高階段深孔崩礦嗣后充填采礦方法應(yīng)用研究

解迎祥，王 青，國(guó) 峰，周建南，江 寧

(1.金建工程設(shè)計(jì)有限公司， 山東 煙臺(tái)市 264000；2.安徽金安礦業(yè)有限公司， 安徽 霍邱縣 237400)

高階段深孔崩礦嗣后充填采礦方法應(yīng)用研究

解迎祥1，王 青1，國(guó) 峰1，周建南2，江 寧2

(1.金建工程設(shè)計(jì)有限公司， 山東 煙臺(tái)市 264000；2.安徽金安礦業(yè)有限公司， 安徽 霍邱縣 237400)

草樓鐵礦急傾斜厚大礦體開采過(guò)程中，損失、貧化率較高，且安全性較差。為此，根據(jù)礦山工程現(xiàn)狀及技術(shù)條件，創(chuàng)新性地提出了“聯(lián)合鑿巖、集中出礦”的高階段深孔崩礦嗣后充填采礦方法，各中段設(shè)鑿巖硐室利用潛孔鉆機(jī)進(jìn)行深孔鑿巖，雙中段共用塹溝平底結(jié)構(gòu)進(jìn)行鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)路出礦，采空區(qū)嗣后全尾砂膠結(jié)充填。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，高階段深孔崩礦嗣后充填采礦方法機(jī)械化程度高、采場(chǎng)生產(chǎn)能力大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，并節(jié)省上部中段原有底部結(jié)構(gòu)工程量，同時(shí)兼顧各中段頂柱回收，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

礦柱回采；深孔崩礦；聯(lián)合開采；嗣后充填

隨著資源局面的日趨緊張、環(huán)保政策的逐步完善以及充填工藝與材料的不斷發(fā)展，為最大限度地保證井下安全生產(chǎn)環(huán)境、維持地表生態(tài)平衡、避免礦區(qū)沉陷災(zāi)害發(fā)生，越來(lái)越多的礦山企業(yè)逐漸開始重視保護(hù)性采礦方法的試驗(yàn)與應(yīng)用，尤其是急傾斜厚大礦體“三下”安全高效回采技術(shù)的實(shí)踐。由于此類礦體通常賦存范圍廣，整體厚度大，回采勢(shì)必造成井下采空區(qū)范圍及尾礦處理壓力不斷增大，如不及時(shí)妥善處理，極易引發(fā)空區(qū)上覆巖層冒落(甚至地表沉陷)、尾礦庫(kù)庫(kù)容日趨緊張，同時(shí)二步驟礦柱開采過(guò)程中多數(shù)采切工程需布置于充填體中，巷道圍巖穩(wěn)固性差，后期維護(hù)難度大，損失、貧化率較高，并嚴(yán)重影響下部中段生產(chǎn)接續(xù)，給礦山正常生產(chǎn)帶來(lái)重大的安全隱患和效益損失。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以安徽金安礦業(yè)有限公司草樓鐵礦主井采區(qū)為工程背景，開展工業(yè)性試驗(yàn)，針對(duì)急傾斜厚大礦體采場(chǎng)合理布置、工藝參數(shù)優(yōu)化及設(shè)備配套進(jìn)行較為系統(tǒng)地研究，以期為實(shí)現(xiàn)類似礦體的安全高效回采提供一定的理論依據(jù)與技術(shù)參考。

1 工程概況

安徽金安礦業(yè)有限公司草樓鐵礦于2007年投產(chǎn)，目前采選生產(chǎn)能力為礦石300萬(wàn)t/a，工作制度為330 d/a，3班/d，8 h/班，礦區(qū)共分為3個(gè)采區(qū)，其中主井采區(qū)位于8～19線間，采用下向大直徑深孔空?qǐng)?VCR)嗣后充填采礦法，無(wú)軌出礦、有軌運(yùn)輸，采區(qū)生產(chǎn)能力為礦石200萬(wàn)t/a；南采區(qū)位于8～24線間，采用淺孔留礦采礦法，平底結(jié)構(gòu)，裝載機(jī)配合自卸卡車出礦，采區(qū)生產(chǎn)能力為礦石30萬(wàn)t/a；北采區(qū)位于19～23線間，采用階段礦房采礦法，平底結(jié)構(gòu)，裝載機(jī)配自卸卡車出礦，采區(qū)生產(chǎn)能力為礦石70萬(wàn)t/a。

1.1 主井采區(qū)礦體水文地質(zhì)條件

29#礦房以南，0線以北，礦體厚大，礦體呈似層狀或透鏡狀，產(chǎn)狀與圍巖一致，傾角約50°。礦體在0～7線分枝復(fù)合頻繁，主礦體厚約60～100 m。在主礦體上盤約8 m處有I礦體，分布于3～7線，7線處最厚，在-250 m標(biāo)高約14 m，3線處較薄。礦石品位約30%。

工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。礦體頂、底板巖石主要為黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖。礦巖質(zhì)量中等，巖體局部軟弱破碎，穩(wěn)固性差。

