高階段深孔崩礦嗣后充填采礦方法應用研究

解迎祥，王 青，國 峰，周建南，江 寧

(1.金建工程設計有限公司， 山東 煙臺市 264000；2.安徽金安礦業有限公司， 安徽 霍邱縣 237400)

高階段深孔崩礦嗣后充填采礦方法應用研究

解迎祥1，王 青1，國 峰1，周建南2，江 寧2

(1.金建工程設計有限公司， 山東 煙臺市 264000；2.安徽金安礦業有限公司， 安徽 霍邱縣 237400)

草樓鐵礦急傾斜厚大礦體開采過程中，損失、貧化率較高，且安全性較差。為此，根據礦山工程現狀及技術條件，創新性地提出了“聯合鑿巖、集中出礦”的高階段深孔崩礦嗣后充填采礦方法，各中段設鑿巖硐室利用潛孔鉆機進行深孔鑿巖，雙中段共用塹溝平底結構進行鏟運機進路出礦，采空區嗣后全尾砂膠結充填?，F場試驗表明，高階段深孔崩礦嗣后充填采礦方法機械化程度高、采場生產能力大、工人勞動強度低，并節省上部中段原有底部結構工程量，同時兼顧各中段頂柱回收，具有較好的經濟效益。

礦柱回采；深孔崩礦；聯合開采；嗣后充填

隨著資源局面的日趨緊張、環保政策的逐步完善以及充填工藝與材料的不斷發展，為最大限度地保證井下安全生產環境、維持地表生態平衡、避免礦區沉陷災害發生，越來越多的礦山企業逐漸開始重視保護性采礦方法的試驗與應用，尤其是急傾斜厚大礦體“三下”安全高效回采技術的實踐。由于此類礦體通常賦存范圍廣，整體厚度大，回采勢必造成井下采空區范圍及尾礦處理壓力不斷增大，如不及時妥善處理，極易引發空區上覆巖層冒落(甚至地表沉陷)、尾礦庫庫容日趨緊張，同時二步驟礦柱開采過程中多數采切工程需布置于充填體中，巷道圍巖穩固性差，后期維護難度大，損失、貧化率較高，并嚴重影響下部中段生產接續，給礦山正常生產帶來重大的安全隱患和效益損失。

本文在前人研究的基礎上，以安徽金安礦業有限公司草樓鐵礦主井采區為工程背景，開展工業性試驗，針對急傾斜厚大礦體采場合理布置、工藝參數優化及設備配套進行較為系統地研究，以期為實現類似礦體的安全高效回采提供一定的理論依據與技術參考。

1 工程概況

安徽金安礦業有限公司草樓鐵礦于2007年投產，目前采選生產能力為礦石300萬t/a，工作制度為330 d/a，3班/d，8 h/班，礦區共分為3個采區，其中主井采區位于8～19線間，采用下向大直徑深孔空場(VCR)嗣后充填采礦法，無軌出礦、有軌運輸，采區生產能力為礦石200萬t/a；南采區位于8～24線間，采用淺孔留礦采礦法，平底結構，裝載機配合自卸卡車出礦，采區生產能力為礦石30萬t/a；北采區位于19～23線間，采用階段礦房采礦法，平底結構，裝載機配自卸卡車出礦，采區生產能力為礦石70萬t/a。

1.1 主井采區礦體水文地質條件

29#礦房以南，0線以北，礦體厚大，礦體呈似層狀或透鏡狀，產狀與圍巖一致，傾角約50°。礦體在0～7線分枝復合頻繁，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標高約14 m，3線處較薄。礦石品位約30%。

工程地質條件簡單。礦體頂、底板巖石主要為黑云角閃斜長片麻巖、黑云斜長片麻巖。礦巖質量中等，巖體局部軟弱破碎，穩固性差。

水文地質簡單，地下涌水小。但在礦體上部依次有風化層、第四系表土(局部有流沙層)，因此要保護礦體上部的隔水層，控制導水裂隙。

1.2 主井采區礦塊回采現狀

主井采區目前開采對象為-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，采用大直徑深孔空場嗣后充填采礦法進行二步驟回采，底部結構為平底塹溝，鏟運機進路出礦?，F場實際生產過程中，出礦巷道及部分出礦進路均位于礦房充填體內，由于充填體強度較巖體強度差異較大，加之爆破震動影響，巷道片幫、垮塌現象嚴重，維護成本及勞動強度均明顯增加，與此同時，若-230～-290 m中段礦體回采繼續采用原采礦方法時需增加無軌出礦水平及鑿巖水平工程，有軌運輸水平頂柱和無軌出礦水平底部結構三角礦柱約占相應中段礦量的1/3左右，且該部分礦量回收困難，仍存在上述礦柱回采問題。因此，需改進現用階段深孔崩礦嗣后充填采礦法的采場結構，以解決礦柱回采存在的困難。

