上向分層充填采礦法在鐵山礦邊角礦開采的應(yīng)用

王松濤 王海偉 李公堂 唐先明

（1.河南安鋼集團舞陽礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.攀鋼集團工程技術(shù)有限公司）

鐵山礦在主礦體之外，在東部和上下盤都存在很多邊角礦，這些礦體無法采用設(shè)計推薦的垂直深孔落礦的階段礦房嗣后充填法開采，為了回收這部分礦石，鐵山礦在-100 m 水平以上邊角礦試驗采用上向分層充填采礦方法，通過對邊角礦的采礦試驗，制定了合理的開采方案。

1 工程概況

鐵山礦是舞陽礦業(yè)公司主要生產(chǎn)單位之一，承擔(dān)著重要的生產(chǎn)經(jīng)營任務(wù)，采用嗣后充填的地下開采方式。鐵山礦礦床內(nèi)分布有鐵古坑、河灣、鐵山廟、石門郭4 個礦段，屬“鞍山式”沉積變質(zhì)貧鐵礦床。礦體呈北西—南東向展布，全長3.6 km，鐵礦體賦存在太古界華山群鐵山廟組深變質(zhì)巖系含礦層帶（組）內(nèi)，自下而上集中分布在D1、D2、D3、D4 含礦層中。鐵山礦現(xiàn)在開采的鐵古坑礦段位于2～13 線，長1 300～1 400 m，該礦段包含 2 條礦體：D1-1 和 D2-1號礦體。D2-1 總體走向為NW—SE，傾向為SW220°～242°，礦段平均傾角為36°，由淺至深變緩，為主礦層，連續(xù)穩(wěn)定；D1-1分布在主含礦層D2之下，走向長約150 m，厚2.00～9.63 m，平均為6.47 m。區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育有成礦后侵入體細粒閃長巖巖墻，其對礦體具有一定破壞作用，致使礦體內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜化。

鐵山礦礦體在巖墻的切割下，產(chǎn)生了與主礦體相對獨立的邊角礦，同時礦體在9 線以東變薄，在D2主礦層之下，還有D1礦層，均無法采用垂直深孔落礦的階段礦房法開采。其中-100 m 水平以上有邊角礦約130 萬t，這部分礦石的開采既能回收部分資源，又能彌補鐵山礦地采生產(chǎn)能力的缺口，將作為研究對象進行試驗開采。

由于這部分礦體南側(cè)是露天礦西出入溝道路、上部是西排土場道路、西北側(cè)是外委單位項目部駐地、北側(cè)是西風(fēng)井，環(huán)境復(fù)雜，需要保護的設(shè)施多。如何在保護各項設(shè)施安全穩(wěn)定的前提下，安全、高效地開采這部分礦石，成為研究工作的主要內(nèi)容。

2 邊角礦開采方案選擇

鐵山礦-100 m 水平以上邊角礦位于鐵古坑礦段西段，鐵古坑露天采場西端幫以外，屬露天開采境界外的邊角礦體。垂直礦體的南北向厚度約80 m，-100 m 水平沿礦體走向約130 m，向上逐漸變短，呈一上窄下寬的楔形體。

2.1 采礦方法選擇

邊角礦如果采用露天開采，一是西風(fēng)井、項目部駐地等設(shè)施存在阻礙，二是有征地和重新辦理擴幫安全生產(chǎn)許可證等難點，同時剝離成本較高，所以采用地下開采較合適；因地表不允許塌落，露天礦最終邊幫不能有大的變形，必須把產(chǎn)生的空區(qū)及時充填，可以采用的采礦方法有VCR 嗣后充填采礦法、分段礦房嗣后充填采礦法、上向分層充填采礦法等多種采礦方案。對比幾種采礦方案的生產(chǎn)能力、安全性、采掘工程量、回采率和混入率等要素，從而確定合適的采礦方法，達到安全、經(jīng)濟的目的。

目前舞陽礦業(yè)公司鐵山礦主要采用VCR 嗣后充填采礦法，該采礦法于20 世紀(jì)70 年代初期由國際鎳公司和加拿大工業(yè)有限公司共同開發(fā)，以漏斗爆破理論為基礎(chǔ)，于1974 年首次應(yīng)用于利瓦克礦［1］，我國凡口鉛鋅礦［2］、安慶銅礦［3］等礦山也引進該采礦法。該采礦方法生產(chǎn)能力大、效率高、采掘比小，但是回采率不高、混入率較大，而且一次爆破量大，安全性稍差。如在鐵古坑邊角礦采用該方法，由于開采距離露天采場邊幫近，上部是運輸?shù)缆?，開采可能帶來不可預(yù)知的風(fēng)險。

