能塌陷;②要求生產(chǎn)能力大，能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開采，達(dá)到530萬t/a的生產(chǎn)能力;③因礦體上部為破碎風(fēng)化帶，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎極不穩(wěn)固，裂隙滲水漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，所選用的采礦方法應(yīng)能保護(hù)礦體上部破碎風(fēng)化帶，不能破壞頂板穩(wěn)固性以及防止破碎風(fēng)化帶裂隙水滲水補(bǔ)給;④采切工程量小，采礦準(zhǔn)備時(shí)間短，投產(chǎn)達(dá)產(chǎn)快;⑤要求采礦方法適應(yīng)性好，資源回收率較高、貧化較小;⑥先考慮－425 m中段F1礦體的開采，兼顧其他礦體的開采。

1.2 采礦方法初選

從李樓鐵礦礦體賦存形態(tài)和礦巖穩(wěn)固性看，僅僅是為了采礦崩落法、空場法、充填法均可采用。如果采用崩落法回采，礦體上部第四系黏土層和流砂含水層將被破壞，地下水和黏土的混合物涌入坑內(nèi)，還將加大礦石的貧化損失指標(biāo)，直接威脅到礦山生產(chǎn)安全，嚴(yán)重破壞地表。若用空場法回采，當(dāng)?shù)V柱留的少時(shí)，不能永久支撐空區(qū)，只能在短時(shí)間內(nèi)保證礦體上部第四系黏土層和流砂含水層不被破壞。同時(shí)，在大規(guī)模開采過程中積累的大量采空區(qū)，因礦柱破壞引發(fā)大的地壓活動，地下水涌入井下，產(chǎn)生強(qiáng)大的空區(qū)沖擊波，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)安全問題。當(dāng)留的礦柱多時(shí)，礦石損失大，根據(jù)李樓鐵礦礦巖穩(wěn)固性，為了保持采空區(qū)的永久穩(wěn)定，礦石回收率約57%，損失率約43%。因此，李樓鐵礦不適宜采用崩落法和空場法采礦。

李樓鐵礦礦石中金屬礦物主要為鏡鐵礦，其次為赤鐵礦和磁鐵礦，礦石品位較低。而且礦山要求生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)能力大，李樓鐵礦生產(chǎn)能力為 530萬t/a，每天的生產(chǎn)能力為16 kt以上，為國內(nèi)生產(chǎn)能力最大的地下金屬礦山。若采用充填法類似采礦方法，采礦生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力受條件制約，采礦成本高，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益差。從對地表和破碎風(fēng)化層的保護(hù)而言，采空區(qū)需要充填;從對生產(chǎn)效率，生產(chǎn)能力和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益而言，適宜采用空場法采礦。根據(jù)李樓鐵礦的開采技術(shù)條件，水文工程地質(zhì)條件，工程現(xiàn)狀，礦山生產(chǎn)和發(fā)展需要及其特殊要求，依據(jù)國內(nèi)外大型礦山大規(guī)模開采的經(jīng)驗(yàn)，適宜采用階段礦房嗣后充填采礦法。該法是將礦塊劃分為礦房礦柱，在整個礦房或礦柱中分段或階段鑿巖崩礦回采。先采礦房，礦房空區(qū)充填后再采礦柱，隨后充填礦柱采空區(qū)。該方法要求鑿巖、崩礦和出礦作業(yè)都是在專用的鑿巖巷或鑿巖硐室內(nèi)進(jìn)行，作業(yè)人員和設(shè)備都不進(jìn)入采空區(qū)。回采礦房時(shí)礦柱和圍巖可維護(hù)回采空間，回采礦柱時(shí)利用充填體和圍巖來維護(hù)回采空間。

李樓鐵礦建設(shè)工程初步設(shè)計(jì)中，－425 m中段、－325 m中段為一期開采主運(yùn)輸中段，－400、－300 m為出礦水平，斜坡道按25 m段高設(shè)有分段聯(lián)絡(luò)道。因此，根據(jù)崩礦炮孔深度的不同，空場嗣后充填采礦法分為25 m高分段上向扇形孔空場嗣后充填法與高階段側(cè)向崩礦嗣后充填法。

2 李樓鐵礦采礦方法比較

2.1 25m高分段上向扇形孔空場嗣后充填法

25 m高分段上向扇形孔空場嗣后充填法將礦體劃分為礦房礦柱，中間不留間柱，分兩步驟連續(xù)回采。沿礦房高度75 m內(nèi)劃分為2個分段進(jìn)行鑿巖，在鑿巖進(jìn)路內(nèi)鑿上向扇形孔，以端部切割槽為自由面逐排爆破，空場利用礦柱或充填體支撐圍巖，形成在階段空場下出礦，礦房礦石出完后，立即進(jìn)行充填［3-5］。25 m高分段上向扇形孔空場嗣后充填法典型方案見圖1。

