“雙碳”目標下傾斜厚礦體切割槽的優化設計與施工

王曉濤，齊朝鵬，郭子林，馬有力，孫光華

(1.河鋼集團遷安紅山鐵礦有限公司，河北 唐山 064409； 2.華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063210； 3.河北省礦山綠色智能開采技術創新中心，河北 唐山 063210)

隨著“兩山理論”、“雙碳戰略”的實施，低碳、綠色、安全、高效的充填開采技術已成為地下礦山發展的主要趨勢。伴隨著大型液壓鑿巖設備和無軌運搬設備在地下礦山的廣泛應用，大規模綠色、高效開采的分段/階段空場嗣后充填采礦法在大型地下礦山尤其是冶金礦山得到應用和推廣[1-3]。運用上向/下向或豎直炮孔回采的嗣后充填采礦法回采礦體時，需要在礦房端部或中央位置布設切割井，從而完成切割槽的開鑿作業，為后續大規?；夭傻V體提供自由面和爆破空間[4]。切割槽的形狀、位置以及質量直接影響后續礦房大規?；夭傻恼＿M行，以及礦石回收率、廢石貧化率等各項礦石開采技術指標[5-6]。

開采極厚礦體或者急傾斜厚礦體時，通常采用豎直深孔或上向/下向深孔落礦，礦房大規?；夭汕扒懈畈弁ǔＸQ直布設[7]。傾斜厚礦體回采過程中，若繼續采用豎直切割槽布設方式，尤其是垂直礦體走向布置礦房時，極易造成礦體上盤、下盤礦巖三角區域大量廢石的混入，導致礦石貧化，同時使后期礦石的運輸、加工等環節的能耗增大、成本增高[8]。因此，切割槽的優化與布設，能加快施工進度，降低生產成本[9]，已成為運用中深孔安全、高效回采傾斜厚礦體的關鍵所在[10]。

冀東地區運用分段空場嗣后充填法開采傾斜厚礦體過程中，針對上盤礦巖三角區域切割槽的布設問題，開展切割槽優化設計，并進行施工攻關。

1 工程背景

冀東地區某地下鐵礦，礦體總體為一不對稱的向斜構造形態，剖面礦體形態似彎月形或鐮刀形。礦體走向南北，工程控制長度900 m，礦體傾角54°～81°，主要集中于54°～60°，屬于傾斜礦體。

該礦采用下盤豎井開拓，階段高度50 m，采用分段空場嗣后充填采礦法，分段高度25 m，下分段為鑿巖出礦分段，上分段為鑿巖分段，單個礦房寬15 m，礦房長為礦體水平厚度。在鑿巖巷道內使用中深孔鑿巖臺車穿鑿上向扇形孔，側向崩礦。

受礦體傾角限制，若采用豎直切割槽開槽方式，在回采時廢石混入率較高，造成大量礦石貧化(圖1a)。因此，針對該傾斜礦體，確定合理的切割槽布設方案(圖1b)直接關系到礦體回采邊界的有效控制、提高礦石回收率、降低貧化率等安全、高效的回采問題。

1-切割井；2-上盤切割巷；3-塹溝拉底巷；4-下盤切割巷；5-上盤塹溝拉底巷；6-上盤圍巖；7-下盤圍巖圖1 切割槽與礦巖體空間關系Fig.1 Spatial relationship between cutting groove and rock mass

2 傾斜厚礦體切割槽設計原則

針對該傾斜厚礦體賦存條件和采用的采礦方法，切割槽的布設優化方案應滿足以下條件：

1)針對礦體賦存條件，開展切割槽優化設計，避免上盤三角區廢石大量混入，確保礦石損失貧化最小，保證正常開采技術指標；

2)針對礦山現有開采技術水平，開展切割槽優化設計，確保后續安全、高效回采；

3)充分利用礦山現有掘進設備和已有采準工程，確保降低開采成本；

4)所用優選方案需考慮礦山高效回采，確保礦山產能不受影響。

該礦山礦體為傾斜礦體，利用現有鑿巖設備和技術手段，考慮回采落礦時礦體上盤三角區域圍巖的混入問題，切割槽設計為沿礦體傾斜方向布置(圖1b)。

3 沿礦體傾角切割槽設計

以南4#穿脈一步采1#礦房為試驗礦房，在充分利用現有采準工程的基礎上開展沿傾斜礦體切割斜槽優化設計。南4#穿脈一步采1#礦房底部出礦結構布置在-400 m水平，分段鑿巖水平布置于-375 m水平，礦房寬度15 m，礦房長度為礦體厚度。

采準切割巷道設計方案如圖2所示，分別在-400 m、-375 m水平礦體上盤邊界垂直于出礦巷道掘進切割巷道，巷道長度為礦房寬度。在上盤切割巷與塹溝拉底巷道交叉點，沿礦體上盤傾角布設傾斜切割井，切割井斷面尺寸2.5 m×2.5 m，鑒于礦巖交界處圍巖穩定性差，切割井布置在距礦巖交界線1～2 m的礦體內。在切割巷內鉆鑿與切割井傾角一致的上向傾斜炮孔，并以切割井為自由面分批爆破形成切割槽。

