特大型地下充填采礦示范礦山的建設

岳潤芳

(1.中國五礦邯邢礦業有限公司，河北 邯鄲 056002;2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

·采礦工程·

特大型地下充填采礦示范礦山的建設

岳潤芳1，2

(1.中國五礦邯邢礦業有限公司，河北 邯鄲 056002;2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

介紹了目前國內規模最大的地下充填開采礦山，該礦山隸屬五礦邯邢礦業有限公司，礦區位于安徽省霍邱縣，礦山由兩個礦床組成，礦石主要為鏡鐵礦、磁鐵礦，礦體特點是走向長、延伸深、厚度大、傾角陡。根據礦床賦存條件，闡述了礦山開拓系統的選擇、規模化開采的采礦方法、特大型采場結構參數及特點、開采順序的選擇、系列大型采掘設備配備、大流量充填系統的構建思考及建設、充填料槳連續與間斷制備系統的選擇、采場的開采、充填作業以及充填體強度的控制。該礦山將于“十二五”末完成示范礦山建設，為特大型以及未來的超大型地下礦山的提供可借鑒的經驗，逐步形成我國特大型地下礦山規?；_采關鍵技術。

特大型 地下充填 示范礦山 建設

五礦邯邢礦業有限公司所轄安徽開發礦業采選設計規模750萬t/a。于2007年開始建設，2012年初建成并投入試生產，同年12月通過國家安全總局的安全專項驗收，2013年正式投入生產。750萬t/a礦山項目屬國家科技部“十二五”科技支撐計劃課題“特大型地下礦山規?；_采關鍵技術”示范礦山建設內容。

1 開采技術條件

安徽開發礦業礦區位于安徽省霍邱縣城西約26 km，西臨105國道及商(邱)—景(德鎮)高速，北距淮河34 km，礦區交通均較方便。

1.1 開采技術條件

安徽開發礦業由2個礦體組成，李樓礦體和吳集北礦體，李樓礦體走向長3 500 m。礦體埋深100 ～ 900 m，平均厚度20～50 m，礦體傾角50°～80°。礦石主要為鏡鐵礦、磁鐵礦，地質品位(TFe)34.08%，資源量約為2.7億t。吳集礦體走向長3 000 m，平均延深394 m，平均厚度22 m，傾角50°～70°。平均品位(TFe)29.20%，礦石主要為磁鐵礦，資源量為1億t 。兩礦體合計資源量約3.7億t，平均品位30.4%。礦體特點是走向長、延伸深、厚度大、傾角陡、構造簡單。

1.2 兩礦體的聯合建設及優越性

李樓礦體和吳集北礦體走向基本平行，相距約僅1 km，走向、傾角、埋深等賦存條件相似，天然具備統籌設計聯合開發的條件，經對聯合建設和分別建設方案詳細技術經濟比較，選擇了聯合建設方案，聯合建設有以下主要優點：①聯合建設相對分別建設方案減少占地35.8 hm2;②聯合建設可共用輔助斜坡道進出地表，井下粉礦回收系統、排水設施、無軌大型設備檢修硐室、電機車檢修硐室等實現共用，從而大大減少井下工程投資;③炸藥庫、供水、供熱、機修、行政與生活福利設施共建，減少地表工程設施投資。聯合建設減少建設投資2億元，降低運行成本500萬元/a，有著很好的經濟效益和社會效益。

2 建設規模

從國家層面看，鋼鐵生產需要的鐵礦石供應數量中，進口鐵礦石仍然占礦石供應總量的65%。因此，在現階段及未來，在資源條件具備的條件下，應該大幅度增加礦山的建設規模，加大建設規模，有利于快速增加國內資源的供應量，保障國民經濟的安全運行。從企業的層面看，加大建設規模，有利于降低生產成本，提高盈利能力。經多方論證，安徽開發礦業建設規模為鐵礦石750萬t/a。大規模開采已成為一種趨勢，后續一批千萬噸級的礦山正在設計建設中，如河北省田興鐵礦(2 000萬t/a)、馬城鐵礦(2 500萬t/a)。

