無底柱分段空場采礦法在馬坑礦區(qū)應(yīng)用探討

楊潮進(jìn)

（廈門鎢業(yè)，江西都昌金鼎鎢鉬礦業(yè)有限公司，江西 九江 332000）

傾斜、中厚脈狀礦體在上部短時間內(nèi)無條件形成陷落區(qū)的情況下如何采用中深孔回采？值得采礦技術(shù)人員的思考與研究。結(jié)合在馬坑礦區(qū)中礦段西區(qū)+360～+420m14#礦塊的回采設(shè)計以及現(xiàn)場的技術(shù)管理、指導(dǎo)經(jīng)驗，對傾斜、中厚脈狀礦體在上部短時間內(nèi)無條件塌陷時所設(shè)計采用的無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區(qū)采礦法進(jìn)行分析探討。

1 馬坑礦床特點

1.1 馬坑礦床特點

福建馬坑鐵礦礦體為大型隱伏磁鐵礦體，礦體賦存于南靖群砂巖和棲霞組灰?guī)r的假整合面上，呈似層狀產(chǎn)出。礦體總體走向NE，傾向NW，傾角20°～50°。由于受成礦后斷裂的影響，礦體被切割成多段，各段礦體產(chǎn)狀、賦存狀態(tài)變化較大。礦體頂板巖石主要為大理巖，次為矽卡巖，底板巖石主要為砂巖，次為矽卡巖，夾石主要為矽卡巖、砂巖、角巖，脈石礦物以石榴石、透輝石為主，次為鈣鐵輝石、符山石、石英、角閃石，均屬堅硬巖石。礦石主要為他形晶粒狀結(jié)構(gòu)，礦石構(gòu)造以浸染狀和塊狀為主。

礦區(qū)分一、二期開采。一期開采范圍的中礦段主礦體走向長約1600m，延深620m～1080m，平均870m，礦體最大厚度101.72m，平均21.76m，埋藏深度40m～700m。

1.2 中礦段西區(qū)14#礦塊的地質(zhì)情況

14#礦塊位于中礦段79～80勘探線之間，礦體下伏地層為林地組石英砂巖，上伏地層為船山—棲霞灰?guī)r，礦體頂?shù)装寰植繛槲◣r。礦體走向近東西，傾向正北向，傾角30°～50°，出露最高標(biāo)高在+430m水平，最低在0m水平，頂?shù)装彘g水平距離約30m，走向長約130m。

該礦塊東北側(cè)緊鄰F10斷層。F10斷層為張扭性質(zhì)正斷層，東側(cè)向南移動，西側(cè)向北移動，斷層向北東傾斜，斷層傾角為70°～80°，斷距從南東向北西由20m變化到60m左右。斷層破碎帶較寬，在+420m水平揭露到的F10斷層，其破碎帶影響范圍近100m左右，向下延伸其破碎帶開始收縮，在+300m水平揭露的F10斷層，其破碎帶只剩20多米厚。斷層角礫有矽卡巖、輝綠巖、磁鐵礦和大理巖塊，有大量方解石脈出現(xiàn)，同時見到后期磁鐵礦、赤鐵礦脈穿插。

在礦塊內(nèi)部及周邊構(gòu)造發(fā)育，頂板圍巖接觸處局部伴有巖溶，淋滴水現(xiàn)象在礦體西側(cè)端部較普遍，巖石穩(wěn)固性差。

斷層切割了棲霞灰?guī)r、礦體及林地組砂巖，斷層兩側(cè)巖石破碎、巖溶發(fā)育，在地表沿斷裂帶有4號泉溢出。由于斷裂帶兩側(cè)均有可溶巖，特別是其上盤受力較大，巖石破碎，沿斷裂帶兩側(cè)巖溶發(fā)育，導(dǎo)水性較強(qiáng)。受F10斷層形成時的地質(zhì)應(yīng)力影響，林地組砂巖中構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，存在F10斷層形成時的伴生小型斷裂帶切割礦體，且礦體上伏灰?guī)r巖溶發(fā)育（在+300m水平巷道F10斷層附近施工時遇到溶洞，初始最大水量超過300m3/h），因為裂隙、破碎帶聯(lián)通礦體上伏巖溶，以及F10斷層自身聯(lián)通地表導(dǎo)水，中礦段西區(qū)14#礦塊所處區(qū)域水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

