花園鐵礦礦房采用塹溝式無底柱底部結構的可行性研究

■葉順如 ■明溪縣礦管站，福建 三明 365200

1 礦山現狀

1.1 礦山資源情況

明溪縣花園鐵礦2007年2月經過詳細勘探后，獲得(332 +333)鐵礦資源保有儲量為252 萬噸，全鐵品位TFe21.98 -30.72%，平均品位TFe25.62%。

構造:本區構造以斷裂為主，呈NWW 向展布。本區地層均以此方向斷裂為接觸，該含礦帶的邊界也以該方向斷裂為界。斷裂走向上呈舒緩波狀，具明顯滑動擦痕。此外，有EW -NW 向斷裂，均屬晚期構造，破壞礦體的連續性。

礦體特征經揭露，含礦帶中由6 個礦體組成(各礦體的相關特征如下表)。走向上呈透鏡狀，豆莢狀，甚至雞窩狀的串珠體，與地層產狀基本一致——以290°，NE∠65 -85°為主，圈定礦脈厚度總體為0.62 -6.0m，其中，水平厚度1.0 -3.0m 礦段約占75%，(極個別礦段水平厚度達6.0m，本文不作為主要討論對象)并且，礦體厚度從高往低呈變薄或分叉變小趨勢，走向方向存在被NW、EW 向斷裂切錯移動現象和尖滅再現的現象，個別為花崗巖脈或輝綠巖脈所切錯，礦體呈不連續狀態，有些礦段在傾向延伸方向也很不穩定，表現在“同一礦脈延伸空間”的范圍內，上下相鄰的兩條中段平巷不是都見礦——即:有的是上中段見礦下中段不見礦，有的是下中段見礦而上中段不見礦，無法按標準礦房進行建設。

表1 大壩工程混凝土配合比

1.2 礦床開采工程地質

礦體頂底板圍巖均為黑云斜長片麻巖，完整性較好，裂隙不發育，其抗壓強度57.3～178.8Mpa，抗剪抗壓強度較高，穩固性較好，礦區工程地質條件良好。但由于礦體邊界清楚，擠壓滑動明顯，與地層產狀一致，采空區應注意片幫的滑落，同時采空區也不宜過大，暴露時間不宜過長，礦體靠近地表應留10～30m 地表保護層作為永久保安礦柱，以防周圍巖層脫落和地表陷落，引起礦石貧化及安全事故。

2 礦山開采情況

2.1 開采方式

根據地形條件、礦體特征、礦石與圍巖的穩定性以及地表允許冒落、移動等地質條件，礦床適宜地下開采。

2.2 礦山開采規模

根據采礦許可證批準的生產規模，礦體開采技術條件，資源儲量等因素，確定生產能力為20 萬噸/年，日采出礦量606 噸。

2.3 礦山開拓

礦區最高標高880m，最低340m，相對高差540m，地形切割強烈，礦體呈急傾斜脈狀賦存于山坡地帶山體內，且出露地表，地表地形較陡，適合采用多中段平硐開拓，平硐坡度從里向外按3‰下坡修筑，以便排水和運輸。由于當地征地難度大，為了減少征用排土場建設的面積，截止至2013年底，本礦山沿脈運輸平巷一般布置在礦體上盤接觸線處或上盤圍巖中。

2.4 中段高度

根據礦體的賦存特征、礦體開采技術條件、地質地形條件以及所選用的淺孔留礦采礦方法，采用的中段高度主要為40m，如:凈池溝分PD590、PD550、PD510、PD470 四個中段，鷹嘴石溝東分PD620、PD580兩個中段。

2.5 采礦方法及采切工程

采用淺孔留礦采礦法，采切工程:在脈內運輸平巷垂直向下盤方向掘進斗穿，井巷工程:主要井巷為平硐、斗穿、斗頸、聯絡巷、回風巷和回風井(見圖1)，井巷參數和井巷特征見表1，各井巷工程量和出礦量見表2:

表1 井巷特征表

表2 截止2013年底礦井完成工作量匯總

2.6 底部結構

由于受森林資源保護政策，以及公司決策層、技術人員及施工隊的技術水平、作業習慣的影響，將主運輸平巷布置在礦體上盤接觸線處(或部分在圍巖中)，礦房采用有底柱卻不用木材安裝漏斗的結構，而是采用在脈內運輸平巷向下盤圍巖開鑿斗穿(底板與主運輸平巷底板等高且垂直于主運輸平巷的出礦巷道)，然后掘進斗頸、漏斗、拉底巷道，形成礦房的底部結構，礦石靠自重從漏斗溜至斗頸、斗穿后，采用裝載機裝車、小型汽車運輸(長4m、寬1.7m、高1.5m、功率24KW、載重量3噸)運出地面礦坪。