3 特大型礦山的開拓系統

3.1 分散式提升系統——主井、副井

提升系統是開拓系統的核心，也更是礦山生產的咽喉，曾做過集中提升和分散提升的比較，各有利弊。該開拓系統采用分散提升模式，設置3條規格相同的主井，配置三套相同的提升設備，每套提升能力250萬t/a，組合提升鐵礦石750萬噸/a，分散提升便于維護保養，生產波動小，運行可靠。目前已實現集中控制，后續將逐步實現無人值守，具有很高的自動化程度。

主井為3條單箕斗豎井，凈直徑均為5.2 m，1號主井井深684 m；2號主井井深686 m；3號主井井深683 m。井下主運輸水平-525 m，破碎硐室標高-568 m。采用JKM-4×6(Ⅲ)型多繩塔式提升機提升，是目前國內鐵礦山最大的提升設備，配備17 m3單箕斗，載重32 t。

全礦共設3條副井，1號副井采用JKM-2.8×4(Ⅰ)E型多繩塔式提升機，塔式配置，4 m×1.45 m雙層單罐籠，主要用于提升人員材料、廢石，并集中負責3條主井粉礦清理，與破碎硐室及皮帶道均聯通；2號副井和3號副井采用JKM-2.8×6(Ⅰ)型多繩塔式提升機，塔式配置，4 m×2.2 m雙層單罐籠提升，負責提升大礦車、電機車等大型設備。井下粗破碎采用3臺C-140型顎式破碎機，每臺破碎機對應1套提升機。開拓系統參見圖1。

圖1 安徽開發礦業開拓系統

3.2 大型設備的直達通道——斜坡道

井下采掘主要采用大型無軌自行設備，各種大型無軌采掘及運輸設備近50臺，在兩礦體中間設置一條輔助斜坡道，為各種大型無軌設備提供直接上下通道，極大方便了無軌自行設備的整體上下，避免解體吊裝運輸、重新組裝導致設備性能的下降，便于維護保養，使設備處于高效運行狀態。

斜坡道凈斷面16.59 ～ 18.06 m2；限制坡度≤15%。從地表通達各主要水平，全長6 926 m。斜坡道穿過第四系含水沙層及古風化帶地層，厚度約94 m，施工難度極大。施工難度大曾經影響到是否選擇斜坡道作為直通地表通道，為此組織了專門的科技攻關組，采用高壓擺噴堵水固沙技術，安全順利完成了含水沙層地段施工。

4 規?；_采的采礦方法

4.1 采礦方法的選擇

依據礦床開采技術條件、對環境保護、安全生產的要求，確定的主要開采方法為階段空場嗣后充填采礦法。根據落礦方式不同，分2種方法：一是分段鑿巖階段空場嗣后充填法，二是大直徑深孔階段空場嗣后充填法。

通過對2種采礦方法采準工程布置、采場準備時間與采切比、鑿巖爆破工藝、采場產能力、采場充填工藝、通風及巷道維護、生產組織管理等綜合比較分析，選擇分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法為主要采礦方法(見圖2)。

圖2 分段鑿巖階段出礦嗣后充填采礦法

4.2 結構參數的確定原則及參數

特大型礦山的規模化開采，必須構建大結構參數的采場，每個采場應有足夠大的礦量，配備大型高效率設備，這是特大型礦山實現規?；幕A，否則將不能實現規模化開采。

該礦采用的分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法結構參數，采場垂直礦體走向布置，采場高100 m，長為礦體水平厚度，一般為50 m，采場寬20 m，鑿巖分段高25 m。在這樣的結構參數下，每個采場的平均礦量達到約35萬t。

采場垂直礦體走向布置時，采場的寬度與礦柱的寬度相同，一步開采時礦房兩側為礦石礦柱，二步開采時的礦房既是一步開采的礦柱，二步開采時礦房兩側為充填體礦柱。由于采場間并無專門的礦柱，因此該方法有極高的回采率。

4.3 開采的步驟及技術難點

該充填采礦法采用兩步驟回采，一步開采時，礦房兩側的礦體構成礦柱。在采場端部拉切割槽，由各分層開始爆破落礦，由上至下進行，在采場底部出礦斜巷中實施集中出礦。礦房的礦石開采完畢后，馬上對一步采礦房進行充填。當充填體強度達到預定強度時，開始二步開采。