2 采礦方法的選擇

馬坑礦區(qū)前期井下采礦方法采用的是淺孔落礦的全面留礦采礦法。而采用留礦全面采礦法存在：①因井下出礦量大，要求同時回采的礦房數(shù)量多，管理工作繁雜、難度大；②殘留的礦柱量大、回收困難；③作業(yè)人員在空場暴露面下作業(yè)，不安全系數(shù)增多等因素。加之經(jīng)多年的回采，井下空區(qū)體積不斷的猛增，加劇了坑內(nèi)回采安全的不可控制性。為了解決井下采礦的安全，便于從淺孔落礦向中深孔落礦轉(zhuǎn)變的有序銜接，結(jié)合現(xiàn)有井下回采的技術(shù)條件、馬坑礦區(qū)礦床的特點、中礦段西區(qū)14#礦塊的地質(zhì)情況以及地表短時間內(nèi)不允許塌陷的要求，根據(jù)各采礦方法的適用條件和優(yōu)缺點，經(jīng)過安全、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的綜合比較后，確定在中礦段西區(qū)+360～+420m14#礦塊采用無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區(qū)采礦法進(jìn)行回采，采礦方法如圖1所示。

圖1 無底柱分段空場采礦法

3 采礦工藝

3.1 階段高度、分段高度

中礦段西區(qū)14#礦塊礦體出露最高標(biāo)高在+430m左右，礦體的水平厚度30m左右，傾角30°～50°，走向長度約130m。馬坑中礦段東區(qū)（F10以東）前期延伸開拓情況，+420～+300m之間的礦體采用盲主、副斜井來開拓，階段高度設(shè)計為60m，開拓的中段有+360m中段和+300m中段。為了有效利用中礦段東區(qū)的提升、運輸系統(tǒng)，減少系統(tǒng)建設(shè)的投資以及基建時間，決定中礦段西區(qū)的開拓階段高度設(shè)計也采用60m，把東區(qū)的運輸系統(tǒng)延伸過來，西區(qū)的礦石通過階段運輸水平運輸?shù)轿挥跂|區(qū)的箕斗主井，通過箕斗把礦石提升到上水平轉(zhuǎn)運出地表至選廠處理。故中礦段西區(qū)的開拓也設(shè)計為+360m中段和+300m中段開拓。

本次探討的是中礦段西區(qū)+360～+420m14#礦塊的采礦方法，如前所述，采用的是無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區(qū)采礦法進(jìn)行回采。分段高度考慮到礦體的傾角、礦石貧化、出礦的影響以及保安礦柱的留設(shè)需要等因素設(shè)計為12m，設(shè)計分段為+396m分段、+384m分段、+372m分段和+360m分段，分段之間采用斜坡道進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，作為大型鏟裝設(shè)備、材料和行人的通道，斜坡道斷面規(guī)格采用3.0m×3.0m，坡度采用12°～18°。

3.2 采準(zhǔn)切割

14#礦塊礦體為中厚、傾斜脈狀鐵礦體，設(shè)計中采用沿走向布置礦房，礦房按連續(xù)礦房布置，鑿巖巷同時兼做出礦進(jìn)路，進(jìn)路間距設(shè)計12.5m，斷面設(shè)計為3.0m×3.0m。在脈外設(shè)計運輸巷，規(guī)格為3.0m×3.0m，運輸巷距礦體底板以12m～15m為宜。在脈外運輸巷內(nèi)每隔50 m設(shè)計一條礦石溜井兼廢石溜井，規(guī)格為￠2.5m。同時在下盤運輸巷靠新鮮風(fēng)源一端布設(shè)一條進(jìn)風(fēng)井，在回風(fēng)側(cè)端布設(shè)一條回風(fēng)井，設(shè)計斷面規(guī)格為￠2.5m。

切割巷的布置要考慮礦石的損失及貧化情況，盡量布置在靠礦體上盤，根據(jù)鏟裝設(shè)備以及鑿巖設(shè)備的進(jìn)出方便、高度需求，切割巷的規(guī)格采用3.0m×3.0m。切割井布置在靠近進(jìn)風(fēng)井位置的第一條進(jìn)路與切割巷相交位置，規(guī)格采用2.0m×2.0m。

3.3 回采工作

（1）采用中深孔落礦。鑿巖巷采用垂直扇形中深孔布置，YGZ-90型鑿巖機(jī)鑿巖，排距1.5 m，孔底距1.8m～2.0m，孔徑為60㎜，邊孔角按45°礦石自然安息角設(shè)計，在+360m分段水平，是在覆蓋層下進(jìn)行爆破作業(yè)，邊孔角按70°進(jìn)行設(shè)計，前后排孔交錯布置。切割巷采用垂直中深孔布置，YGZ-90型鑿巖機(jī)鑿巖，排距1.2m，孔底距1.5m，孔徑60mm，每排設(shè)計3個炮孔。

