復(fù)雜開采條件下某鐵礦采礦方法優(yōu)化研究

袁 棟，徐 磊

(1.蕪湖太平礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖市 238002；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 前 言

某鐵礦于2007年正式開始基建，采用地下開采，計(jì)劃年開采能力為20萬(wàn)t/a。在勘探工程、井下基建作業(yè)及礦山生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)礦體內(nèi)外環(huán)境已發(fā)生一系列變化，開采難度較預(yù)想的要大，原初步設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)方案已難以完全滿足安全、高效開采的要求。且目前的開采實(shí)踐也表明了原有的采礦方法不能很好的適應(yīng)新的變化，出現(xiàn)了一系列不足。如平面礦體不連續(xù)，造成生產(chǎn)中難以形成規(guī)則采場(chǎng)，貧化率高，生產(chǎn)效率偏低；采礦暴露面積偏大，頂板管理較為困難，采場(chǎng)作業(yè)安全性較差；出礦工藝落后等不足。目前迫切需要對(duì)現(xiàn)有的工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，使之能使用開采條件的變化。

1 礦山水文、工程地質(zhì)及礦體特征

1.1 水文地質(zhì)條件

某鐵礦礦區(qū)地表全為第四系松散沖積物覆蓋，鉆露的地層主要為三迭系中統(tǒng)徐家山、黃馬青組。區(qū)內(nèi)第四系埋藏厚度大，富水性強(qiáng)；礦床埋藏較深，礦體及其頂板巖層富水性中～強(qiáng)，巷道直接進(jìn)水，水壓大；裂隙巖溶含水層與第四系含水層之間雖有厚度0～26 m弱透水巖層起到相對(duì)隔水作用，但在構(gòu)造裂隙、巖體接觸帶裂隙發(fā)育處或該層變薄尖滅處，往往是第四系強(qiáng)含水層與裂隙巖溶含水層溝通的有利通道，故未來(lái)巷道突水現(xiàn)象嚴(yán)重。

本礦床屬于頂板直接進(jìn)水，有穩(wěn)定的地下水補(bǔ)給來(lái)源，故其水文地質(zhì)條件屬于復(fù)雜類型。

1.2 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)上覆第四系厚50～70 m，主要為粘土，含粉砂粘土、泥質(zhì)粉砂、粉細(xì)砂及砂礫石層。上部常夾有薄層泥炭。礦床的部分礦體及頂、底板地層巖石破碎、松散，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，不良工程地質(zhì)問(wèn)題多。礦區(qū)內(nèi)主要礦體埋藏在50～188 m之間，礦體圍巖多為大理巖類、方解石巖類、閃長(zhǎng)巖類，部分為角巖類、少量角礫巖及安山玢巖。頂?shù)装鍘r石大部分半堅(jiān)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，含水性強(qiáng)，加之地下水壓力大等綜合因素的作用，故其工程地質(zhì)條件穩(wěn)定性差，危害性突出。

本礦床工程地質(zhì)條件屬于復(fù)雜類型。

1.3 礦體特征

礦床由9個(gè)鐵礦體組成，編號(hào)為I～I(xiàn)X。礦體埋深一般在50～188 m。礦體主要呈似層狀、透鏡狀，其形態(tài)、規(guī)模受圍巖地層及接觸帶控制。礦體產(chǎn)狀一般較平緩，略向南東傾斜，傾角一般在5°左右；Ⅳ號(hào)礦體傾角稍大，一般在5°～20°。

區(qū)內(nèi)礦體規(guī)模一般較小，其走向、傾向延伸均在100 m左右，厚度2.23～9.27 m不等；礦體產(chǎn)出標(biāo)高-45～-144 m；Ⅳ號(hào)礦體規(guī)模較大，礦體走向延伸約500 m，傾向延伸約300 m，工程見礦厚度2.10～25.02 m，礦體厚度變化中等，其變化系數(shù)為60%。礦體產(chǎn)出標(biāo)高-67～-180 m。

2 礦山開采現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

2.1 原采礦方法簡(jiǎn)介

礦山為地下開采，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(jì)中選用上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法。