舞陽礦業(yè)公司八臺礦采用的主要是上向分層充填采礦方法，該采礦方法技術(shù)成熟，成本可控，但缺點是生產(chǎn)能力小，效率不高，受充填影響較大，組織上難度稍大。但因為鐵山礦在邊角礦開采的同時，露天轉(zhuǎn)地下一期工程、露天轉(zhuǎn)地下主體工程同時進行，一期工程生產(chǎn)能力逐步下降，主體工程生產(chǎn)能力逐步增強，邊角礦只是作為兩部分開采銜接期間的補充，對生產(chǎn)能力的影響不大。但該方法在邊角礦應(yīng)用的可行性、安全性和采礦方法的技術(shù)參數(shù)確定需要進行研究和試驗。

分段礦房嗣后充填采礦方法生產(chǎn)能力和安全性均滿足要求，但由于需要做出分段工程，前期投資較大，總體成本偏高，施工工期長，無法滿足鐵山礦盡早出礦的需求。

3 種采礦方法中，上向分層充填采礦方法安全性高、成本低，開采礦石品位高，回收率和混入率可控，對其進一步試驗，以確定具體的開采方案。

2.2 開拓方案的選擇

有3種開拓方案：

（1）經(jīng)由露天采場的斜井開拓。從露天采場施工斜井，到達礦體，再施工沿脈巷道、采準(zhǔn)巷道。由于經(jīng)過露天采場，雖施工簡單、成本低，但礦石開采從-50 m 水平開始，礦石丟失大，且經(jīng)露天采場施工，需要重新設(shè)計、審批，時間長、費用高，審批難度大，可操作性差。

（2）經(jīng)由露天采場的斜坡道開拓。從露天采場施工斜坡道，經(jīng)礦體下盤到達礦體，再施工沿脈巷道、采準(zhǔn)巷道的露天開口斜坡道。由于要先施工斜坡道，系統(tǒng)形成后才能進入采礦階段，耗時較長，不利于盡早出礦。

（3）從-100 m 水平開口的斜坡道開拓。從一期工程-100 m 水平施工斜坡道，經(jīng)礦體下盤到達露天采場底部邊幫。可以先施工沿脈巷道、采準(zhǔn)巷道，斜坡道施工和采準(zhǔn)工程、礦石開采同時進行，系統(tǒng)跟隨采礦水平同時或超前形成。

第3 種開拓系統(tǒng)主要有斜坡道、各水平石門、平硐、溜井、充填回風(fēng)井等。-100 m 水平斜坡道施工至-83 m 水平后，施工石門進入采場（-83 m 水平），后沿礦體向東西2個方向施工運輸巷，運輸巷與各回風(fēng)井貫通，然后進行采場內(nèi)各條放礦溜井的施工。斜坡道按生產(chǎn)需要分別在-83，-73，-63，-53，-43 m 水平施工石門進入采場。本方案見礦早、出礦快，前期投入少，是最有利的方案。

本工程的采準(zhǔn)切割工程主要為-83 m 水平礦房的切割，-83 m 水平開拓系統(tǒng)形成后即開始進行礦房的采準(zhǔn)切割，首先施工兩端礦房的切割巷，然后從兩端向中間施工奇數(shù)號礦房，最后完成偶數(shù)號礦房切割巷道的施工。

3 采礦工藝參數(shù)

3.1 采礦方法技術(shù)參數(shù)

為使西幫礦體回采率最大化，本次設(shè)計不分中段，即至-100 m 水平開始向上回采至-40 m 上部水平，中間不再另設(shè)中段。

設(shè)計礦房寬度為9 m、高4.5 m、礦房間留3 m×3 m點柱。

沿礦體走向，采場內(nèi)共布置3 條溜井，溜井規(guī)格為φ2 m、高10 m。

為解決采場內(nèi)人員進出及物資材料運輸，在采場礦體外沿礦體邊界布置1 條斜坡道，坡度為15%（均坡），斜坡道規(guī)格為4 m×3.8 m、斷面面積為14.37 m2、長594 m。

根據(jù)露天礦現(xiàn)場情況，在0 m 平臺施工便道至上部水平平硐開拓位置處施工平硐，平硐依據(jù)充填回風(fēng)井的需要布置在礦體內(nèi)部。平硐規(guī)格為4 m×3.8 m，長120 m。

為解決采場通風(fēng)及充填問題，在上部水平開設(shè)平巷，通過平硐將充填回風(fēng)井均勻布置在采場內(nèi)，共布置2條，每兩條間距60 m，充填、回風(fēng)井內(nèi)安設(shè)安全梯作為第二安全通道，充填、回風(fēng)井規(guī)格為φ2 m、高65 m。

目前，-100 m 開采水平現(xiàn)場巷道頂板實際高程為-93 m，開采-100 m 以上礦石可以延用-100 m 下盤沿脈巷道，將該沿脈巷道作為-100 m 中段的出礦運輸巷道。