一個礦房開采完畢后，兩側礦柱垂直暴露高度100 m，平均長度達50 m，側向暴露面積將達到5 000 m2。礦柱承受著自重、頂底板上下盤圍巖的壓力及采場開采后形成的應力、采場落礦爆破的沖擊力等復雜多重作用力，尤其是二步開采時，礦房兩側由充填體構成礦柱，100 m高的充填體礦柱的強度及穩定性，能否經受采場落礦爆破的沖擊振動，直接關系著二步開采能否順利進行，是該采礦方法面臨的最大技術難題。目前，已順利完成了幾個采場的一步開采，二步開采將在今年年底開始進行。

4.4 采場工程的另一個結構特點

從采場的內部結構看，每一水平的分段的鑿巖巷的布置，極像無底柱崩落法的進路。在剖面上看，上下重疊布置，而非交錯布置。這使得采場較上水平的鑿巖巷形成后，并不需要采場的工程全部施工完，即可在上部開始采準掘進、鑿巖爆破、形成出礦能力，這種結構非常有利于新建礦山生產能力的快速形成。見圖3。

5 開采范圍及由下而上的開采順序

5.1 開采范圍

設計開采范圍為-200 m以下，-700 m以上礦體。在這個區間共有礦石儲量近3億t。按年產量750萬t/a計算，可滿足礦山服務年限30 a。

由于礦床開采深度比較大，服務年限比較長，設計經過技術經濟比較后推薦采用分期開采的方案。一期開采-200～-500 m標高之間的礦體，礦石儲量2.4億t，占礦體總儲量的80%；二期開采-500～-700 m區段礦石儲量0.6億t，結合礦床深部勘探程度較低的未探明儲量，經過深部補勘后，再做統一的開發利用。

5.2 特大型礦山的開采順序

垂直方向上的開采順序有兩種，一是由上而下方向的傳統開采順序(見圖4)：由于距離地表較近，開拓準備工程量較少，可以很快進入礦體，有利于快速形成生產能力，但也存在弊端：首先很快面臨地表建筑保護、第四紀含水層的保護、礦體開采頂柱的預留問題，其次下部中段與上部中段充填體的接頂難于保證，由此引發的充填體的永久穩定性問題更難于解決，在100 m高中段、特大結構參數采場的開采中，這些問題顯得更加突出。二是由下而上的開采順序(見圖5)：由于首采中段距離地表較深，礦體開采部位以上礦體將全部起到頂柱的作用，地表建筑、第四紀含水層更容易獲得保護；上部中段的作業在下部中段充填體之上，接頂更容易保證，充填體的整體性更好，有利于其永久的穩定。但也存在弊端：開拓系統準備工程量稍多，形成生產能力稍慢。兩者相比由下而上更安全更可靠。實際生產中段開采順序為由下而上，見圖5。

圖4 由上而下的充填開采順序

水平方向上的開采順序，采用沿礦體走向從礦床中央向兩翼推進。采場按照20 m寬連續布置，不區分礦房礦柱。采場分二步回采，一步開采時隔一采一，采場開采完畢后馬上進行充填，未采動的采場作為一步開采采場的礦柱。二步開采時，兩側一步開采的充填體作為二步開采采場的礦柱，采后充填尾砂膠結充填料的平均灰砂比平均為1∶5，充填體強度達到2 MPa以上，充填體膠結強度達到上述強度后，方可回采二步開采采場。

圖5 由下而上的充填開采順序

6 大型化設備的配備

為實現特大型礦山規?；_采需要，實現750萬t/a的礦石生產規模，主要采掘裝備采用國外先進的設備，總體裝備水平在各工藝環節上都達到了國內最先進水平。

掘進鑿巖采用瑞典Atlas公司的Boomer281型液壓鑿巖臺車進行巷道掘進；回采爆破深孔鑿巖采用瑞典Atlas的Simba1354液壓鑿巖臺車、炮孔直徑76 mm；采用芬蘭Sandvek公司Toro1400E電運鏟運機和Toro1400D出礦(斗容6 m3)。采用TORO301型3 m3柴油鏟運機配MT2010型載重20 t井下卡車出碴；采用Robolt-06型錨桿臺車、Scamec撬毛臺車和PZ-5A型混凝土噴漿機進行巷道支護；天井采用φ2 m天井鉆機鉆進；采用 MT2010 井下卡車(20 t)進行物料運輸。

