上向進(jìn)路充填采礦法在極軟破水下礦體開采中的應(yīng)用

王莉，梁新民，謝經(jīng)鵬，張永達(dá)

（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

上向進(jìn)路充填采礦法在極軟破水下礦體開采中的應(yīng)用

王莉，梁新民，謝經(jīng)鵬，張永達(dá)

（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

礦產(chǎn)資源的開采逐步轉(zhuǎn)向復(fù)雜難采礦體，賦存條件復(fù)雜，開采難度大。某鐵礦位于季節(jié)性河流下，且礦巖破碎。為控制地表沉降變形，采用機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法，詳細(xì)介紹回采工藝，并在細(xì)節(jié)上提出改進(jìn)方案。生產(chǎn)實(shí)踐表明，該方法安全、高效、低貧損，實(shí)現(xiàn)了極軟破水下礦體的安全高效開采，對(duì)類似礦山有一定的借鑒意義。

“三下”礦體；軟破礦體；上向進(jìn)路采礦；膠結(jié)充填

礦產(chǎn)資源是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，礦產(chǎn)資源的勘探、開發(fā)和利用是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一［1］。隨著采礦技術(shù)和機(jī)械化程度的提高，采礦強(qiáng)度不斷增大，礦產(chǎn)資源的開采逐漸轉(zhuǎn)向復(fù)雜難采礦體，包括“三下”礦體、礦巖松軟破碎及其他工程地質(zhì)復(fù)雜礦體、空間復(fù)雜多變難采礦體、殘留礦體（民采殘留和境界外礦體等）、露天礦山深部礦體等［2］。如：山東黃金三山島金礦新立礦區(qū)海底礦床［3］，武鋼金山店鐵礦及程潮鐵礦深部破碎礦體［4－5］，北京首云鐵礦露天轉(zhuǎn)地下礦體［6］等開采條件復(fù)雜，開采難度大，如何實(shí)現(xiàn)這類礦體的安全高效開采是礦山工作者和科研單位的努力方向。本文針對(duì)某鐵礦河流下極軟破礦體，對(duì)其采礦工藝展開詳細(xì)論述。

1 開采技術(shù)條件

1.1 工程概況

某鐵礦位于山東省境內(nèi)，主礦體位于礦床北部17～8線，嚴(yán)格受石炭系與奧陶系假整合面控制，似層狀產(chǎn)出。礦體賦存標(biāo)高－34～－200m，總體走向N45°E，傾向135°，傾角5°～20°，走向長(zhǎng)920m，厚度變化大，變化范圍為1.23～40.16m，平均厚度14.35m，礦石品位47.66%。金屬礦物主要為磁鐵礦，次為赤鐵礦，脈石礦物主要為蛇紋石、方解石、綠泥石等。

礦床頂板圍巖主要為石炭系板巖、角巖，普氏硬度系數(shù)f＝6～10，局部1～2，穩(wěn)定性差。底板圍巖為奧陶系大理巖、透輝石矽卡巖、閃長(zhǎng)巖及蝕變閃長(zhǎng)巖等，局部泥質(zhì)裂隙發(fā)育，易破碎、不穩(wěn)固。礦區(qū)地表有村莊且季節(jié)性河流流經(jīng)，該河流為源短流急的間歇性河流，全長(zhǎng)46km，歷年最大洪峰流量為180.6m3/s。

1.2 開采技術(shù)難點(diǎn)

1）礦體開采技術(shù)條件復(fù)雜，礦巖極為軟破，遇水易泥化，特別是上下盤局部圍巖f＝1～2，穩(wěn)定性極差，巷道掘進(jìn)及維護(hù)難度大。巷道、回采進(jìn)路片幫、冒落現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重制約礦山持續(xù)生產(chǎn)。