（2）為了避免鑿巖出礦相互干擾，原則上整個分段一次打完回采炮孔，然后再分次爆破出礦，上分段出礦，下分段打回采炮孔，再下分段掘進(jìn)。若掘進(jìn)鑿巖超前有條件時，可采取2個分段同時爆破出礦，上下分段形成正臺階出礦形式。但是，+360m分段的爆破回采作業(yè)，必須等空區(qū)處理結(jié)束后再進(jìn)行，一是確?？諈^(qū)處理的作業(yè)安全，二是確保原有留在空場的礦石能可靠回收。

（3）采用多孔粒銨油炸藥、毫秒延期導(dǎo)爆管雷管進(jìn)行爆破作業(yè)。炮孔的裝藥系數(shù)一般按65%～70%進(jìn)行裝藥，每次崩下的礦石，只出到司機(jī)操作位置到達(dá)進(jìn)路的眉線部位為止，不進(jìn)入空區(qū)，以確保安全，剩下的礦石留到下分段或到形成覆蓋層以后回收。采用WJD-1.5型電動鏟運機(jī)出礦。

3.4 空區(qū)處理

無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區(qū)的采礦方法，在回采空間達(dá)到一定的范圍后，必需適時崩落頂板圍巖充填采空區(qū)，形成覆蓋層，防止空場大面積片幫冒頂?shù)臋C(jī)械沖擊以及空氣沖擊波的危害，同時在形成覆蓋層后的下分層能形成擠壓爆破，并確保原有留在空場的礦石能安全鏟出，不會造成礦石損失。

無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區(qū)的采礦方法，在進(jìn)行采準(zhǔn)設(shè)計的同時，必需考慮在合理分段的上盤圍巖中設(shè)計放頂工程，并在采準(zhǔn)工程施工的同時，對放頂工程進(jìn)行同時施工，不然在后期會影響放頂工程的施工安全。

3.4.1 上盤進(jìn)路垂直頂板扇形深孔

考慮到空區(qū)體積的大小以及礦石回采率要求等因素，中礦段西區(qū)+360～+420m14#礦塊的空區(qū)處理工程決定布置在+384m水平。在+384m水平底板運輸巷的一端，礦體的端部靠人行進(jìn)出通道側(cè)掘進(jìn)聯(lián)絡(luò)巷到達(dá)礦體的上盤圍巖，在上盤圍巖內(nèi)掘進(jìn)沿脈平巷，然后在沿脈平巷內(nèi)掘進(jìn)鑿巖進(jìn)路，與空區(qū)貫通，在鑿巖進(jìn)路中鉆鑿排面平行空區(qū)頂板的前傾和垂直扇形深孔。上述放頂工程的施工必須在+372m水平回采前施工完畢，確保施工作業(yè)安全。爆破以采空區(qū)為爆破自由面，先爆破平行空區(qū)頂板的前傾深孔，再爆破垂直扇形深孔。上盤沿脈的位置，是根據(jù)空區(qū)所需崩落圍巖量以及施工安全需要來確定的。崩落圍巖高度為+384～+408m水平，充填高度為+372～+396m水平，崩落圍巖量約9萬m3，充填量為5.4萬m3，形成墊層厚度約24 m。

3.4.2 鑿巖爆破參數(shù)

鑿巖爆破參數(shù)及主要技術(shù)指標(biāo)：孔徑，100mm；孔底距，5.0m；排間距，4.0m；裝藥密度，7.85kg/m；裝藥系數(shù)，0.75；炸藥單耗，0.85kg/m3。

3.4.3 鑿巖設(shè)備

鑿巖采用YQ100潛孔鉆機(jī)，其主要技術(shù)性能參數(shù)表1。

表1 鑿巖設(shè)備主要技術(shù)性能參數(shù)

4 無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區(qū)采礦法特點

無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區(qū)采礦法主要解決的是傾斜、中厚脈狀礦體在上部短時間內(nèi)無條件塌陷時如何采用中深孔進(jìn)行采礦作業(yè)，并如何進(jìn)行空區(qū)處理的問題。采用此種采礦方法作業(yè)總體分三步走：第一步首先是無底柱分段空場采礦，原理和無底柱分段崩落法差不多，最主要差別就是崩落法是在覆蓋巖下進(jìn)行爆破鏟裝作業(yè)，而空場法是在空場下進(jìn)行爆破鏟裝作業(yè)；第二步進(jìn)行空區(qū)處理，形成覆蓋層；第三步就是在形成的覆蓋層下進(jìn)行爆破鏟裝以及回收上部分段原有留在空場中的礦石。

