小官莊鐵礦上向進路充填采礦方法試驗研究*

邱景平 辛國帥 張國聯 邢 軍 孫曉剛

(東北大學資源與土木工程學院)

小官莊鐵礦投產以來，采用無底柱分段崩落法回采礦石。隨著開采深度增加以及采空區增大，井下地壓活動明顯，主井井筒已經有一定程度的變形，直接威脅井下采掘作業及礦山提升系統的安全。為此小官莊鐵礦在北區開展了上向進路充填采礦方法試驗研究，形成了適合小官莊鐵礦軟破類型礦床開采的采礦工藝，實現了礦山的安全穩定生產。

1 地質概況及開采技術條件

試驗礦塊地點選在小官莊鐵礦Ⅱ礦體－387～－450 m豎井保安礦柱以外150 m范圍內的礦段，其礦體呈層狀產出，形狀不規整、零散分布，礦體走向、傾向、傾角變化較大，總體上為緩傾斜，且夾層多，品位變化大，各水平礦體對應性差，礦、巖穩固性均較差，復雜難采。

根據試驗礦塊的上述地質情況和開采技術條件，選擇上向進路膠結充填法進行試驗［1-2］。圖1所示，開采范圍垂直方向上跨－450和－400 m 2個中段，但是－400 m之上僅有13 m，因此將2個中段并為1個中段進行回采。－387～－450 m之間劃分5個分段，每個分段內劃分2～4個分層，分層高度3.2～4.6 m。分段內分層之間采用上行回采順序，各分層之間上行開采。各分段負擔分層為:①－442 m分段，負擔－444和－440.5 m 2個分層回采;②－435 m分段，負擔－437和－433.5 m 2個分層回采;③－426 m分段，負擔－430、－425.7和－421.4 m 3個分層回采;④ －413 m分段，負擔 －417、－412.7和－408.4 m 3個分層回采;⑤ －400 m分段，負擔－404、－400、－395.4和 －392.2 m 4個分層回采。

2 采準工程布置

結合現場實際，通過方案優化選擇，采礦選用無軌鑿巖與出礦設備，在穩固性較好的礦體下盤布置1條采準斜坡道。每個分段從斜坡道出發，通過分段巷道、分層斜坡道，開挖掘分層巷道。

圖1 小官莊鐵礦上向進路膠結充填法

采準斜坡道采用折返式，斷面規格3.5 m×3.2 m，彎道處加寬 0.5～1 m。直線段最大坡度為17%，轉彎段坡度小于5%，平均15%左右。斜坡道與中段穿脈間有5m左右的水平段。斜坡道在各分段出口處設6 m長緩坡段。平面轉彎半徑17 m，豎曲線轉彎半徑50 m。

采準斜坡道布置在礦體下盤與布置在上盤相比，節省了大量的采準工作量，同時縮短無軌設備的運行距離，采準斜坡道通過分段巷道與各分層巷道相聯系。下部分層開采結束后，需要轉到上一分層，采取分層聯絡道逐漸壓頂的方式實現轉層，節省工程量，同時加快施工進度。采準工作量見表1。

表1 采準工程量匯總

經計算，小官莊鐵礦北區充填采礦試驗礦塊千噸采切比為4.99 m/kt，或35.1m3/kt，有效地降低了采準工程量，節約了采礦成本。

3 進路結構參數優化

根據小官莊鐵礦的礦巖力學參數，通過Ansys軟件建立三維力學模型，并采用FLAC3D數值模擬軟件［3］，按照正交試驗原理進行數值模擬分析，研究不同的進路結構參數對試驗礦塊安全性的影響，見表2。

表2 模擬分析的正交試驗表 m

根據模擬結果分析，并結合對進路隔一采一的開采方式，選擇合理的參數為進路寬度3.5 m，進路高度3.5 m，進路長度60 m，該參數在現場得到了成功的應用，進路生產能力為168 t/d，礦塊生產能力336.1 t/d，保證了進路的安全穩定性和較高的生產能力。

4 礦體回采工藝確定

(1)進路布置及回采順序。回采進路依礦體形態布置，上下層進路方向盡量錯開，以提高充填體的支撐能力。進路采取隔一采一的后退式回采，垂直走向上采取由上盤向下盤回采的開采順序。一步進路回采后采用尾砂膠結充填，二步進路回采間隔時間盡量延長，確保一步充填體的齡期和強度。

(2)充填材料及配比［4-7］。由于小官莊鐵礦全尾砂含泥量高(－200目達到了81%)，全尾砂充填難以達到充填采礦的要求，故對小官莊鐵礦的全尾砂進行了分級(－200目為53%)，利用小官莊選礦廠的分級尾砂作為充填骨料，通過膠結充填試驗和現場管路輸送，選擇膠固粉作為膠結材料，確定充填料漿濃度65%～70%。

(3)鑿巖爆破工藝［8-11］。進路高度3.5 m以下，采用一次進路全高落礦方式，DD210－HLX5鑿巖臺車鑿巖，鉆鑿水平淺孔，孔深2.8～3.0 m，桶形掏槽，光面爆破;二期進路邊眼與一期進路充填體的距離控制在0.6～0.7 m，保證不破壞充填體，防止充填體塌落導致貧化，如圖2所示。采用防水乳化油炸藥，不耦合裝藥;起爆器材為非電導爆管秒差雷管，正向起爆。

圖2 二步采進路炮孔布置

5 改進充填接頂措施

進路回采結束后，即可進行充填準備工作，為確保充填效果，采取沿進路方向分次充填，確保進路充填接頂［12-13］。充填體采用灰砂比為1∶4 ～1∶10 膠結尾砂充填，進路頂部0.5～1 m，用高標號(1∶4)膠結尾砂充填，使充填體上表面抗壓強度達到1.0 MPa以上。

每個分層最下一個分層的底板，將作為下一分段上下開采最上一分層的頂板。為確保下部回采安全，在分段最下分層大約1 m左右的底板，用高標號(1∶4)膠結尾砂充填。

圖3 木質充填擋墻

充填前做好采場的充填準備工作，主要包括架設充填管、排氣管，構筑充填擋墻，如圖3所示。

充填準備完成后，即開始采場充填。針對充填接頂率較低，試驗礦塊采取以下措施提高充填接頂率:①充填料漿流動后有3°～5°左右的坡度，1次充填進路長度控制在15 m以內，30 m以上的進路實行多點下料;下料管處向上挑頂0.5～1 m，充填管路架設在離進路口8 m左右的最高點，以保證充填接頂;②通過添加萘系高效減水劑提高充填濃度，獲得了較高的接頂率，減少了排水量。

6 結論

(1)小官莊鐵礦北區試驗礦塊進行的上向進路充填采礦工業試驗獲得了成功，能夠保障采礦工作的順利進行。

(2)設計了輔助斜坡道為主的無軌采準系統，較大程度地減少了采準工程量，降低了采準成本及出礦成本，實現了礦山的安全高效生產。

(3)采用數值模擬方法，優化了進路參數:進路高度3.5 m，進路寬度3.5 m，進路長度60 m，在現場得到了成功的應用。

(4)選用分級尾礦作為充填料，膠固粉作為膠結劑，灰砂比1∶4，充填料漿濃度65% ～70%，能夠滿足小官莊鐵礦的充填采礦要求。

(5)工業試驗表明，通過挑頂、多點下料和充填料漿添加萘系減水劑等措施可有效解決現場的接頂問題。

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