運輸巷道保護底柱高度確定為10 m，為保證機械設(shè)備及人員能進入采場內(nèi)，根據(jù)-100 m 水平礦體分布情況確定在-100 m 水平下盤29#巷道反向位置處開設(shè)1條斜坡道，進入-83 m水平采場。

由斜坡道進入-83 m 水平采場后，沿礦體走向布置運輸巷，運輸巷規(guī)格為5.8 m×4.5 m。沿礦體垂直方向布置礦房，礦房寬9 m，每2個礦房間留3 m×3 m點柱，另在礦體末端可以沿礦體走向布置礦房，以便最大化回采礦石。礦房回采開始時由于礦房較寬，可以先在每個礦房中部位置打1 條切割巷（規(guī)格4.2 m×4.5 m），然后將切割巷刷大至礦房的寬度，以便礦房的回采順利進行。

沿運輸巷每隔50 m 左右布置1 條溜井，溜井與-100 m 水平已形成巷道相對應(yīng)，以便減少-100 m水平開拓工程量。

斜坡道與上部水平平巷貫通，另外為加快施工速度可以在上部水平平巷施工完成后，安排斜坡道進行2個工作面的掘進。

3.2 采礦盤區(qū)的劃分

經(jīng)過開采試驗發(fā)現(xiàn)，在邊角礦開采中，每個礦房開采1 個分層后立即充填時，采充交叉作業(yè)頻繁，封堵作業(yè)多，礦房充填占用時間長，采礦效率難以提高。經(jīng)分析優(yōu)化，在-100 m 水平邊角礦范圍內(nèi)，分為3 個開采盤區(qū)，輪流開采和充填，充填時只需要在盤區(qū)之間的通道內(nèi)進行封堵隔離，采充效率大為提高。由于上部礦體變短，計劃每向上開采約15 m，減少1個盤區(qū)，至-53 m 水平以上合并為一個盤區(qū)，以利于提高整體采礦和充填效率。

3.3 礦房回采

礦房設(shè)計寬度為9 m，礦房間留3 m×3 m 點柱。礦房切割巷形成后-83 m 水平通過刷大切割巷的方法進行回采礦石，當(dāng)采場標(biāo)高升高至-80.5 m 后即可采用鑿巖臺車鑿巖爆破壓頂回采礦石，一次鑿巖深度為3.5 m，壓頂高度為3 m，則每炮能產(chǎn)生370 t 礦石。

礦房回采時隨時關(guān)注露天坑與礦房對應(yīng)位置，保證露天坑底與礦房間留有10 m保安礦柱。

爆下的礦石采用ST1030 型鏟運機鏟運至溜井內(nèi)，通過溜井、放礦機裝入礦車內(nèi)運輸至礦槽。

3.4 充 填

礦房規(guī)格為9 m×4.5 m，起拱高3.0 m，充填至壓頂高度。每采完1層后，礦石溜井加高鋼桶。溜井鋼桶直徑為2.0 m，高1.5m，利用設(shè)備井將鋼桶運送至采場，采用鏟運機將其運至預(yù)定位置并焊接固定。周邊覆蓋土工布并緊密固定。

溜井加高結(jié)束后，進行充填，充填高度為3.5 m，礦房頂部留有1 m的補償空間，便于下次爆破落礦。

充填管路為φ133 mm 鋼編復(fù)合管，單根長度為6 m。充填管路經(jīng)充填回風(fēng)井下設(shè)至采場布至充填區(qū)域。

4 掘進工程參數(shù)及施工

4.1 工程類型

本工程所需施工的巷道主要為運輸巷、切割巷及平硐，通過測量對各巷道進行放線，并用紅色油漆標(biāo)示其輪廓后，采用YT-28 型風(fēng)鉆及鑿巖臺車進行鑿巖，裝藥爆破后，用裝載機裝渣，對于斜坡道產(chǎn)生的巖石，使用汽車運輸?shù)?100 m水平充填礦房內(nèi)。

本工程斜坡道及平硐開挖斷面為14.37 m2，運輸巷開挖斷面為21.76 m2，切割巷開挖斷面為17.56 m2，采取全斷面一次掘進方式，使用YT-28 型風(fēng)鉆及鑿巖臺車進行鑿巖?？摄@鑿1～2 個空心孔（φ40 mm），為掏槽眼爆破提供自由面及一定的補償空間，提高爆破效率?？招难壑車贾锰筒垩?、輔助眼及周邊眼，采用直線桶形掏槽方式（或楔形掏槽方式）。

放礦溜井、回風(fēng)井規(guī)格均為φ2.0 m，放礦溜井高度為10 m，回風(fēng)井高度為65 m。放礦溜井高度低，采用人工自下而上反掘施工，一次成型?；仫L(fēng)井高度較高，首先采用反掘鉆機施工φ1.2 m 天井，再刷大至設(shè)計斷面。