水文地質(zhì)簡(jiǎn)單，地下涌水小。但在礦體上部依次有風(fēng)化層、第四系表土(局部有流沙層)，因此要保護(hù)礦體上部的隔水層，控制導(dǎo)水裂隙。

1.2 主井采區(qū)礦塊回采現(xiàn)狀

主井采區(qū)目前開采對(duì)象為-170～-230 m中段間的礦體，礦塊垂直礦體走向布置，礦塊分礦房和礦柱，采用大直徑深孔空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法進(jìn)行二步驟回采，底部結(jié)構(gòu)為平底塹溝，鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)路出礦?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，出礦巷道及部分出礦進(jìn)路均位于礦房充填體內(nèi)，由于充填體強(qiáng)度較巖體強(qiáng)度差異較大，加之爆破震動(dòng)影響，巷道片幫、垮塌現(xiàn)象嚴(yán)重，維護(hù)成本及勞動(dòng)強(qiáng)度均明顯增加，與此同時(shí)，若-230～-290 m中段礦體回采繼續(xù)采用原采礦方法時(shí)需增加無(wú)軌出礦水平及鑿巖水平工程，有軌運(yùn)輸水平頂柱和無(wú)軌出礦水平底部結(jié)構(gòu)三角礦柱約占相應(yīng)中段礦量的1/3左右，且該部分礦量回收困難，仍存在上述礦柱回采問(wèn)題。因此，需改進(jìn)現(xiàn)用階段深孔崩礦嗣后充填采礦法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)，以解決礦柱回采存在的困難。

2 試驗(yàn)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)草樓鐵礦的開采技術(shù)條件和工程現(xiàn)狀，該礦段地表為村莊和農(nóng)田，地表不允許塌陷；礦體上部為破碎風(fēng)化帶，透水能力強(qiáng)，應(yīng)避免其破壞和塌陷，因此仍采用充填采礦法進(jìn)行回采。結(jié)合礦體開采現(xiàn)狀及深部開拓工程布置，為滿足下部中段正常接續(xù)、確保礦柱回采安全性，同時(shí)節(jié)省采切工程量、提高礦石回采率，將-170～-230 m中段礦柱與-230～-290 m中段、-290～-350 m中段以及-350～-410 m中段礦體作為整體考慮，創(chuàng)新性地提出了“上行開采、聯(lián)合鑿巖、集中出礦”的高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法。

2.1 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法回采-290～-410 m中段，采用雙中段合并回采，即在-410 m中段布置有軌運(yùn)輸工程，-395 m水平布置無(wú)軌出礦底部結(jié)構(gòu)，分別在-350 m和-290 m水平布置鑿巖硐室，兩中段礦塊劃分完全對(duì)應(yīng)，共用出礦底部結(jié)構(gòu)，見圖1。礦塊垂直走向布置，階段高為120 m，長(zhǎng)為礦體厚度，寬為36 m，礦房、礦柱長(zhǎng)均為礦體厚度，寬均為18 m，底柱高為15 m?；夭煞謨刹襟E進(jìn)行，第一步回采礦房，第二步回采礦柱。鑿巖硐室內(nèi)鉆鑿下向深孔，孔間距2.8 m，排距3.0 m，鉆孔直徑Φ165 mm，孔深60 m或45 m。炸藥為普通乳化炸藥，采用人工間隔裝藥，孔間、排間微差爆破，VCR法切槽，擠壓爆破側(cè)向崩礦。爆下的礦石集中在采場(chǎng)底部出礦，礦石卸至采區(qū)溜井經(jīng)-410 m水平裝礦車運(yùn)出。待采場(chǎng)礦石出完后，集中充填，充填采用全尾砂膠結(jié)充填，利用重力，經(jīng)管道自流輸送到采空區(qū)，分次充填，分區(qū)接頂，待相鄰礦房回采完成并充填固結(jié)后(養(yǎng)護(hù)28 d)，采用與礦房回采相同的方式回收礦柱，其采空區(qū)則根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖穩(wěn)固情況采用低灰砂比尾砂膠結(jié)或全尾砂非膠結(jié)充填。

圖1 高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法

高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法與階段深孔崩礦嗣后充填采礦法相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：

(1) 減少一個(gè)中段底部結(jié)構(gòu)及部分井巷工程量，節(jié)省部分采準(zhǔn)時(shí)間，同時(shí)回收相應(yīng)采場(chǎng)頂柱、底部三角礦柱損失礦量，礦石回采率有所提高；

(2) 礦塊內(nèi)礦房、礦柱寬度均調(diào)整為18 m，單側(cè)出礦，采場(chǎng)底部結(jié)構(gòu)始終布置于未擾動(dòng)礦體內(nèi)，增加了礦柱回采的安全性，降低了采礦損失率和礦石貧化率，但是礦柱回采時(shí)揭露兩側(cè)充填體高度約為105 m(兩個(gè)中段高度之和扣除底柱高度15 m)，故礦房充填體強(qiáng)度要求更高，充填成本亦隨之增加，此外，礦體傾角緩部下盤殘留礦石較多，不利于放礦。