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。首采中段為-185 m中段。首采地段為-185 m中段礦體最西側(cè)的礦塊。礦塊沿礦體走向布置。礦塊寬度一般為6～8 m，礦塊長(zhǎng)度取50 m。礦塊垂高為中段高度50 m，間柱6 m，底柱高為5 m，不留頂柱。

目前，礦山開采大體可為3個(gè)水平，分別為-130，-150，-179 m。-130 m水平為回風(fēng)水平，-150 m水平正在回采，-179 m水平為運(yùn)輸水平。沿礦體走向自西向東依次劃分為0采區(qū)、1采區(qū)、新2采區(qū)、3采區(qū)。目前，0#、1#采區(qū)在進(jìn)行回采。1采區(qū)北側(cè)采場(chǎng)基本已經(jīng)回采完畢，部分轉(zhuǎn)層巷道已經(jīng)連通到-136 m水平。南側(cè)采場(chǎng)-150 m以上礦體較少，大體分布在-157～-150 m區(qū)間。

2.2 存在問(wèn)題

隨著某鐵礦生產(chǎn)勘探、井下基建及采礦過(guò)程對(duì)礦體的進(jìn)一步揭露，礦體形態(tài)及賦存方式發(fā)生了變化，由于這些變化，原有的采礦方法存在如下問(wèn)題。

(1) 出礦方式為電耙出礦，電耙出礦耗能高，安全性相對(duì)較差。

(2) 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(chǎng)，且廢石較多，貧化率較大。

(3) -157 m以下幾乎無(wú)礦體賦存，繼續(xù)將-185 m中段作為首采中段已不合理，首采水平須進(jìn)行調(diào)整。

(4) 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(duì)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。

(5) 前期采準(zhǔn)施工時(shí)對(duì)礦體出現(xiàn)的變化情況掌握不夠徹底，部分巷道布置位置不夠理想，導(dǎo)致設(shè)備轉(zhuǎn)層系統(tǒng)不合理，鏟運(yùn)機(jī)上下分層乃至同分層之間都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)運(yùn)困難的現(xiàn)象。同分層為方便鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)出，往往施工聯(lián)絡(luò)道，造成礦柱破壞嚴(yán)重，不僅會(huì)影響第二步的礦柱回采作業(yè)，也對(duì)礦房的回采帶來(lái)了不良影響。而上下分層之間往往通過(guò)就近施工上山巷道完成，不僅影響到整個(gè)采準(zhǔn)系統(tǒng)的整體布局，也由于部分上山巷道布置在脈內(nèi)，影響了礦體的回采。

(6) 采礦暴露面積偏大，頂板管理較為困難，采場(chǎng)作業(yè)安全性較差。由于前期施工的聯(lián)絡(luò)道對(duì)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。

(7) 采場(chǎng)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(shí)斷時(shí)續(xù)的狀態(tài)。轉(zhuǎn)層巷道的復(fù)雜性，不僅使整個(gè)區(qū)域難以統(tǒng)一使用，降低了效率，也使部分礦房回采不規(guī)則，生產(chǎn)不順暢。由于前期對(duì)礦柱的破壞，第二步礦柱回采也難以順利展開，造成采礦效率較為低下，產(chǎn)能難以提升等不足。

3 采礦方法優(yōu)化

3.1 優(yōu)化原則

由于某鐵礦為水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦山。地表第四系覆蓋層厚度較大，且其中有含水層，地表有村莊和道路，不允許塌落，要實(shí)現(xiàn)礦山的安全開采，必須切實(shí)對(duì)第四系覆蓋層實(shí)行保護(hù)，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(shí)可行的采礦方法。經(jīng)過(guò)綜合考慮，為充分利用現(xiàn)有開采格局，仍采用上向分層充填法進(jìn)行回采。即在主體工藝大體不變的情況下，對(duì)具體的采準(zhǔn)巷道的布置形式及位置進(jìn)行細(xì)節(jié)上的調(diào)整與優(yōu)化。工藝布置時(shí)，劃分盤區(qū)進(jìn)行回采，即為盤區(qū)上向分層尾砂膠結(jié)充填法。針對(duì)礦體復(fù)雜多變的形態(tài)，有針對(duì)性的選擇盤區(qū)進(jìn)路式或是盤區(qū)點(diǎn)柱式完成回采。出礦方式由電耙出礦改為更環(huán)保節(jié)能，更安全的鏟運(yùn)機(jī)出礦。