1-上盤切割巷；2-切割井；3-出礦橫巷；4-穿脈巷道；5-下盤切割巷；6-塹溝拉底巷圖2 采切方案設計圖Fig.2 Design drawing of cutting scheme

4 沿礦體傾角的切割槽施工

4.1 切割井施工

采用祼井、吊掛鐵梯的掘進施工法掘進切割井(圖3)，施工過程中選用YT-28式氣動鑿巖鉆機施工，炮孔直徑38～42 mm，班循環炮孔深1.8～2.3 m。具體施工工序如下：1)掛第一層防墜網；2)掛第二層防墜網；3)搭設穿孔鑿巖作業平臺；4)搭設安裝個人安全帶錨桿(含人行鐵梯錨桿)；5)實施掌子面鑿巖作業；6)進行炮孔裝藥及爆破網絡連線鋪設；7)撤拆鑿巖裝藥作業平臺；8)保護吊掛、固定風水管繩；9)設置爆破警戒線并將爆破網路引至平巷安全地點；10)實施安全警戒并起爆。爆破后掘進切割井如圖4所示。

圖3 切割井施工布置圖Fig.3 Construction layout of cutting well

圖4 切割井成井效果Fig.4 Cutting well completion effect

4.2 切割槽施工

1)拉槽中深孔鑿巖

切割井開掘后，根據礦體上盤傾角及切割井斷面尺寸，在上盤切割巷內的切割斜井兩側確定拉槽空間。使用華泰CYTC76中深孔鑿巖臺車鉆鑿平行中深孔，孔徑76 mm，見圖5。

1-上盤切割巷；2-切割斜井；3-裝礦進路；4-出礦巷道；5-下盤鑿巖巷；6-塹溝拉底巷；7-傾斜平行中深孔圖5 傾斜中深孔設計圖Fig.5 Inclined mid-deep hole design drawing

根據最小抵抗線經驗公式確定炮孔排距：

W=(23～30)d

(1)

式中：W—最小抵抗線，m；d—炮孔直徑，m。

經計算，W=(1.75～2.28)m，即炮孔排距為1.75～2.28 m。

根據孔網密度經驗公式確定孔底距：

a=mW

(2)

式中：a—孔底距，m；m—密集系數；W—最小抵抗線，m。

目前，根據冀東鐵礦開采經驗確定密集系數。保守起見密集系數取0.8，孔底距a為1.4～1.8 m。

為保證拉槽效果炮孔排距取1.5 m，孔底距取0.8 m。

2)切割斜槽拉槽爆破

為保證爆破效果，采用孔底起爆方式(見圖6)，選用數碼電子雷管和乳化粒狀銨油炸藥。數碼電子雷管孔外連線采用并聯方式連接，雷管方向反向連接，同排分段、排間分段布置電子雷管，實現有序控制爆破。以切割井為自由面向礦房兩側邊界逐排爆破拉槽，在接近出礦巷道后逐排減少裝藥長度，保留出礦巷道頂部安全礦柱。

圖6 中深孔孔內裝藥結構圖Fig.6 Internal charge structure of medium deep hole

3)拉槽中深孔爆破安全措施

①作業區域警戒：裝藥施工前，需在裝藥施工穿脈巷道口拉好爆破警戒帶；

②清理炮孔：裝藥前對中深孔炮孔進行驗孔及清理工作，以防孔內殘留碎石卡住裝藥管，影響拔管速度，從而影響裝藥質量；

③裝藥：裝藥工作由爆破工持證進入現場作業，裝藥過程中需控制好拔管速度，保證裝藥質量，并嚴格控制裝藥長度，以減少炸藥浪費；

④網路聯結：起爆網路聯結需專業爆破人員操作，嚴格按照相關技術要求，以保證起爆安全；

⑤爆破完畢后，至少通風60 min以上；

⑥通風結束經氣體檢測儀檢測空氣合格后，方可進入現場開始排險、驗炮工作。

4.3 切割槽拉槽效果

南4#穿脈一步采1#礦房應用沿礦體上盤傾角的切割井拉槽工藝，切割拉槽效果良好(圖7)，將礦石回采率由切割立槽的82.53%，提高至90.26%，回采率提高7.73個百分點，礦石貧化率由14.52%降低至12%，礦房增加礦石回采量約0.93萬t，回采期內增加礦石回采量72.5萬t，預計新增產值362.5萬元，實現了良好的經濟效益。

圖7 切割斜槽拉槽效果圖Fig.7 Effect diagram of cutting chute and pulling groove

5 結論

優化了沿傾斜礦體傾角布置的切割槽設計方案，并在實踐中進行了應用。應用實踐證明，該設計方案不僅避免了回采爆破與上部所覆礦巖貫通而產生懸頂冒落的安全隱患，而且有效控制了上盤礦體的回采邊界，極大降低了廢石混入率，增加了礦石回收率，取得了良好的安全和經濟效益，對傾斜礦體的回采具有廣泛的推廣應用價值。