2）礦區(qū)地表為村莊、河流，采區(qū)范圍內(nèi)不允許地表陷落和移動(dòng)，決定了必須采用充填采礦控制地表沉降變形。

3）礦體厚度變化大，薄礦脈開采時(shí)大型設(shè)備作業(yè)空間受到限制，需削掉部分圍巖，增加工程量，且易造成礦石貧化。

總之，礦體埋藏深、地壓大、礦巖軟弱破碎、難掘難支，屬于極軟破“三下”復(fù)雜難采礦體，其開采難度在國(guó)內(nèi)外地下礦山罕見。

2 機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法

根據(jù)礦體賦存條件，若繼續(xù)沿用無底柱分段崩落法，不僅貧化損失大，最重要的是地表產(chǎn)生較大的沉降變形。為控制地表沉降和巖層移動(dòng)，保護(hù)地表河流村莊，通過借鑒國(guó)內(nèi)外“三下”礦山開采經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該礦自身開采技術(shù)條件，經(jīng)過高校專家理論論證和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，決定采用機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法進(jìn)行回采。

2.1 采礦方法特點(diǎn)

進(jìn)路充填采礦法和分層充填采礦法工藝相似，只是為提高回采的安全性，減小采場(chǎng)跨度，將分層劃分為若干進(jìn)路進(jìn)行回采。機(jī)械化上向進(jìn)路充填自下而上分層回采，以分層全高沿礦體走向或垂直走向劃分進(jìn)路，順序或間隔回采，每條進(jìn)路回采結(jié)束后隨即進(jìn)行充填。整層回采充填結(jié)束后升層進(jìn)行上一分層的回采［7］。充填體作為一期回采時(shí)的底板，又是二期進(jìn)路回采時(shí)支撐頂板的人工礦柱［8］。

1）機(jī)械化。鑿巖臺(tái)車、裝藥臺(tái)車、錨桿臺(tái)車、電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)等無軌設(shè)備得到普遍應(yīng)用。無軌設(shè)備增加作業(yè)的機(jī)動(dòng)靈活性，使鑿巖、裝藥、支護(hù)、出礦效率大大提高。

2）上向進(jìn)路。自下而上巷道式采礦，人和無軌設(shè)備在充填體上作業(yè)，要求有足夠強(qiáng)度。充填體作為二步采的人工礦柱支撐頂板，要求進(jìn)路充填接頂。

2.2 適用條件

進(jìn)路充填法適用于礦巖條件極不穩(wěn)固和不穩(wěn)固礦體，且礦體品位高，經(jīng)濟(jì)價(jià)值大。礦體厚度從薄到極厚，傾角從緩到急傾斜均可采用［7］。

2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著國(guó)家對(duì)礦山安全環(huán)保要求的提高，對(duì)不可再生資源的日益重視，充填采礦在礦山中所占比例不斷擴(kuò)大。機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法作為安全、高回收、低貧化的采礦方法在不穩(wěn)固礦體開采中得到廣泛應(yīng)用。某鐵鋅礦位于河流、公路下，裂隙發(fā)育、礦巖破碎，采用上向進(jìn)路充填法代替無底柱分段崩落法，采場(chǎng)生產(chǎn)能力180t/d，損失率4.0%，貧化率6.0%［9］。三山島金礦新立礦區(qū)采用機(jī)械化盤區(qū)上向高分層寬進(jìn)路充填采礦法，盤區(qū)生產(chǎn)能力300t/d，損失率4.85%，貧化率5.43%［10］。小鐵山鉛鋅礦地質(zhì)條件復(fù)雜、礦巖不穩(wěn)固，地壓活動(dòng)頻繁，采用上向進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法，采場(chǎng)生產(chǎn)能力215t/d，損失率8%，貧化率10%［11］。

3 回采方案設(shè)計(jì)

3.1 采場(chǎng)布置及結(jié)構(gòu)參數(shù)

礦塊沿礦體走向布置，礦塊長(zhǎng)60m。階段高50 m，底柱高8m，劃分3個(gè)分段，分段高14m，每個(gè)分段分為4個(gè)分層回采。沿礦體走向每120m留5m寬連續(xù)實(shí)體礦柱。進(jìn)路垂直礦體走向布置，每個(gè)礦塊布置15條進(jìn)路，進(jìn)路尺寸4m×3.5m（寬×高），進(jìn)路坡度為零。