5 應(yīng)用評價

無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區(qū)采礦法已成功應(yīng)用于馬坑鐵礦中礦段西區(qū)+360～+420m14#礦塊的回采。經(jīng)實踐證明，無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區(qū)的采礦工藝是安全、經(jīng)濟(jì)、可行的。本法兼有有底部結(jié)構(gòu)分段空場法和無底柱分段崩落法的一般優(yōu)點，從而克服了各自的缺點，是兩種采礦方法的聯(lián)合應(yīng)用。

（1）和有底部結(jié)構(gòu)分段空場法相比，其優(yōu)點為：①采場結(jié)構(gòu)簡單，沒有底部結(jié)構(gòu)，采切比小，一般在5m/kt～8m/kt；②二次破碎工作在進(jìn)路中進(jìn)行，較為安全方便；③回采進(jìn)路在掘進(jìn)過程中兼作探礦使用，能準(zhǔn)確控制本水平礦體邊界，提高了礦石的回采率和降低貧化率。而一般有底部結(jié)構(gòu)分段空場法，當(dāng)?shù)撞拷Y(jié)構(gòu)確定后，在掘進(jìn)各分段過程中發(fā)現(xiàn)礦體形態(tài)變化時，就很難采取措施彌補(bǔ)；④采用中深孔落礦、無軌設(shè)備出礦，改善了工人的作業(yè)條件和降低勞動強(qiáng)度，并提高了采場的生產(chǎn)能力。

（2）和無底柱分段崩落法相比，其優(yōu)點為：①每個崩礦步距都是崩向空場，在進(jìn)路中出礦，鏟出的基本是純礦石，而無底柱分段崩落法每次崩礦都與廢石接觸，并在覆蓋巖層下放礦，因而采用本法時的貧化大為減少；②由于是空場采礦，在運輸平巷、進(jìn)路、空場中可以形成貫穿風(fēng)流，新鮮風(fēng)從進(jìn)風(fēng)井以及措施斜坡道進(jìn)入，到分段運輸平巷、進(jìn)路、通過采場后污風(fēng)經(jīng)過上部回風(fēng)道排入回風(fēng)水平，大大改善了井下的采場通風(fēng)條件，改善了工人的作業(yè)環(huán)境，克服了無底柱分段崩落法在回采進(jìn)路端部作業(yè)時實際是在獨頭工作面作業(yè)的缺點；③生產(chǎn)管理簡單，無底柱分段崩落法是在覆蓋巖層下放礦，隨著放出礦石數(shù)量的增加，上部巖石逐漸混入礦石中，使貧化率提高，為了達(dá)到理想的礦石回收率和貧化率，必須嚴(yán)格控制出礦的終止品位，放礦管理較困難和復(fù)雜。而采用此法不必考慮采場的出礦品位，每次崩礦就出到司機(jī)位置到達(dá)眉線部位為止，再進(jìn)行下個步距的崩礦和出礦。

（3）采用無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區(qū)采礦法的缺點為：①采空區(qū)的崩落時間要求較嚴(yán)，安全管理要求較高。特別是幾個關(guān)鍵時間因素一定要把握好，第一就是空區(qū)處理的放頂工程設(shè)計必須和分段采切設(shè)計統(tǒng)籌考慮，一并設(shè)計；第二就是放頂工程的施工必須和同分段的采切工程一同施工，并且要在下分段開始回采之前施工結(jié)束；第三就是放頂工程的爆破作業(yè)必須在下分段回采結(jié)束后開始進(jìn)行；②本采礦方法的適用范圍較窄。適用于傾斜、中厚、礦巖較穩(wěn)固脈狀礦體的回采。

6 結(jié)語

無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區(qū)采礦法，具有采場結(jié)構(gòu)簡單、通風(fēng)條件好、作業(yè)安全、機(jī)械化程度高、勞動生產(chǎn)率高、礦石貧化小和管理方便等特點。是空場法與崩落法的有機(jī)結(jié)合使用，能較好地服務(wù)于傾斜、中厚、礦巖較穩(wěn)固脈狀礦體，并在短時間內(nèi)上部不允許塌陷的礦體回采。上述是筆者的設(shè)計心得與現(xiàn)場技術(shù)指導(dǎo)工作經(jīng)驗，僅供類似礦床采礦工作者借鑒與參考。