破碎復(fù)合型難采礦體安全高效采礦方法優(yōu)化研究

丁明福

（安徽省銅陵縣牛山礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽銅陵244151）

破碎復(fù)合型難采礦體安全高效采礦方法優(yōu)化研究

丁明福

（安徽省銅陵縣牛山礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽銅陵244151）

根據(jù)太平鐵礦地下涌水量大、礦巖松散軟破的復(fù)合型難采現(xiàn)狀，在“安全、經(jīng)濟、高效”的原則下，對礦山原有的上向水平分層充填采礦法的多個工藝環(huán)節(jié)進行優(yōu)化設(shè)計，采用簡單靈活的盤區(qū)上向進路式水平分層尾砂膠結(jié)充填采礦法，能根據(jù)礦體的具體分布形態(tài)有針對性地完成回采，使礦石回收率提高5%～10%；減小了空區(qū)暴露面積，有利于頂板維護和管理，極大地提高采礦作業(yè)的安全性；用生產(chǎn)效率更高的鏟運機代替了落后的電耙出礦方式，使礦塊生產(chǎn)能力提高了30～70 t/d；同時，貧化率降低了6.31%，較好地發(fā)揮了礦產(chǎn)資源的經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益。

復(fù)合型難采礦體；采礦方法；上向進路；分層充填法；回收率

據(jù)統(tǒng)計，我國尚有各類地下復(fù)雜難采鐵礦石儲量約85億t，其中有相當(dāng)部分的礦體地下涌水量大、礦巖松散軟破，屬于復(fù)合型難采礦體［1］。在傳統(tǒng)的技術(shù)條件下，此類礦床治理成本過高、采場生產(chǎn)效率低下，導(dǎo)致回采成本相當(dāng)高，經(jīng)濟效益不如意。因此，通過技術(shù)創(chuàng)新，開展新型采礦工藝研究，解決此類難采礦體的安全、經(jīng)濟、高效的回采問題，有助于擴大可利用資源開采范圍，提高我國礦產(chǎn)資源利用率，增加資源儲備和可持續(xù)性發(fā)展能力。

1 地質(zhì)概況及礦床開采技術(shù)條件

太平鐵礦礦區(qū)行政隸屬安徽省和縣沈巷鄉(xiāng)管轄。礦區(qū)地表為第四系松散沖積物覆蓋，礦床類型為接觸交代-熱液型，礦體主要分布于裕湯復(fù)背斜構(gòu)造南東翼鈉質(zhì)石英閃長巖體與中三疊統(tǒng)徐家山組地層接觸帶之巖體凹陷部位，礦體頂?shù)装鍘r石大部分半堅硬、完整，其工程地質(zhì)條件穩(wěn)定性較好，但局部構(gòu)造發(fā)育地段由于巖溶發(fā)育或蝕變作用的結(jié)果，巖石呈松散、軟弱狀，礦體地下涌水量大、礦巖松散軟破，屬于復(fù)合型難采礦體［2］。

太平鐵礦礦床由9個鐵礦體組成，編號為I～IX，全礦床累計鐵礦石資源儲量332＋333類316.41萬t，TFe平均品位39.79%，礦體埋深50～188m，礦體走向近東西向，主要呈似層狀、透鏡狀，其形態(tài)、規(guī)模受圍巖地層及接觸帶控制，產(chǎn)狀一般較緩，略向南東傾斜，傾角5°～20°。Ⅳ號礦體為主礦體，礦體走向延伸約500m，傾向延伸約300m，工程見礦厚度2.10～25.02m，礦體產(chǎn)出標(biāo)高-67～-180m，礦體TFe品位一般較穩(wěn)定，分布均勻。本次優(yōu)化設(shè)計主要針對Ⅳ號礦體。