3.2 采切工程布置

采用下盤脈外分段巷道、沿脈分層進(jìn)路聯(lián)巷、脈外溜井加聯(lián)絡(luò)道的采準(zhǔn)方式。主要采準(zhǔn)工程有分段巷道、分層聯(lián)絡(luò)道、分層進(jìn)路聯(lián)巷、溜井、回風(fēng)天井等。礦體下盤脈外沿走向布置分段巷道，通過采區(qū)斜坡道使其與上下分段聯(lián)通。從分段巷道向回采礦塊掘進(jìn)分層聯(lián)絡(luò)道，沿礦體下盤掘進(jìn)分層進(jìn)路聯(lián)巷。溜井、回風(fēng)充填天井一般都布置在脈外下盤，溜井上口鋪設(shè)工字鋼做成的網(wǎng)狀隔篩，避免大塊礦石放出。主要采切工程規(guī)格見表1。

表1 主要采切工程規(guī)格Table 1 Main preparation and cut engineering specifications

3.3 分層回采順序

礦塊回采自下而上逐層進(jìn)行，每一層進(jìn)路連續(xù)回采，同一礦塊進(jìn)路間隔回采。每個(gè)礦塊15條進(jìn)路分3組，每組5條共用一套采裝運(yùn)設(shè)備。采用“隔一采一”的回采順序，每組進(jìn)路保證至少有一條進(jìn)行回采。上下層進(jìn)路間盡量錯(cuò)開，提高充填體的支撐性能。整層回采充填結(jié)束后，采取分層聯(lián)絡(luò)道壓頂?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)升層，轉(zhuǎn)入上一分層的回采。5條進(jìn)路采充順序如圖1所示。

圖1 進(jìn)路采充順序示意圖Fig.1 Cutting and filling sequence of drift

3.4 鑿巖、爆破與采場(chǎng)通風(fēng)

鑿巖采用7655型鑿巖機(jī)，六角中空型釬桿，一字型鉆頭，孔徑45mm，孔深2.7m，循環(huán)進(jìn)尺2.5 m。采用硝銨炸藥，非電雷管起爆。主要材料消耗見表2。

表2 主要材料消耗Table 2 Main materials consumption

新鮮風(fēng)流由分段巷道經(jīng)過分層聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入采場(chǎng)工作面，污風(fēng)由充填回風(fēng)天井、上中段回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道經(jīng)回風(fēng)井排出地表。對(duì)于獨(dú)頭巷道和通風(fēng)不良的采礦進(jìn)路可以架設(shè)局扇輔助通風(fēng)。

3.5 礦石運(yùn)搬

出礦采用Atlas Copco公司生產(chǎn)的EST－3.5型電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)，斗容2.5m3。鏟運(yùn)機(jī)在出礦進(jìn)路鏟出礦石，經(jīng)分層聯(lián)絡(luò)巷、分段巷道倒入礦石溜井，溜放至中段運(yùn)輸水平裝入礦車，通過架線式電機(jī)車牽引運(yùn)到主井礦倉提升至地表。

3.6 采場(chǎng)充填

進(jìn)路回采結(jié)束且清底完成后即可進(jìn)行充填準(zhǔn)備工作，包括架設(shè)濾水管、充填管，構(gòu)筑木質(zhì)充填擋墻。采用高強(qiáng)度分級(jí)尾砂膠結(jié)充填，膠結(jié)材料為膠固粉，灰砂比1︰8，料漿濃度65%～70%，充填體強(qiáng)度2.0～2.5MPa。為使充填料漿充分脫水沉淀，保證充填施工的安全及充填效果，每條進(jìn)路分3步充填。

3.7 進(jìn)路支護(hù)

礦區(qū)礦巖軟破，圍巖自承能力低，巷道自穩(wěn)性差，為防止冒頂、片幫，確保作業(yè)人員安全，采場(chǎng)內(nèi)100%的井巷、進(jìn)路都進(jìn)行支護(hù)，90%以上為錨噴網(wǎng)支護(hù)，且必須進(jìn)行一掘一支，鑿巖、爆破、出渣、支護(hù)為一個(gè)循環(huán)。錨噴網(wǎng)支護(hù)用螺旋鋼壓托盤，片網(wǎng)、樹脂錨桿，錨距800mm×1 000mm，順巷道方向?yàn)? 000mm，環(huán)巷道方向?yàn)?00mm。片網(wǎng)用鐵絲搭接，搭接長(zhǎng)度不小于200mm，噴層厚100mm。

4 存在的問題及改進(jìn)方案

機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法在開采不穩(wěn)固礦體中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，具有高安全性、高回收、低貧化等顯著特點(diǎn)，但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中仍存在一些需要改進(jìn)的問題，通過借鑒其他類似礦山成功經(jīng)驗(yàn)，找到改進(jìn)方案。