2.2 高階段側(cè)向崩礦嗣后充填法

高階段側(cè)向崩礦嗣后充填法將礦體劃分為礦房礦柱，中間不留間柱，分兩步驟連續(xù)回采。鑿巖集中在一個水平進(jìn)行，在鑿巖硐室內(nèi)布置下向平行深孔，采場底部進(jìn)行切割拉底;采場上盤靠近端部開切割井，下向深孔以切割井為自由面，形成切割槽，周邊深孔再以切割槽為自由面全階段逐排爆破，崩落礦石在底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行集中出礦［6-7］。高階段側(cè)向崩礦嗣后充填法典型方案見圖2。

圖1 25 m高分段上向扇形孔空場嗣后充填法Fig.1 25 m high sublevel upwards fan-shaped open stoping with subsequent filling method

圖2 高階段側(cè)向崩礦嗣后充填法Fig.2 The high stage lateral caving stoping with subsequent filling method

2.3 采礦方法方案技術(shù)分析

通過以上對2個采礦方法的述評，根據(jù)李樓鐵礦－425 m中段礦體開采技術(shù)條件及工程現(xiàn)狀，對25 m高分段上向扇形孔空場采礦嗣后充填法、高階段側(cè)向崩礦嗣后充填法進(jìn)行技術(shù)分析得出:

(1)高階段側(cè)向崩礦嗣后充填采礦法采用大直徑深孔側(cè)向崩礦、效率高、采場生產(chǎn)能力大，一次崩礦量可達(dá)3.2萬t;25 m高分段上向扇形孔空場采礦嗣后充填采礦法采用上向孔分排爆破，一次崩礦量最大為1.8 萬 t。

(2)高階段側(cè)向崩礦嗣后充填采礦法采用多排孔階段一次爆破，可減少采場爆破次數(shù)，提高出礦效率;25 m高分段上向扇形孔空場采礦嗣后充填采礦法一次爆破2～3排，爆破量小，采場爆破次數(shù)多，大大影響采場出礦時(shí)間。

(3)高階段側(cè)向崩礦嗣后充填采礦法不設(shè)分段，鑿巖集中在上中段鑿巖硐室內(nèi)進(jìn)行，采準(zhǔn)工程量少，采切比小，中段達(dá)產(chǎn)時(shí)間短;25 m高分段上向扇形孔空場采礦嗣后充填采礦法鑿巖在分段內(nèi)進(jìn)行，需設(shè)鑿巖分段，一般需增設(shè)1～2分段，分段采準(zhǔn)工程及輔助措施工程量大，采切比高，中段達(dá)產(chǎn)時(shí)間長。

(4)高階段側(cè)向崩礦嗣后充填采礦法工藝技術(shù)成熟，已在國內(nèi)外許多礦山使用，如安慶銅礦、冬瓜山銅礦、草樓鐵礦、澳大利亞芒特艾礦、加拿大LEVACK鎳礦，已形成系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn);25 m高分段上向扇形孔空場嗣后充填采礦法國內(nèi)尚無先例，尤其是上向深孔裝藥技術(shù)及裝備還只停留在試驗(yàn)研究階段。

(5)高階段側(cè)向崩礦嗣后充填采礦法充填只需要在－400 m分段修筑擋墻，充填料漿充填面超過充填擋墻最高點(diǎn)后，一次充填高度控制在2 m以上，采場充填周期短;25 m高分段上向扇形孔空場采礦嗣后充填法需要在－400、－375、－350 m三個分段內(nèi)修筑充填擋墻，充填工程大，同時(shí)充填體通過各個分段擋墻時(shí)不宜過快，采場充填時(shí)間長［8］。

通過對高階段側(cè)向崩礦嗣后充填法與25 m高分段上向扇形孔空場嗣后充填采礦法進(jìn)行技術(shù)比較，前者具有效率高、采場生產(chǎn)能力大、采準(zhǔn)工程量少、采切比小、工藝技術(shù)成熟、采場充填周期短。25 m高分段上向扇形孔空場嗣后充填法機(jī)動靈活、爆破工藝簡單、易于處理啞炮、拒爆、巖墻等問題，也具有較高的效率和采場生產(chǎn)能力。

3 結(jié)論

(1)李樓鐵礦礦體回采以高階段側(cè)向崩礦嗣后充填法為主，25 m高分段上向扇形孔空場采礦嗣后充填法和淺孔留礦法為輔。李樓鐵礦Ⅰ礦體平均厚度達(dá)45 m，礦體傾角65°以上，應(yīng)優(yōu)先考慮采用高階段側(cè)向崩礦嗣后充填法;礦體厚度較小，距離Ⅰ礦體較遠(yuǎn)的Ⅱ、III礦體可采用淺孔留礦法進(jìn)行回采。

(2)大直徑深孔崩礦嗣后充填法與分段空場嗣后充填法為厚大的急傾斜礦體和極厚礦體開采的有效方法，能實(shí)現(xiàn)安全、高效、大規(guī)模生產(chǎn)。隨著鑿巖設(shè)備、裝藥設(shè)備、爆破器材的發(fā)展，大孔穿爆，高分段或階段鑿巖在礦山中的應(yīng)用越來越廣泛。

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