3.2 優(yōu)化范圍

采礦方法優(yōu)化范圍為某鐵礦-135 m分層以下的礦體。本階段具體針對(duì)0#～4#采場(chǎng)。

3.3 采礦方法的選擇及優(yōu)化

根據(jù)礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀及現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，經(jīng)前期反復(fù)研究對(duì)比，對(duì)原有的上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，改為盤區(qū)式布置，即為盤區(qū)上向分層尾砂膠結(jié)充填法。

進(jìn)路采場(chǎng)既可沿著走向布置，也可垂直走向布置，進(jìn)路寬度可取3～10 m左右，一般每12～15 m劃分一個(gè)分段，每個(gè)分段劃分為3個(gè)分層，分層高度一般取3～4 m?？紤]到井下部分區(qū)域已經(jīng)形成了7 m高為一分段的生產(chǎn)格局，提出了3種采準(zhǔn)巷道布置方案。

(1) 分段高度(即分層)直接取7 m，無(wú)需多個(gè)分層劃分為一個(gè)分段，采場(chǎng)斜坡道及溜礦井可直接服務(wù)于-136，-143，-150，-157 m各個(gè)分段(分層)。該方案需要巖性條件允許分層高度取較大值。

(2) 在分段高度僅為7 m的條件下，將7 m劃分為2個(gè)分層。分層高度3～4 m，在此條件下，采用進(jìn)路斜坡道來(lái)連接分層聯(lián)絡(luò)巷與進(jìn)路并不合適，工程量大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可通過(guò)掘進(jìn)多個(gè)溜井，每7 m交替開口，保證每個(gè)分層均有溜井服務(wù)即可。鏟運(yùn)機(jī)直接通過(guò)各個(gè)分層聯(lián)絡(luò)巷與進(jìn)路采場(chǎng)和脈外采場(chǎng)斜坡道連通。

(3) 高(單)分層多步驟回采，即將7 m直接作為分層高度，但由于巖性條件不支持7 m的回采高度，可實(shí)施單分層多步驟回采，每次回采2～3 m，然后以充填料鋪設(shè)進(jìn)路斜坡道供鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)入上個(gè)回采作業(yè)面。出礦及鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)層措施與方案1類似，采場(chǎng)斜坡道及溜礦井直接服務(wù)各個(gè)分層。

方案1需要巖性條件相對(duì)較好，能支持7 m的回采高度。在巖性條件不允許的情況下，可采用方案2與方案3。這2種方案比較而言，方案2每7 m須劃分2個(gè)分層，相比于方案3，每7 m就多了一個(gè)水平分層聯(lián)絡(luò)巷直接連通各個(gè)進(jìn)路采場(chǎng)與脈外采場(chǎng)斜坡，也須多增加一個(gè)溜井實(shí)現(xiàn)各個(gè)分層交替開口。方案3將7 m劃分為1個(gè)分層，通過(guò)采用多步驟回采來(lái)避免回采高度過(guò)高的問(wèn)題。但需在各個(gè)進(jìn)路中通過(guò)充填體鋪設(shè)小的進(jìn)路斜坡道以進(jìn)入上個(gè)回采空間，相對(duì)于方案2，工藝過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

3種方案的工藝布置形式基本相同，僅僅是分層高度、數(shù)量的區(qū)別帶來(lái)的采準(zhǔn)巷道工程量及位置的變化。為盡可能使標(biāo)準(zhǔn)工藝圖體現(xiàn)本次優(yōu)化設(shè)計(jì)意圖，也使工藝的標(biāo)準(zhǔn)性與現(xiàn)場(chǎng)適配性盡可能的統(tǒng)一。采用方案2每分段劃分2分層來(lái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)工藝說(shuō)明。實(shí)際生產(chǎn)中，可根據(jù)礦體的形態(tài)及現(xiàn)有工程的分布情況有針對(duì)性的進(jìn)行采準(zhǔn)工藝調(diào)整與布置。