1）水平進(jìn)路難以保證充填接頂率，充填體不能發(fā)揮人工礦柱作用支撐頂板，安全性能大大降低。若進(jìn)路以3%～5%的坡度進(jìn)行回采，充填時(shí)可以利用充填料漿的自流性，使其充滿空區(qū)［12］。

2）上向采礦回采過程中，礦石直接落在充填體上。鏟運(yùn)機(jī)出礦過程中難免將充填體一起鏟出，造成連續(xù)貧化。出礦時(shí)底板留0.2m厚的礦石作為墊層，待整條進(jìn)路回采結(jié)束后最終清除，可避免礦石的連續(xù)貧化。

圖2 脊部損失圖Fig.2Sketch diagram of ridge loss

圖3 現(xiàn)場(chǎng)脊部損失圖Fig.3 Site image of ridge loss

3）三心拱進(jìn)路斷面，回采充填結(jié)束后，相鄰的進(jìn)路間脊部會(huì)存在部分礦體無法采出，永久損失在地下。整條進(jìn)路回采結(jié)束后，打斜上向炮孔對(duì)脊部礦體作最終處理，清理完畢后進(jìn)行接頂充填。

4）在實(shí)際生產(chǎn)過程中，各個(gè)進(jìn)路采充銜接不連續(xù)，出現(xiàn)待充填進(jìn)路過于集中或過于分散的現(xiàn)象，嚴(yán)重制約礦山持續(xù)生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理人員要完善采掘計(jì)劃，加強(qiáng)組織管理，優(yōu)化各個(gè)采場(chǎng)的采充順序。

5 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

機(jī)械化上向進(jìn)路采礦在該礦得到全面推廣使用，取得巨大成功，實(shí)現(xiàn)了水體下極軟破礦體的安全高效開采，經(jīng)濟(jì)效果顯著。經(jīng)過生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)得出其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，見表3。

表3 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Table 3 Main technical and economical indicators

6 結(jié)論

1）某鐵礦位于季節(jié)性河床下，礦巖極為軟破，自承能力低，開采難度大。采用機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法采礦可以有效控制巖層移動(dòng)和地表沉降，有效保護(hù)地表河流和村莊。

2）機(jī)械化程度的提高，特別是無軌設(shè)備的使用可以增加作業(yè)的機(jī)動(dòng)靈活性，生產(chǎn)效率大大提升。進(jìn)路式采礦可以減小采場(chǎng)頂板暴露面積，大大提高軟弱破碎礦體的開采安全性。采場(chǎng)生產(chǎn)能力150t/d，回收率90%，貧化率8%，實(shí)現(xiàn)了極軟破高品位礦體的安全高效開采，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3）采用高強(qiáng)度分級(jí)尾砂膠結(jié)充填，膠固粉作為膠結(jié)劑，灰砂比1︰8，料漿濃度65%～70%，充填體強(qiáng)度2.0～2.5MPa，能夠滿足上向進(jìn)路采礦的強(qiáng)度要求。

4）機(jī)械化上向進(jìn)路充填采礦法為全礦的主導(dǎo)采礦方法，但在充填接頂、出礦連續(xù)貧化、脊部損失、采充順序等細(xì)節(jié)上有待改進(jìn)。

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Application of upward drift mining with backfilling in exploiting of soft and crack underwater orebody

WANG Li，LIANG Xinmin，XIE Jingpeng，ZHANG Yongda
（School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

The exploitation of mineral resources turns to complex orebody gradually.The deposit’s occurrence condition is complicated and it is hard to exploit.An iron mine is under a seasonal river and the deposit is crack.In order to control the surface subsidence，mechanization upward drift mining is used.The mining technology is introduced and the improvement plan is brought out in details.Processing practice indicates that this method is safe，efficient with low dilution and loss.The safe and efficient exploitation is realized in soft and crack underwater orebody，which has certain reference meaning for similar mines.

“under－three－objects”orebody；soft and crack orebody；upward drift mining；cemented filling

TD853.34＋.3

Α

1671－4172（2015）05－0010－04

王莉（1987－），男，碩士研究生，礦業(yè)工程專業(yè)，主要從事金屬礦山采礦工藝研究。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.003