3 礦山開采中存在的主要問題

(1)安全問題。一些礦段比較破碎，主運輸平巷布置在脈內，巷道上部布置采礦工作面影響巷道頂板穩固性，運輸安全缺少保障;而回風巷道也是布置在脈內的，其下部是采空區，很容易因陷落而破壞。

(2)巷道堵塞。由于礦體邊界清楚，擠壓滑動明顯，與地層產狀一致，主運輸平巷多見脫層滑落現象，導致已經建成的斗穿長度變短，高度變大，放礦時，礦石極易滾到運輸平巷中央，造成巷道堵塞。

(3)礦石貧化。由于大多數礦段礦體水平厚度都達不到3.5m，掘進時會導致副產礦石無法回收利用或貧化嚴重——因本礦區礦石屬于低品位礦，爆破再貧化后無回收利用價值。

(4)PD510、PD470 礦房采用類似于塹溝式有底柱的底部結構建設，沒有發揮塹溝式礦房的優點，而是取其缺點進行建設。

塹溝式礦房采用在脈外建一條平行于沿脈平巷的運輸平巷，斗穿即為出礦巷道——塹溝(如圖2)，減少了漏斗、斗頸、拉底巷道的工程投入。

(5)選購裝載機問題。由于斗穿是垂直于主運輸平巷的出礦巷道的，裝載機在裝車時轉彎難度大，裝車速度慢，增加了油煙排放量，工作環境已經很差，為了提高效率，施工隊在設備選型時，錯誤地選擇了較大型的XG918I 型裝載機(斗寬:2.0m，全長6.3m)和XGL30 型裝載機(斗寬:2.384m，全長6.6m，全高:2.959m)，造成裝載機轉彎掉頭更加困難和裝車需要的空間進一步增大。

(6)裝車問題。由于采用普通型裝載機鏟斗窄比小型汽車尾部更寬，需要小型汽車側身擺放才能方便于鏟車裝車，因此，施工隊要求進一步擴大裝車場的空間，造成了擴幫工程量的進一步增大。

(7)掘采比大問題。由于公司粗放型技術管理的原因，使得施工隊千篇一律地按照設計單一的礦房尺寸進行建設，造成礦房掘采比超大，難以實現經濟效益。

①一個礦房實際掘進工程量及造價(按2013年單價)見下表:

表1 大壩工程混凝土配合比

②一個礦房可采礦量(按礦體平均厚度為3.0m)計:(長× 寬×高)×比重=(60 -6)×3.0 × (40 -6 -5)×3=54 ×3.0 ×29 ×3=14094 噸。

③僅礦房建設，單位礦石分攤的成本為:578070 ÷14094=41.01元/噸。

(8)鐵精粉生產成本。①公司采礦、選礦等各種費用分攤到單位礦石的成本為182.01 元，具體是:開拓:20 元/噸、礦房建設:41.01 元/噸、采礦:30 元/噸、裝車運輸11 元/噸、選礦50 元/噸、經營管理費及各種稅費30 元/噸。②經過6年的選礦經驗得知:本礦山礦石約要3 噸原礦才能選一噸鐵精粉，即精礦粉的成本為:3 ×182.01=546.03 元/噸，近年來，鐵精粉(鐵含量64%)的銷售價(不含稅)520 元，因此，必須從礦山生產中挖掘降低成本的潛力。

4 采用塹溝式底部結構與控制參數，降低成本

采用無底柱塹溝式底部結構可以減少斗穿(出礦巷道——塹溝)、斗頸、漏斗的掘進費用，改變脈內掘進主運輸巷道為脈外主運輸巷道，將原拉底巷道(底板)降至與主運輸巷道(底板)相同標高，降低掘進單價，縮短工期，通過控制結構參數，減少聯絡巷工程浪費，計算如下:

