聯合控頂分步全面嗣后充填采礦構建無尾礦山

摘 要：昌邑礦業有限公司東辛莊鐵礦床部分為緩傾斜復合中厚礦體，具有礦石儲量大、品位低，傾角緩、礦體空間形態復雜、多層礦體平行排列、局部交互重疊、礦巖強度較低、節理裂隙發育、礦巖穩固性差的特點，選用正確合理的采礦方法極為重要。通過進行聯合控頂分步全面采礦、嗣后全尾砂充填采礦方法試驗，實踐證明，該采礦法是解決東辛莊鐵礦體的傾角緩、厚度薄、礦化邊界不穩定、礦巖不穩固賦存特點的高效采礦方法，并取得了較好的技術經濟效果，對類似礦山具有示范作用和推廣價值。

關鍵詞：復雜難采礦體；分步全面采礦；全尾砂充填；綠色無尾礦山

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.079

1 昌邑礦業東辛莊鐵礦床地質賦存情況與開采技術條件

1.1 東辛莊鐵礦床礦體地質賦存情況

東辛莊鐵礦屬層控沉積變質鐵礦床，礦體一般由多個礦層組成，礦體呈層狀、似層狀，多以單斜形態，局部呈背斜形態。礦床由兩個礦段組成，分別為東辛莊礦段和搭連營礦段。

東辛莊礦段共圈定16 個礦體，其中Ⅲ1、Ⅱ1 號礦體為主礦體，該礦段地質資源儲量為3325.5×104t；搭連營礦段詳查共圈定大小礦體3 個，其中I 號礦體為主礦體，該礦段地質資源儲量為473.51×104t。兩個礦區總地質資源量為3799.01×104t，平均TFe 品位28.32%、mFe 品位23.49%。

1.2 開采技術條件

對于該類型礦體開采，存在較大的技術難度，主要表現在：

（1） 礦體賦存規模小，厚度薄。根據生產勘探資料，已探明的礦區主礦體平均厚度為6～7m，屬于中厚偏薄礦體，對于該類礦體的開采，由于采場回采空間的限制，大型高效率采礦設備難于直接進入采場作業。

（2） 礦巖穩固性較差。根據地質報告資料和近期所作的巖石力學試驗研究結果，東辛莊礦區礦巖基本分為四個工程巖組，即磁鐵黑云變粒巖、含石榴磁鐵黑云變粒巖、黑云透輝變粒巖和含石榴黑云透輝變粒巖等，巖石試塊強度較低，節理裂隙發育較充分，在采場回采過程中，對采場暴露頂板的大小、時間要求較高，礦體回采難度較大。

（3）礦體呈多層平行排列，且礦體間的巖石夾層厚度薄。東辛莊礦床礦體數量多，礦體中分支復合、尖滅再現常見，由于礦體或礦層間的夾石較薄，如夾層厚度在5m以下時，開采其中的一層礦體，會對相鄰礦層的開采造成影響，主要表現在采場巖層穩定性、采場作業安全性和采礦效率的發揮方面。

（4）礦石品位低。初步設計中采范圍（332）類儲量磁鐵平均品位24.6%，全鐵平均品位28.06%，（333）類儲量磁鐵平均品位22.05%，全鐵平均品位27.41%，（332+333）類儲量磁鐵平均品位25.47%，全鐵平均品位27.59%，必須采用較低成本的采礦方法。

（5）必須對采空區進行充填。由于地表為耕地或道路，不允許產生地表塌陷，因此，采礦產生的采空區，必須實行充填采礦法開采。

東辛莊鐵礦床礦體賦存數量多，礦體規模小，空間關系復雜，含鐵品位低，礦巖穩固性較好，開采技術難度大，幾乎集中了對采礦不利的所有因素。根據礦體的賦存情況，我們在-230中段和-270中段適宜的礦塊進行了聯合控頂分步全面采礦、嗣后全尾砂充填采礦方法試驗，并取得了比較理想的效果。

2 采礦方法的選擇

選擇采礦方法的基本原則：

（1）安全環保原則。東辛莊鐵礦礦巖穩固性一般，地表不許塌陷；保證采準、回采、出礦作業過程中的安全；保證地下生產采礦不會給周邊的生態、環境留有安全隱患，必須實行充填采礦法開采。

