厚大第四系含水層下礦體間柱回采工藝探討

生兆峰 王 磊 郭 偉

(1.淮北徐樓礦業有限公司，安徽淮北235000;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000; 3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000; 4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山243000)

隨著我國易開采資源的逐慚消耗，人們不得不將目光集中在難采的礦床上。厚大第四系含水層下礦床是眾多難采礦床之一。目前，我國近期開發或即將開發的礦山很多為厚大第四系(含流沙層)下礦床。如資源儲量近20億t安徽霍邱地區、資源量近億噸的淮北地區的鐵礦床等。其特點是:礦體傾角為緩傾斜～極傾斜，礦床上部為厚大的第四系松散沉積物，地表地形平坦，多為大量的村莊、農田、水田，屬于典型的難采礦體［1］。

這些礦山地處平原，第四系層厚及含水量大，回采難度較大，尤其是二步驟礦柱的回采，難度更大。為防止二步驟礦柱回采帶來安全隱患，須在理論分析論證的基礎上，科學合理的制定回采方案，使礦柱回采作業能安全高效的進行。本文以徐樓鐵礦二步驟礦柱回采為例，對此類型礦柱回采工藝進行探討。

1 礦山地質概述

徐樓鐵礦礦區位于淮北市濉溪縣境內，隸屬徐樓鎮管轄。礦區北距濉溪縣10 km、距淮北市15 km，徐樓礦區為沖積平原，地勢平坦，海拔高度+30 m左右。

徐樓礦區包括石樓、雙莊和史小樓3個礦床，鐵品位在45%左右。石樓礦床依據礦體的埋深，分為3個礦帶，編號為一、二、三。按照規劃，一礦帶為首采礦帶，開采已接近尾聲。石樓礦床一礦帶屬接觸交代矽卡巖型礦床，呈一大型透鏡體，礦體埋藏淺。上部被第四系覆蓋，厚度一般為40～75 m，由東北向西南逐步變厚，其巖性以黏性土(黏土、亞黏土、黏土含結核)為主，礦床范圍內砂層累計厚度可達40 m左右。第四系沉積物中粉砂、細、中砂為主要含水層，單位涌水量(q)為0.23～0.60 L/(s·m)，滲透系數(K)為 0.76～4.10 m/d。礦體的頂底板基本為大理巖，而大理巖本身就是巖溶裂隙含水層。該含水層埋藏于地表以下42～120 m處，厚度為40～80 m，似層狀，裂隙、溶洞均較發育，含水豐富，為承壓巖溶裂隙水。單位涌水量q＞10 L/(s·m)，滲透系數達17.8 m/d［2］。

目前徐樓鐵礦開采對象為石樓礦床一礦帶。礦體走向為東西長度400m，寬度250m;垂直方向，從－30～－150 m，約120 m。為防止第四系含水層導通采場，在圖1所示巖土風化線約－45 m水平以上預留十幾米厚的防水頂柱。采用嗣后充填分段空場采礦法，分段高約為12 m，自－45 m水平以下，分別劃分為－56，－68，－80 m分段，主運輸水平布置在－100 m水平。采區沿走向布置，寬約50 m，長為礦體垂直走向長度，高為礦體厚度。采區劃分為約38 m寬的采區礦房和約12 m寬的采區間柱。采場平面布置如圖2所示。

圖1 一礦帶礦巖縱投影Fig.1 The features of the ore belt longitudinal projection diagram

經過幾年的開采，一期開采范圍內的保有儲量消失很快，回采已接近尾聲。為確保礦山生產接續正常，二步驟的間柱安全開采工作需納入生產日程。經過初步計算，徐樓一期采礦工程中所預留的間柱，從西到東共預留了5大2小共6個間柱，間柱－45 m水平以下資源量約為102.53萬t，占一礦帶總儲量的近20%，儲量豐富且可靠，有很大的回采利用價值。