掘進和回采全面實現無軌化，且以電動設備為主，井下窄軌鐵礦運輸采用20 t電機車牽引10 m3底側卸式礦車。

在采礦自動化方面，今年將購進遙控鏟運機，在采場集中出礦后，對集聚在采場底部位置礦石，由遙控鏟運機進行輔助出礦，避免百米高空區造成的可能安全事故，提高礦石回采率。

7 大流量的充填系統構建及運行

7.1 大流量充填系統的構建

礦石生產規模達到750萬t /a，年工作天數330 d時，每年充填體積量達到223.3萬m3，日平均充填體積量6 768 m3。

充填系統采用高濃度全尾砂結構流膠結充填、立式砂倉儲料、壓氣造漿、自流輸送工藝，膠凝材料為水泥或膠固粉。

在礦體走向方向，間隔布置3座獨立的充填站，這樣分散布置充填站，可有效減少料槳輸送管線的長度，更容易滿足自流輸送充填倍線的要求。

每座充填站有4個圓形立式砂倉，倉體直徑15 m，高度10 m，2個砂倉組成一個充填系列，單系列充填制備能力180 m3/h，一次最大連續充填量2 000 m3，充填料漿濃度70%～72%，滿足每日最大充填量的需要，均采用鋼結構以滿足快速建設的需要。

7.2 充填料槳連續與間斷制備系統的選擇

充填站從料槳的制備過程看，有兩種模式，一種是連續造漿模式，一種是間斷造漿模式。影響充填站正常作業有兩個方面：一是尾礦的供應，在選礦廠或尾礦輸送環節出現故障時，會影響充填站的料槳不能連續制備。二是充填料的井下充填，在井下充填環節出故障和無空區可充時，會影響充填站的料槳連續排放。充分考慮到選廠及井下的影響，選擇間斷造漿間斷充填模式，選廠出現故障時，儲備在料倉內的充填料可繼續對井下進行充填作業，井下沒有空區充填時，選廠的尾礦依然可以向充填站的空倉供料，保證選廠生產的連續運行。間斷充填模式使得采礦、選礦、充填各工序的生產更容易協調組織。

7.3 采場充填作業

采場礦石開采完畢后，首先對出礦進路、各分層鑿巖巷用封堵墻封堵，便可以開始充填。充填工程布置在采場頂部，對采場進行多點下料充填，保證充填料充分接頂，由于采用全尾沙結構流充填，充填到采場的料槳離析的水并不太多，無需傳統的脫水井，在采場內敷設2條脫水管，將水排出即可。充填體頂部和底部強度要求相對較高，充填料按照不同部位可采用1∶4、1∶6、1∶8，平均灰砂比1∶5，強度達到2.15 MPa以上，二步開采礦塊充填采用較低配比的尾砂膠結充填。

8 結 語

安徽開發礦業750萬t/a礦山系統主體工程于2011年底建成，2013年將達到530萬t/a，預計2015年達到750萬t/ a設計規模，特大型地下礦山的規?；_采正在一步一步得到實現，期待開采過程中遇到的重大技術難題逐步獲得解決，為特大型以及未來的超大型地下礦山的提供可借鑒的經驗，形成我國特大型地下礦山規?；_采關鍵技術。

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(責任編輯 石海林)

Construction of an Extra-large Underground Mine Model with Filling Mining Method

Yue Runfang1，2

(1.MinmetalsHanxingMiningCo.，Ltd.，Handan056002，China;2.SchoolofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)

The largest scale underground mine with filling mining method at present in China is introduced.This mine is under Minmetals Hanxing Mining Co.,Ltd.and it is located in Huoqiu County，Anhui Province.There are two ore deposits of magnetite and specularite in the mine.The ore-body is characterized with long strike，wide extension，large thickness and high inclination.According to the occurrence of the ore deposit，such issues are described as the choice of the development system，the mining method for large scale stoping，the structural parameters and characters of extra-large stope，the selection of mining sequence，the option of extra large mining equipments，the deliberation and construction of large scale filling systems，the choice of continuous and intermittent preparation system for filling pulps，and the control of the mining，the filling，and the strength of the filling body.The mine will be completed at the end of 12th Five-year Plan of China to be a model project.It provides experiences for extra large and super large underground mining for the future and forms the key technique for extra-large underground mine in China.

Extra large，Underground filling，Model mine，Construction

2013-01-21

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號:2013BAB02B04)。

岳潤芳(1955—)，男，總工程師，教授級高級工程師。

TD212，TD853

A

1001-1250(2014)-04-001-05