(1) 礦塊布置及構(gòu)成要素。礦塊沿走向布置，平均厚100 m，階段高27 m，每50 m劃分一個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)間柱為8 m，盤區(qū)采場(chǎng)長(zhǎng)42 m。回采進(jìn)路沿著礦體走向布置，進(jìn)路寬度3～7 m，分層高度4～7 m，具體的采場(chǎng)參數(shù)須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況予以調(diào)整。采切工程包括聯(lián)絡(luò)平巷、運(yùn)輸平巷、分層巷道，回風(fēng)天井、溜礦井、斜坡道、進(jìn)風(fēng)井等，其中回風(fēng)井、進(jìn)風(fēng)井、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之內(nèi)。鏟運(yùn)機(jī)通過(guò)斜坡道進(jìn)入各個(gè)分層穿脈巷，溜礦井直接服務(wù)每個(gè)分層。

(2) 回采工藝。將回采進(jìn)路劃分為礦房礦柱，先回采礦房進(jìn)路，待兩側(cè)礦房進(jìn)路回采完畢進(jìn)行充填后，進(jìn)入礦柱進(jìn)路回采，即整個(gè)回采過(guò)程遵循“隔一采一，充填與回采交替進(jìn)行”的生產(chǎn)原則?；夭汕埃韧ㄟ^(guò)進(jìn)路貫通前后2個(gè)盤區(qū)穿脈聯(lián)絡(luò)巷，形成完整的通風(fēng)回路后進(jìn)行采礦。鑿巖采用鑿巖臺(tái)車或鑿巖機(jī)鑿巖，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。

(3) 采場(chǎng)運(yùn)輸。使用2個(gè)以上溜井每7 m交替在各個(gè)分層開口，保證每個(gè)分層均有溜井服務(wù)。礦石采用鏟運(yùn)機(jī)出礦，通過(guò)盤區(qū)溜井溜至運(yùn)輸水平，經(jīng)電機(jī)車運(yùn)輸至主井提升至地表。

(4) 采場(chǎng)通風(fēng)。在盤區(qū)穿脈聯(lián)絡(luò)巷一端掘進(jìn)一條進(jìn)風(fēng)井，在盤區(qū)另外一端掘進(jìn)回風(fēng)井，新鮮風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)井進(jìn)入各個(gè)進(jìn)路采場(chǎng)，清洗工作面后，通過(guò)下個(gè)盤區(qū)聯(lián)絡(luò)巷中的回風(fēng)井進(jìn)入回風(fēng)水平完成通風(fēng)。

(5) 采場(chǎng)充填。充填時(shí)先用尾砂充填2.5～3.5 m，再用1∶4或1∶6的膠結(jié)充填料澆面0.5 m，養(yǎng)護(hù)好后即可轉(zhuǎn)入上一分層的回采。

采切工程量表見表1。

表1 采切工程量

3.4 優(yōu)化前后對(duì)比

表2為采礦方法優(yōu)化前后對(duì)比簡(jiǎn)表，從表2中可知，優(yōu)化前后均采用分層充填法，通過(guò)充填手段來(lái)處理井下空區(qū)和管理地壓。不同的是優(yōu)化前留有間柱和底柱及出礦底部結(jié)構(gòu)，采用電耙出礦。優(yōu)化后，僅保留間柱，不留底柱，采用鏟運(yùn)機(jī)出礦，提高了資源利用率。從具體的指標(biāo)來(lái)看，優(yōu)化前后萬(wàn)噸采切比差別不大，均在135 m/萬(wàn)t左右，即兩者的采掘成本基本一樣。但優(yōu)化后少了底柱，提高了回采率，且采用鏟運(yùn)機(jī)出礦，生產(chǎn)效率將更高。故優(yōu)化后，能較大幅度的提高經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)化后采用更先進(jìn)、安全、環(huán)保的鏟運(yùn)機(jī)出礦，采場(chǎng)暴露面積更小。故安全性要優(yōu)于原采礦方法。

表2 采礦方法優(yōu)化前后對(duì)比

4 小 結(jié)

對(duì)原有的上向水平分層膠結(jié)充填法進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，不僅較大幅度地提高了回采率，增加礦山經(jīng)濟(jì)效益，也減少了采場(chǎng)暴露面積，縮短了充填等待時(shí)間，且將能耗大、安全性相對(duì)較差的電耙出礦改為更環(huán)保節(jié)能、生產(chǎn)效率更高、安全性更好的鏟運(yùn)機(jī)出礦，提高了采場(chǎng)安全性。