圖2 采場平面布置Fig.2 stope layout diagram

2 采礦方案選擇

2.1 采礦方法初選

間柱采場走向均為南北向，傾角為5°～10°，跨度普遍都在130m以上，呈長條狀。為緩傾斜狀厚大礦體。從空間分布特點來看，呈北高南低，西高東低。

因間柱采場跨度較長，面積較大，前期通過巖石力學理論研究及計算機數值模擬等手段對間柱回采對上部隔水層的影響進行了分析。結果表明間柱回采時，需有效控制采礦跨度，故采場回采時仍劃分為礦房礦柱，分步驟進行回采，先回采礦房，視情況在考慮礦柱的回采。對于采場采礦方法的選取以下幾條原則:①安全。保證礦山能安全持續生產，尤其是要避免大規模地壓活動對上部含水層可能造成的破壞;②經濟上合理。礦石貧化損失小，采準工程量少，盡量對一步驟已有的巷道工程進行合理化利用;③技術上可行。礦山現有條件能方便施工，便于管理;勞動生產率高;④遵守有關法律、法規。設計時，以礦山實測圖及目標礦體的地質條件為設計依據，在確保安全的前提下，最大限度的采出地下資源，降低損失率、貧化率、節約成本提高經濟效益。

在以上幾條原則中，安全須放在第一位，在安全的前提下，盡可能的選擇經濟上合理、技術上可行的方案。經反復考慮，為充分利用現有巷道工程及采掘設備，降低生產成本，對于二步驟間柱的回采，采礦方法選用一步驟礦房回采所使用的嗣后充填分段空場法。

2.2 回采方案選擇

二步驟礦柱回采仍采用嗣后充填分段空場法進行。該工藝大部分工程可利用一步驟回采時的各種采切巷道完成，僅出礦巷的位置需要重新確定。按出礦巷布置形式的差異來擬選方案。由于各個間柱回采技術條件基本相似，僅僅是空間上的分布情況有所差異，如部分間柱有礦體賦存在－68 m水平或是－56 m以上。故以最西側的間柱采場為例進行說明。各方案見表1所示。

表1 間柱回采方案對比Table1 colum n stoping schem e com parison

經過分析對比，方案4出礦巷布置在巖體中，安全性最好，但成本較大，經濟效益明顯不如其他方案。其他方案出礦巷均布置在充填體重，根據類似礦山經驗，充填體中掘進巷道能滿足安全要求［3］。方案3多采出廢石量太多。方案1工程量僅稍高于方案2，兩者對比而言，多回收約7 300 t的礦石，但須多采出約1.38萬t的廢石，且會給北側采場帶來較大的貧化損失，經反復權衡對比，最后推薦方案1為間柱礦體回采方案。

3 生產實踐

3.1 采準工程布置

根據二步驟間柱采場穩定性理論分析結果，由于間柱跨度較大，為減少采場跨度，減少空區頂板暴露面積，在間柱中間預留1～2個點柱。以最西側(即圖2中左側)的間柱為例，該間柱跨度在160 m以上，中間預留2個15 m寬的點柱。自南向北大致劃分為3個采場。采準工程中分段鑿巖巷、護頂巷、出礦溜井等工程均利用現有。還須新增出礦巷、出礦進路及人行通風井。出礦巷布置在礦房充填體中，在－56，－68，－80 m 3個水平均有分布。在北側點柱中新增－56～－45 m的人行通風井，在南側點柱中新增－80～－45 m的人行通風井。

根據礦體賦存形態，北側采場出礦水平選擇為－56 m水平，為保證有2個以上安全出口，該出礦巷須掘進至與北側點礦柱內人行通風天井相通，整個出礦巷道長度約60 m。中間采場出礦水平選擇為－68 m水平，該出礦巷須掘進至南側點柱內人行通風天井相通，整個出礦巷道長度約80 m，南側采場出礦水平選擇為－80 m水平，出礦巷直接與原有的－80 m上盤沿脈巷道連通。

圖3 間柱回采工藝布置Fig.3 stope layout diagram

3.2 回采說明

整個間柱寬度為12 m，回采時兩邊各保留1 m的礦壁，回采寬度取10m，分段采高為12m。為兼顧到下一步頂柱及徐樓二期工程的展開。先回采中間的4個間柱，最后回采兩頭的間柱。對單個間柱來說，所有采場均從南向北采用后退式開采。