（2）高效原則。生產中段個數少，開采作業的空間受到限制，必須保證較高的生產能力。

（3）低貧、損原則。減少采礦過程中的礦石損失，最大限度地利用資源。同時，控制采礦過程中廢石的混入，提高出礦品位，提高資源利用率，延長礦山服務年限，提高礦山的經濟指標。

（4）低成本原則。礦床礦石品位較低，通過降低噸礦綜合生產成本，才能獲取較好經濟效益。

（5）工藝簡單。采用簡單的生產工藝，有利于提高管理效率，被礦山生產工人所接受和熟練掌握。

根據礦體的賦存情況和開采技術條件，通過多方案技術經濟比較，我們選擇了聯合控頂分步全面采礦、嗣后全尾砂充填采礦方法進行試驗。

3 試驗采場采礦方法實施方案

3.1 試驗采場地質概況

試驗采場位于-230m中段122線～121線之間和-270m中段104線～105線之間的礦體。礦層磁鐵黑云變粒巖，其穩定性較好，礦體厚度為5～7米，-230中段平均厚度5米，-270中段平均厚度4米；全鐵平均品位28%，磁鐵22%，礦石比重3.32t/m3，圍巖比重2.78t/m3，硬度系數礦石f=8；圍巖f=7～10，松散系數約1.65。

首先進行了二個采場的回采工業試驗，分別是位于-230m中段122線～121線之間的DX122-121采場和-270m中段104線～105線之間的DX104-105采場。試驗采場地質儲量如表1所示。

3.2 聯合控頂分步全面采礦、嗣后全尾砂充填采礦法基本特征和構成要素

3.2.1 聯合控頂分步全面采礦、嗣后全尾砂充填采礦法基本特征

（1）采場劃分礦房和礦柱，先采礦房，后采礦柱；

（2）一步采為進路回采，頂板暴露面積相對較小，回采作業安全。進路回采結束后，再后退式回采間柱；

（3）整個采場回采結束，用全尾砂進行充填；

（4）一步采時，采場通風為獨頭巷道型，通風效果較差。

3.2.2 礦房布置及構成要素

礦房的長軸方向可沿走向布置、沿傾斜布置或沿偽傾斜布置，以適應所采用的運搬設備。

采場的長度一般為40～60米，礦房的寬度為40～50米，進路的寬度為4～6米，進路高度為3～4米。礦房之間留3米左右的連續間柱。

3.2.3 試驗礦塊采準、切割工程布置

首先在礦塊走向一端掘進斜坡道連接上下分段平巷，其次在穿脈運輸平巷中施工放礦溜井和充填井與脈內斜坡道和上個中段貫通，再次在斜坡道上部施工上水平分段巷，形成采場出礦、行人、通風、充填通道。

為了減少工程量，天井一般布置在主要穿脈附近。采礦法方案如圖1所示。

3.2.4 回采工藝

（1）回采順序

采準切割工作完成后，即可開始采場回采。先采一步采進路，對頂板用管縫式金屬錨桿和金屬網聯合支護后，二步后采退式間隔回采礦柱。回采作業自施工脈內出礦上山開始，先按8m左右間距自出礦上山沿礦體走向用進路方式回采礦體至采場另一端，回采進路寬為4m左右，高為礦體全厚，當礦體厚度大于4m時，則先回采3.5m左右厚度，然后壓頂至礦體上盤邊界后，再對頂板實行錨桿、金屬網聯合支護，然后再后退式間隔回采間柱，從初始回采進路開始，向采場邊界順序推進。最后用密閉墻封閉與外界相通的進路和通道，用管道輸送地表充填站全尾（非膠結）砂漿分次充填至接頂。

（2）采場落礦

進路回采用YT-27型氣腿式鑿巖機和“一”字型釬頭鑿巖，釬桿長度為2.5m，炮孔直徑38～40mm，平均深度2.2米，二步采炮孔距充填體≥0.7m。光面爆破孔距為0.6m，光爆層厚度為0.7m，炮孔線裝藥密度為0.25kg/m。采用非電導爆管半秒差遠程電子起爆系統起爆。