2 采礦方法的優(yōu)化選擇的背景

太平鐵礦為地下開采，礦區(qū)地處平原，地表多為良田，地表不允許陷落，故初步設(shè)計選用上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法，首采中段為-185m中段，礦塊沿礦體走向分布，礦塊寬度6～8m，礦塊長度取50 m，礦塊垂高為中段高度50m，間柱6m，底柱高為5m，不留頂柱，開采順序是沿著礦體走向由東向西后退式回采，在礦塊內(nèi)是自下而上開采，崩下的礦石采用電耙出礦，通過溜井裝入礦車，編組后由電機車牽引運至中段井底車場，采礦方法圖見圖1。

圖1 上向水平分層充填采礦圖Fig.1 The upward horizontal cut and fill method

隨著太平鐵礦生產(chǎn)勘探及采礦過程對礦體的進一步揭露，礦體形態(tài)及賦存方式發(fā)生了較大變化，由于這些變化，原有的采礦方法存在如下問題：

1）部分平面上礦體不連續(xù)，部分區(qū)域出現(xiàn)了夾石層，難以形成規(guī)則采場，且廢石較多，貧化率較大。

2）礦體下盤形態(tài)出現(xiàn)變化，標(biāo)高起伏較大，底柱完全布置在巖石內(nèi)對控制礦體不利，部分底柱需預(yù)留在礦體中，留有的底柱難以回采，礦石損失較大，加上礦體形態(tài)的復(fù)雜性，導(dǎo)致貧化率也較高。

3）采礦暴露面積偏大，頂板管理較為困難，采場作業(yè)安全性較差。由于前期施工的聯(lián)絡(luò)道對礦柱造成一定破壞，造成頂板管理更加復(fù)雜，第二步礦柱回采作業(yè)安全性較差。

4）采場不規(guī)則，生產(chǎn)連續(xù)性差，采礦效率較為低下，產(chǎn)能難以提升，生產(chǎn)處于時斷時續(xù)的狀態(tài)。轉(zhuǎn)層巷道的復(fù)雜性，不僅使整個區(qū)域難以統(tǒng)一使用，降低了效率，也帶來了部分礦房回采不規(guī)則、生產(chǎn)不順暢等后果。

5）出礦方式為電耙出礦，電耙出礦耗能高，已列入國家淘汰設(shè)備目錄。

針對以上的種種問題，急需對采礦方法的工藝進行優(yōu)化調(diào)整，以提高經(jīng)濟效益與資源利用率，使采礦作業(yè)能安全、經(jīng)濟、高效地進行。

3 采礦方法優(yōu)化設(shè)計

3.1 采礦方法優(yōu)化原則

根據(jù)礦體賦存狀況，為提高效益，在“安全、經(jīng)濟、高效”的原則下，對太平鐵礦目前正在使用的采礦方法各個工藝環(huán)節(jié)進行必要的優(yōu)化。優(yōu)化后的采礦工藝一是要改善并克服現(xiàn)有采礦缺陷，能最大限度地提高采礦效率；二是新的采礦工藝要適應(yīng)礦山現(xiàn)有的采掘設(shè)備及技術(shù)條件；三是要盡可能地考慮利用現(xiàn)有的井下工程，降低成本［3］。

3.2 優(yōu)化范圍和優(yōu)化對象

采礦方法優(yōu)化范圍為太平鐵礦-135m分層以下的Ⅳ礦體，具體針對0＃～4＃采場，隨著對井下礦體的部分揭露，礦體出現(xiàn)了一定程度的變化，在此背景下，重新規(guī)劃了新2＃、新3＃、新4＃等三個采區(qū)。

3.3 采礦方法的選擇

由于太平鐵礦為水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦山，地表第四系覆蓋層厚度較大，地表有村莊和道路，不允許塌落，要實現(xiàn)礦山的安全開采，必須切實對第四系覆蓋層實行保護，防止其產(chǎn)生冒落，在可供選擇的采礦方法中，充填采礦法是最為切實可行的采礦方法［4-5］。經(jīng)過綜合考慮研究，為充分利用礦山現(xiàn)有開采格局，仍采用上向分層尾砂膠結(jié)充填法進行回采，即在主體工藝大體不變的情況下，僅是對具體的采準(zhǔn)巷道的布置形式及位置進行細節(jié)上的調(diào)整與優(yōu)化。經(jīng)前期反復(fù)研究對比，對原有的上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法進行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，改為盤區(qū)進路式布置，即盤區(qū)進路式上向分層尾砂膠結(jié)充填法。