(1)采切。施工底部出礦進路、切割天井、切割巷，修整分段鑿巖巷。各水平出礦巷與點柱中人行天井連通。使用YT－28鑿巖機進行打眼爆破。在采場北側掘進切割天井，再以中深孔擴幫形成切割槽。采用進行中深孔落礦，從南向北依次進行回采。每個采場回采結束后，即馬上進行尾砂膠結充填。

(2)頂板支護。長錨索，長度15 m，排距為3 m。

(3)爆破。YGZ－90鑿巖機，中孔直徑60 mm，扇形孔布置，排距1.5 m，孔底距1.5～1.8 m，鑿巖效率50 m/臺班。同排微差爆破，炸藥單耗0.45 kg/t。

(4)回采順序。各采場回采時，以北側切割槽為自由面爆破，水平方向上從南向北自采場末端進行后退式回采，垂直方向自上分段超前下分段3排，由上向下退采。

(5)出礦及運輸。沿出礦巷每隔6～8 m掘出礦橫巷進入塹溝，通過鏟運機統一運輸到中段溜礦井并提升到地表。

(6)通風。利用原有的通風天井及點柱中新增的人行通風井完成通風。

(7)充填。充填配比為1∶8。以－45 m水平下盤回風沿脈及回風穿脈作為充填巷，充填次序與回采次序一致，從南到北依次進行充填。

3.3 安全技術措施

徐樓鐵礦二步驟礦柱回采時，除采用常規的安全技術措施外，針對第四系富含水層下這一難點，有針對性的采取了一些技術措施，取得了較好的效果。

(1)空區長時間不處理，頂板易出現了垂直沉降，從而擾動含水層。采場出礦結束后應盡快對空區進行一定配比的膠結充填處理。

(2)開采過程中加強對點柱的保護，一是在鑿巖時進行控制，炮孔與礦柱應保持一定的距離;二是爆破時降低裝藥量;三是充填時采用適當比例的膠結充填，改善礦柱受力條件。

(3)充填體內掘進巷道時，邊掘進邊支護，保證安全。

(4)礦體頂部、夾層均為大理巖(灰巖)含水層，巖溶裂隙、溶洞較發育，含水豐富。須采取一定的防水措施，如果出現異常出水現象，及時進行處理。

4 結語

(1)通過理論分析來指導采場，采用合理得采場工藝布置形式，是可以成功實現厚大第四系含水層下二步驟礦體安全回采的。

(2)在空間有限的情況下，在兩翼高強度充填體內掘進出礦巷是合理可行。不僅能較好地利用原有的出礦系統，縮短采切工程作業時間;也可避免新建出礦底部結構，極大地減少采準工程量，降低生產成本。但應保證充填質量，并在巷道中加強支護等安全措施。

(3)二步驟采場跨度較大的情況下，應設立多個點柱來減少采場跨度，在回采過程中要嚴格保持點柱上下連貫性。以避免防水頂柱出現拉張裂隙導通含水層，回采結束后，盡量不采用目前常規的二步驟全尾砂充填，應及時進行膠結充填，以便較好地限制頂板位移。保護上部防水頂柱。

(4)在安全的前提下，應盡可能地利用現有的巷道工程及設備來完成回采。并對回采順序進行合理規劃，以利于礦山下一步工作的展開。

［1］ 胡永泉，葉振華，趙繼銀，等.厚大第四系下援傾科礦體采礦方孩的選擇［J］.金屬礦山，2009(增刊):155-161.

Hu Yongquan，Ye Zhenhua，Zhao Jiyin，et al.Selection ofmining methods of little declining ore-body under thick-large quaternary［J］.Metal Mine，2009(S):155-161.

［2］ 劉道仁，孫翠華.近礦體帷幕注漿在礦山防治水的應用［J］.中國礦山工程，2010，39(6):18-20.

Lu Daoren，Sun Cuihua.Application of curtain grouting near orebody in mine water control project［J］.China Mine Engineering，2010，39(6):18-20.

［3］ 周 欣，眭文武.充填體內反掘巷道在吳莊鐵礦的應用［J］.礦業工程，2013，11(4):27-28.

Zhou Xin，GuiWenwu.Application of reverse drive roadway in backfill body ofWuzhuang Iron Mine［J］.Mining Engineering，2013，11 (4):27-28.