2 試驗采場結構參數優化

根據草樓鐵礦的開采技術條件和工程現狀，該礦段地表為村莊和農田，地表不允許塌陷；礦體上部為破碎風化帶，透水能力強，應避免其破壞和塌陷，因此仍采用充填采礦法進行回采。結合礦體開采現狀及深部開拓工程布置，為滿足下部中段正常接續、確保礦柱回采安全性，同時節省采切工程量、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，創新性地提出了“上行開采、聯合鑿巖、集中出礦”的高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法。

2.1 采場結構參數

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中段布置有軌運輸工程，-395 m水平布置無軌出礦底部結構，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應，共用出礦底部結構，見圖1。礦塊垂直走向布置，階段高為120 m，長為礦體厚度，寬為36 m，礦房、礦柱長均為礦體厚度，寬均為18 m，底柱高為15 m?；夭煞謨刹襟E進行，第一步回采礦房，第二步回采礦柱。鑿巖硐室內鉆鑿下向深孔，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，擠壓爆破側向崩礦。爆下的礦石集中在采場底部出礦，礦石卸至采區溜井經-410 m水平裝礦車運出。待采場礦石出完后，集中充填，充填采用全尾砂膠結充填，利用重力，經管道自流輸送到采空區，分次充填，分區接頂，待相鄰礦房回采完成并充填固結后(養護28 d)，采用與礦房回采相同的方式回收礦柱，其采空區則根據現場圍巖穩固情況采用低灰砂比尾砂膠結或全尾砂非膠結充填。

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，其優點在于：

(1) 減少一個中段底部結構及部分井巷工程量，節省部分采準時間，同時回收相應采場頂柱、底部三角礦柱損失礦量，礦石回采率有所提高；

(2) 礦塊內礦房、礦柱寬度均調整為18 m，單側出礦，采場底部結構始終布置于未擾動礦體內，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，但是礦柱回采時揭露兩側充填體高度約為105 m(兩個中段高度之和扣除底柱高度15 m)，故礦房充填體強度要求更高，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中段礦柱因巷道穩定性較差導致回采尚未進行，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中段對應礦塊回采完成并充填固結后，方可進行-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行雙中段聯合開采，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水平裝礦車運出，回采結束后進行一次充填，空區下部60 m采用全尾砂膠結充填，上部60 m采用低標號尾砂膠結充填。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，結合其自身力學性質及承載能力，可供選擇的回采方法有階段深孔崩礦嗣后充填采礦法、分段空場嗣后充填采礦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，在鑿巖硐室內鉆鑿下向深孔。分段空場嗣后充填采礦法：將礦房頂部8 m留為頂柱，以下設-251，-264，-277 m和-290 m共4個分段，分段高13 m。在礦體下盤布置分段聯絡巷，采用中深孔鉆機分段鑿巖，分段或階段一次爆破，在采場下部出礦，出礦底部結構同階段深孔崩礦嗣后充填采礦法。采場回采結束后，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個分段，長為礦體厚度，寬15 m。

3 現場工業性試驗

草樓鐵礦主井采區于2011年1月開展高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法試驗及應用研究工作，期間針對-395 m水平每日出礦量及鏟運機工作效率進行了現場統計，日出礦量觀測曲線如圖2所示。

由圖2可知，現場采用高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法進行雙中段聯合開采(-290～-410 m)期間，中段實際生產能力為7135.6 t/d，鏟運機臺班效率為469.24 t/臺·班，潛孔鉆機平均臺班效率為38.02 m/臺·班，采礦人員勞動生產率為4424.27 t/人。結合上述觀測結果可以看出試驗方案能夠很好地滿足礦區生產規模要求。

圖2 主井采區日出礦量觀測曲線

由表1可知，草樓鐵礦應用高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法期間，各項技術指標均優于設計指標，較好地保證了礦產資源的安全、高效回收。

表1 主井采區采場技術指標

4 結 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，創新性地提出了“上行開采、聯合鑿巖、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程中爆破震動對出礦巷道穩定性的不利影響，結合礦體賦存情況及礦井開采現狀，對采場結構參數進行了優化，調整礦塊寬度為36 m，其中礦房、礦柱各18 m。

(3) 現場工業性試驗結果表明，高階段深孔崩礦嗣后充填采礦法提高采場機械化水平及采場生產能力的同時，有效節省井巷工程量、減少礦量損失以及降低工人勞動強度；采用聯合支護設計方案巷道圍巖控制效果良好，滿足井下安全生產的要求，其經濟與社會效益顯著。

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用，積累了厚大急傾斜礦體安全高效回采的實踐經驗，豐富了充填采礦法優化改進方面的研究成果，并對同類條件下的地下工程問題具有一定的理論指導與實踐參考作用。

[1]解世俊.金屬礦床地下開采[M].北京：冶金工業出版社，1995.

[2]蔡美峰.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社，2002.

[3]周維垣.高等巖石力學[M].北京:水利電力出版社,1990.

[4]于學馥.地下工程圍巖穩定性分析[M]．北京：煤炭工業出版社，1983.

[5]徐永圻.采礦學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

2017-03-06)

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