4.1 塹溝與斗穿對比，挖掘節約費用潛力

理論上，我們可以這樣理解——斗穿長度相當于礦(巖)柱寬度。原方案在現場施工中，斗穿長度為4.5m/個，由于斗穿是由礦體內的沿脈巷道向下盤圍巖方向掘進的，因礦體邊界清楚、擠壓滑動明顯，斗穿在礦體邊界處基本上都存在片幫滑落現象，經測量，斗穿實際有效長度為3.5～3.9m，即礦(巖)柱寬度≥3.5m 時，能夠達到安全要求，因此，為了降低成本，改進后的礦(巖)柱寬度按3.5m 建設，出礦巷道——塹溝長度按4.0m 建設。

則降低費用:8 個×(4.5 -4.0)m/個×7.5m2×290 元/m3=0.870萬元;

4.2 主運輸平巷造價

原沿脈主運輸平巷(3.5 ×3.0)改在上盤圍巖中平行于礦脈布置，掘進費用相同;

4.3 改變拉底巷道位置，造價減少

將原在6m 高處的拉底巷道改成與脈外運輸巷道等高的拉底巷道，因單價不同，可以降低費用:240m3×(350 -290)元/m3=1.68 萬元;

4.4 直接免除斗頸造價

斗頸掘進費用可以節省:8.560 萬元;

4.5 減少原斗穿結構需要擴幫的工程投入(如圖3 所示)

將原斗穿垂直于主運輸巷道改成出礦巷道與主運輸巷道成60O夾角，便于裝載機的調頭、轉彎與裝車工作。這樣，至少可以減少3/4 的擴幫工程量，即可節約費用為:1.970 ×3/4=1.48 萬元;

4.6 擴漏斗費用

擴漏斗材料(含能源)消耗及工資、安裝漏斗材料及工資約1.32 萬元。

4.7 控制聯絡巷參數

將每個聯絡巷長度控制在3.5m 以內，2 條天井需掘10 個聯絡巷，1 個聯絡巷長度可以縮短2.0m，可節約費用為:

4.8 采用無底柱塹溝式礦房并控制好參數可節約費用的計算

無底柱塹溝式礦房比有底柱漏斗式礦房可節約的掘進工程費用為:0.870 +1.680 +8.560 +1.480 +1.32 +0.700=14.61 萬元。

4.9 井巷掘進的先后順序

(沿脈)拉底巷道→出礦巷道→脈外主運輸巷道→天井→聯絡巷，脈外主運輸巷道保持與(沿脈)拉底巷道平行，當中相隔3.5m 圍巖作為巖柱;當礦脈尖滅，(沿脈)拉底巷道就不存在了，此地段只需掘進一條主運輸巷道，要注意將原相隔3.5m 的兩條巷道過渡合并為一條。

5 適當調整薄礦體的采礦單價，提高綜合效益

經巷道控制所揭露的礦體看，本礦山礦體沿走向約有15%的長度礦體水平厚度只有1.0～2.0m，由于采礦單價低，施工隊回采這部分礦石連成本都無法收回，而放棄回采，對于花園鐵礦來說，這會大減少礦石回采率，并且大大提高了掘采比，因此，應該采取調整這部分礦體采礦的單價，在保住施工隊最低保障收益的情況下，綜合提高礦山生產經營的效益。

6 采用新設備，改善工作環境，提高工作效率與經濟效益

在(沿脈)拉底巷道，出礦巷道，脈外主運輸巷道掘進中采用輪胎式耙斗裝巖機裝車，可以減少油煙的產生，改善空氣質量、減少通風時間，并且大大提高工作效率，提高經濟效益;裝礦作業，可以選擇側翻斗裝載機，這樣就可以降低運礦車側身及與裝載機相互調整位置的難度，提高工作效率與經濟效益。

7 結語

(1)在礦體厚度薄且不穩定、礦石品位低的條件下，公司經營近幾年未產生效益的情況下，從采礦技術與工程施工管理上著手，挖掘潛力是十分必要的。

(2)采用塹溝式無底柱的底部結構不但能夠滿足安全生的產需要，還解決了邊幫脫落導致斗穿尺寸變大、礦石滾到巷道當中造成堵塞的問題，本礦山在布置薄礦體的采礦工程中應該推廣運用。

(3)采用塹溝式無底柱的底部結構，并控制好各井巷參數，建設一個礦房大約可以降低成本:14.61 萬元，由于脈外主運輸巷道需要增加排土場建設投入，按每年建礦房數15 個，排土場建設費用為70 萬元/年計，預計礦山工程投入可以節約費用149.15 萬元/年。

(4)由于巷道結構合理，改善了作業環境，降低了井下裝運工作的勞動強度，提高了生產效率，從而也能降低通風等其它成本。