4.2 爆破參數(shù)的選擇

根據(jù)地勘資料，巷道圍巖主要為特堅石，堅固性系數(shù)f=8～12，故根據(jù)經(jīng)驗及相關(guān)資料取單位炸藥消耗量 q=2.4 kg/m3［4］。爆眼直徑 d=40 mm，鉆孔深度 L=2 m。

計算炮眼數(shù)N有2種公式，選擇較大數(shù)：

式中，S 為巷道斷面積，m2；η 為炮眼利用率 0.9；Ly為藥卷長度，200 mm；Δ 為裝藥系數(shù)0.7；G 為每個藥卷重量，0.215 kg。

經(jīng)計算，確定炮眼數(shù)N=43個。

最小抵抗線W=（30～35）d［5］=1 200～1 400 mm，取W=1.3 m。

炮眼超深h1=（0.15～0.35）W=0.195～0.455 m，取h1=0.4 m。則鉆孔深h=2.4 m。

單個炮眼裝藥量Qy=（Δ×L×G）/Ly=1.80 kg；每排炮總裝藥量Q=qSLη=65.02 kg。

采用人工裝藥，根據(jù)經(jīng)驗及相關(guān)資料確定填塞長度，取不小于0.8 m，填塞料為含一定水分的砂土混合料。

起爆網(wǎng)路采用非電毫秒雷管爆破，用電雷管起爆。起爆順序按所圈定范圍分段，從內(nèi)向外順序起爆。

4.3 防 塵

由于鉆進速度較快，鉆一個2.4 m 深孔從開眼口到鉆孔完畢，只需15 min 時間，快速鉆進將產(chǎn)生很多粉塵。采用高壓水防塵方式，高壓水通過鉆頭噴灑到眼底，將眼底潤濕，同時將逸出粉塵捕捉，達到防塵目的。

炸藥爆破時，體積將增大1 000 倍，產(chǎn)生濃烈炮煙，爆轟波將巖體破碎，粉塵籠罩整個掌子面，放炮后最初幾分鐘粉塵濃度超國標(biāo)約40 倍，且持續(xù)時間長，是造成矽肺的主要原因。為盡量縮短放炮后等待時間，達到快速防塵目的，決定采用風(fēng)水混合噴霧防塵。風(fēng)壓力取 5 kg/cm2，水壓力取 3～4.5 kg/cm2，耗水12 L/min，自制鴨嘴式噴霧器，噴霧器正對作業(yè)面，距掌子面10 m，采用人工控制，閘門設(shè)在距掌子面30 m 以外。通過噴霧措施，可在炮響后5 min 將掌子面粉塵濃度降至2 mg/m3左右，約10 min達標(biāo)后，人員進入掌子面作業(yè)。

機械裝渣時粉塵濃度一般在國標(biāo)的15 倍左右，采用人工灑水防塵，向爆堆灑水，沖洗作業(yè)面后20 m巖幫，達到防塵目的。

4.4 支 護

現(xiàn)場具體支護形式主要以素噴射混凝土為主，厚度為100 mm，破碎段采用噴錨支護或噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護方式。支護類型根據(jù)開挖揭露圍巖的實際情況，現(xiàn)場確定支護方式。

4.5 通 風(fēng)

斜坡道、平硐及運輸巷施工，采用壓入式通風(fēng)，硐口15 m外安裝軸流式通風(fēng)機將風(fēng)送至工作面。

切割巷施工在通風(fēng)井貫通前，采用混合式通風(fēng)，斜坡道硐口外安裝軸流式通風(fēng)機將風(fēng)送至工作面，工作面通風(fēng)機將污風(fēng)送至洞口外部。通風(fēng)井貫通后，-20 m 平硐處安裝主通風(fēng)井，采用抽出式通風(fēng)方式，新鮮風(fēng)流由主斜坡道、-100 m 水平下盤沿脈巷道、3#斜坡道、斜坡道聯(lián)道進入礦房，沖洗工作面，污風(fēng)從1#、2#充填回風(fēng)井經(jīng)-20 m平硐抽出排至地表。

5 結(jié) 論

鐵山礦區(qū)-100 m 水平邊角礦開采中以上向分層充填采礦法展開試驗，對回采盤區(qū)的劃分、礦房的布置及采準(zhǔn)切割巷道的施工等做了細致規(guī)劃，確保了-100 m 水平邊角礦在滿足爆破振動、回采率及回采周期等各方要求的前提下順利進行回采，形成了1套適用于邊角礦的回采工藝，可在國內(nèi)同類礦山邊角礦的回采中進行推廣，具有良好的技術(shù)可行性和經(jīng)濟適用性。