2.2 中段回采順序

由于-230 m中段礦柱因巷道穩(wěn)定性較差導(dǎo)致回采尚未進(jìn)行，考慮到該中段礦塊與-230 m中段礦塊布置界線完全一致，因此，-290～-410 m中段對(duì)應(yīng)礦塊回采完成并充填固結(jié)后，方可進(jìn)行-230 m、-290 m中段礦柱回采工作。該部分礦柱亦采用高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法進(jìn)行雙中段聯(lián)合開采，其中-170 m、-230 m為鑿巖水平，-290 m為出礦水平，爆下的礦石集中卸至-410 m水平裝礦車運(yùn)出，回采結(jié)束后進(jìn)行一次充填，空區(qū)下部60 m采用全尾砂膠結(jié)充填，上部60 m采用低標(biāo)號(hào)尾砂膠結(jié)充填。待上述回采及充填工作均完成后，-290 m中段礦房圍巖均為充填體，結(jié)合其自身力學(xué)性質(zhì)及承載能力，可供選擇的回采方法有階段深孔崩礦嗣后充填采礦法、分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法和上向水平分層充填采礦法。階段深孔崩礦嗣后充填采礦法：在-290 m中段礦柱充填體內(nèi)施工出礦巷道，在-245m水平施工礦房鑿巖硐室，將該水平以上15 m留作礦房頂柱，在鑿巖硐室內(nèi)鉆鑿下向深孔。分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法：將礦房頂部8 m留為頂柱，以下設(shè)-251，-264，-277 m和-290 m共4個(gè)分段，分段高13 m。在礦體下盤布置分段聯(lián)絡(luò)巷，采用中深孔鉆機(jī)分段鑿巖，分段或階段一次爆破，在采場(chǎng)下部出礦，出礦底部結(jié)構(gòu)同階段深孔崩礦嗣后充填采礦法。采場(chǎng)回采結(jié)束后，全階段一次充填。上向水平分層充填采礦法：階段高度60 m，頂柱高4 m，按15 m高度分成4個(gè)分段，長(zhǎng)為礦體厚度，寬15 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

草樓鐵礦主井采區(qū)于2011年1月開展高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法試驗(yàn)及應(yīng)用研究工作，期間針對(duì)-395 m水平每日出礦量及鏟運(yùn)機(jī)工作效率進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，日出礦量觀測(cè)曲線如圖2所示。

由圖2可知，現(xiàn)場(chǎng)采用高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法進(jìn)行雙中段聯(lián)合開采(-290～-410 m)期間，中段實(shí)際生產(chǎn)能力為7135.6 t/d，鏟運(yùn)機(jī)臺(tái)班效率為469.24 t/臺(tái)·班，潛孔鉆機(jī)平均臺(tái)班效率為38.02 m/臺(tái)·班，采礦人員勞動(dòng)生產(chǎn)率為4424.27 t/人。結(jié)合上述觀測(cè)結(jié)果可以看出試驗(yàn)方案能夠很好地滿足礦區(qū)生產(chǎn)規(guī)模要求。

圖2 主井采區(qū)日出礦量觀測(cè)曲線

由表1可知，草樓鐵礦應(yīng)用高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法期間，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，較好地保證了礦產(chǎn)資源的安全、高效回收。

表1 主井采區(qū)采場(chǎng)技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié) 論

(1) 為保證礦井開采初期二步驟礦柱的安全高效回收，將-170～-230 m中段間礦柱與-230～-290 m中段、-290～-350 m中段以及-350～-410 m中段礦體作為整體考慮，創(chuàng)新性地提出了“上行開采、聯(lián)合鑿巖、集中出礦”的高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法。

(2) 為降低礦塊二步驟回采過(guò)程中爆破震動(dòng)對(duì)出礦巷道穩(wěn)定性的不利影響，結(jié)合礦體賦存情況及礦井開采現(xiàn)狀，對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，調(diào)整礦塊寬度為36 m，其中礦房、礦柱各18 m。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法提高采場(chǎng)機(jī)械化水平及采場(chǎng)生產(chǎn)能力的同時(shí)，有效節(jié)省井巷工程量、減少礦量損失以及降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；采用聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)方案巷道圍巖控制效果良好，滿足井下安全生產(chǎn)的要求，其經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益顯著。

綜上所述，高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法在草樓鐵礦的成功應(yīng)用，積累了厚大急傾斜礦體安全高效回采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，豐富了充填采礦法優(yōu)化改進(jìn)方面的研究成果，并對(duì)同類條件下的地下工程問(wèn)題具有一定的理論指導(dǎo)與實(shí)踐參考作用。

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2017-03-06)

解迎祥(1970-)，男，山東濰坊人，工程師，主要從事采礦專業(yè)技術(shù)工作，Email：963xyx369@163.com。