從安全性來說，上向進路充填法實際上是上向水平分層充填法的變形，當(dāng)?shù)V體為中等穩(wěn)固偏下或不穩(wěn)固時，采用上向水平分層充填法會發(fā)生冒頂和片幫事件，危及工人作業(yè)安全，為有效控制頂板，采用進路方式，減小開采跨度和頂板暴露面積，增強采場作業(yè)的安全性［6］。

從實用性來說，該工藝無須進行大的調(diào)整，能最大限度地利用現(xiàn)有工程，且工藝系統(tǒng)簡單可靠，靈活性較強，能根據(jù)礦體條件隨時調(diào)整采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、采場布置形式甚至工藝本身，適應(yīng)性較強。

4 盤區(qū)進路式上向分層充填法方案設(shè)計

實際生產(chǎn)中，根據(jù)礦體的形態(tài)及現(xiàn)有工程的分布情況有針對性地進行采準(zhǔn)工藝調(diào)整與布置，進路采場既可沿著走向布置，也可垂直走向布置。

4.1 礦塊布置及構(gòu)成要素

礦塊布置見圖2所示，礦塊沿走向布置，平均厚100m，階段高27m，每50m劃分一個盤區(qū)，盤區(qū)間柱為8m，盤區(qū)采場長42m。回采進路沿著礦體走向布置，進路寬度3～7m，分層高度取4～7m，具體的采場參數(shù)須根據(jù)現(xiàn)場情況予以調(diào)整。采切工程包括聯(lián)絡(luò)平巷、運輸平巷、分層巷道，回風(fēng)天井、溜礦井、斜坡道、進風(fēng)井等，其中回風(fēng)井、進風(fēng)井和斜坡道均布置在脈外，斜坡道坡度不大于15%，溜井布置在穿脈巷道內(nèi)。鏟運機通過斜坡道進入各個分層穿脈巷，溜礦井直接服務(wù)每個分層。

圖2 盤區(qū)進路式上向分層充填法回采方案圖Fig.2 The panel upward drift horizontal cut and fill method schematic diagram

4.2 回采工藝

將回采進路劃分為礦房礦柱，先回采礦房進路，待兩側(cè)礦房進路回采完畢完成充填后，礦柱進路才能進入回采，即整個回采過程遵循“隔一采一”、充填與回采交替進行的生產(chǎn)原則?；夭汕?，先通過進路貫通前后兩個盤區(qū)穿脈聯(lián)絡(luò)巷，形成完整的通風(fēng)回路后進行采礦。鑿巖采用鑿巖臺車或鑿巖機，打上向炮孔，采用乳化炸藥，分段微差爆破。垂直方向自下往上逐層回采，水平方向采用后退式開采。

4.3 采場運輸

使用2個以上溜井每7m交替在各個分層開口，保證每個分層均有溜井服務(wù)即可。采用鏟運機出礦，通過盤區(qū)溜井溜至運輸水平，經(jīng)電機車運輸至主井，再提升至地表。

4.4 采場通風(fēng)

在盤區(qū)穿脈聯(lián)絡(luò)巷一端掘進一條進風(fēng)井，在盤區(qū)另外一端掘進回風(fēng)井，新鮮風(fēng)流從進風(fēng)井進入各個進路采場，清洗工作面后，通過下個盤區(qū)中的聯(lián)絡(luò)巷中的回風(fēng)井進入回風(fēng)水平完成通風(fēng)。

4.5 采場充填

充填方式視情況而定，若條件允許，可從本分層聯(lián)絡(luò)橫巷中拉入充填管路對本分層的回采進路進行充填，即充填作業(yè)在本分層中完成。若分層高度較高，本分層充填的效果不是太好，則可在本分層回采時，在上個分層部分掘進回采進路，向下打一充填小井完成充填。充填時每次用尾砂充填2.5～3.5m，再用1︰4或1︰6的膠結(jié)充填料澆面0.5m，養(yǎng)護好后即可轉(zhuǎn)入上一分層的回采。

4.6 主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)

原有上向水平分層充填采礦法與優(yōu)化之后的進路式上向水平分層充填采礦法主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)對比見表1。

表1 主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)對比Table 1 The comparison of main technical and economical indicators

從表1可知，優(yōu)化后的進路式上向水平分層充填采礦法礦塊的生產(chǎn)能力提高30～70t/d。采礦回收率提高5%～10%，貧化率降低6.31%。由此說明，進路式上向水平分層充填采礦法經(jīng)濟指標(biāo)有了明顯的提高，增加了礦山的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

從2013年5月起，太平鐵礦在部分區(qū)域采用盤區(qū)進路式上向分層尾砂膠結(jié)充填采礦法進行開采試驗，從現(xiàn)場開采實踐來看，通過對采礦方法的優(yōu)化設(shè)計，較好地發(fā)揮了礦產(chǎn)資源的經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益，主要體現(xiàn)在以下方面：1）盤區(qū)進路式上向分層尾砂膠結(jié)充填采礦法簡單靈活，能根據(jù)礦體的具體分布形態(tài)有針對性地完成回采，采場進路也能隨著礦體變化而變化，基本不會出現(xiàn)不規(guī)則的邊角無法回采的現(xiàn)象；2）空區(qū)暴露面積較小，能很好地對頂板進行維護和管理，能極大地提高采礦作業(yè)的安全性；3）鏟運機代替了能耗大、安全性相對較差的電耙出礦的落后出礦方式，更環(huán)保節(jié)能，生產(chǎn)效率提高30～70t/d；4）在經(jīng)濟指標(biāo)如萬噸采切比略優(yōu)的情況下，使回收率提高5%～10%，貧化率降低6.31%，增加了礦山的經(jīng)濟效益。

［1］王淑麗.我國鐵礦資源評估與可供性研究 ［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2010.

［2］徐 磊，李 飛.某鐵礦水文地質(zhì)條件及涌水量預(yù)測研究［J］.采礦技術(shù)，2014，14（5）：57-60.

［3］谷新建，胡 磊，陳澤呂，等.新龍礦業(yè)公司極破碎難采礦體采礦方法優(yōu)化研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2007，27（4）：1-2.

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［5］姚中亮.金屬礦山充填的意義、充填方式選擇及典型實例概述［C］//2010＇中國礦業(yè)科技大會論文集.金屬礦山，2010（增刊1）：212-218.

［6］劉興華，劉曉輝.上向進路充填采礦法充填配比優(yōu)化研究［J］.中國礦山工程，2014，43（3）：1-4.

Optimization of the safe and high-efficient mining method for fractured difficult-to-mine orebody

DING Mingfu
（Niushan Mining Co.，Ltd.，Tongling County，Anhui Province，Tongling Anhui 244151，China）

According to the compound type of large underground water inflow，loose soft broken rock in the Taiping Iron Mine，multiple processes of the upward horizontal cut and fill method are optimized according to the "security，economic，and efficient"principle.And the optimized mining method is panel upward drift horizontal cut and fill method.The optimized mining method is flexible，and can complete mining operation according to the specific shape of the orebody distribution.The ore recovery rate is increased by 5%～10%.At the same time，the new method can reduce cavity exposure area which is conducive to the maintenance and management of the roof，and the safety is improved greatly.In the new mining process，more productive scraper are used to replace the outdated power rake，so that the production capacity of ore block is increased by 30～70 t/d.Meanwhile，the dilution rate is decreased 6.31%.The mineral resources have better economic，social and environmental benefits.

compound difficult-to-mine orebody；mining method；upward drift；cut and fill method；ore recovery rate

TD853.34

Α

1671-4172（2015）06-0010-04

丁明福（1973-），男，工程師，采礦工程專業(yè)，主要研究方向為采礦工藝研究。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.003