（3）采場出礦和二次破碎

回采進路寬為4m，控頂高度為3.5～4m，回采步距為2.2m，每次落礦體積約為27m3，每循環落礦量約為90t。每次落下礦石由斗容為1.0m3鏟運機搬運至采場出礦溜井中，溜至中段運輸水平裝車運出或在運輸平巷中直接裝車。由于礦體節理裂隙充分發育，礦體較破碎，爆破塊度一般較細且均勻，在出礦過程中出現的少量大塊，一般集中在工作面用人工破碎后清除。

（4）采場頂板管理

試驗采場采用分步進路回采和嗣后充填工藝，在一步驟進路回采時，頂板暴露面寬度為進路寬度4.0m左右，待二步間柱間隔回采后，進路頂板間相互連通，形成點柱支撐下的大暴露面。經巖石力學試驗和計算機數值模擬分析計算，在試驗礦巖物理力學特性和試驗回采工藝條件下，采場頂板的最大暴露面積為200～300m2，即暴露面跨度大時取小值，跨度小時取大值。在采場回采過程中，一步驟進路回采時的頂板暴露面較狹長，有利于頂板穩定；而在二步驟間柱間隔回采后，各分散的狹長頂板連成一片較寬大的暴露面，此時依賴頂板巖體的自身強度無法支撐較高的頂板應力，因此，須對頂板進行支護加固方可保持穩定，特別是巖體較為破碎的局部區域。

采場暴露頂板采用錨桿聯合支護或錨桿金屬網聯合支護，護頂錨桿采用管縫式金屬錨桿，長為2.2m，錨固網度為1.0×1.5m，對于局部構造破壞或巖體特別松軟區段，則視情況增加金屬網或工程塑料網護頂，以防止巖石冒落。

回采試驗表明，礦石點柱、金屬錨桿和局部金屬網對頂板的支護作用明顯。

（5）采場安全及通風

安全：采場作業人員必須嚴格遵守《金屬非金屬礦山安全規程》、《爆破安全規程》和公司的相關安全規定，嚴禁違章作業。

通風：采場采礦時采用局扇強制通風，局扇應有完善的保護裝置。中段的新鮮風流自主副井進入-270m中段運輸大巷，通過輔助斜坡道進入采場，流經工作面后，污風經采場附近的通風天井流到-230m中段回風巷，z最后由風井排到地表。

（6）采場充填及脫水

①充填砂漿經管路自副井進入-230m中段主運大巷，再經穿脈從采場充填井流至采場空區；充填采用全尾砂充填或毛石充填，全尾砂時充填濃度應達到70%以上。

②回采完畢進路，在進路口處用木板、原木架設擋墻，木板厚度4～5cm，每塊木板之間留2公分空隙，內側鋪設土工布作濾水層，出礦巷與木擋墻的間隙要用土工布封嚴，防止漏漿、跑砂現象發生。充填管為φ108mm的塑料，沿充填天井進入采場。

③采場內充填必須接頂。充填可3次進行，第一層充完，停8個小時，再進行第二層充填。若發現接頂不足時采用噴漿、填充充填雜物等措施補充接頂，未接頂空間較大時，要進行第3次充填。

④充填泄水。為防止充填泄水污染巷道，須在充填木板擋墻外5m處架設0.5m高的二道擋墻

（7）采場作業制度

采用“三班一倒”工作制，回采包括鑿巖、爆破、通風、出礦、撬頂、支護和充填等作業。

3.2.5 試驗采場主要技術經濟指標

聯合控頂分步全面采礦、嗣后全尾砂充填采礦法回采試驗技術指標，如表5所示。

4 經濟效益

工業試驗結束后，將該采礦方法陸續在其它采場推廣應用，至2013年3月份，利用聯合控頂分步全面采礦、嗣后全尾砂充填采礦方法已采出礦石30萬噸，平均出礦品位為22.2%，65%的鐵精礦粉產量為7.5萬噸，工業價值為890萬元，實現利潤188萬元。

5 綠色無尾礦山建設

礦山尾礦將采用井下充填的方式進行處理；增加尾礦干排設施，干拋廢石和部分濕拋粗粒廢石當做石子賣給有關單位，用做工程材料。采用聯合控頂分步全面采礦、嗣后全尾砂充填采礦方法采礦，昌邑鐵礦尾礦產出率與井下充填采空區尾砂材料消耗基本平衡，可以不建尾礦庫，實現綠色無尾礦山建設。

6 結語

聯合控頂分步全面采礦、嗣后全尾砂充填采礦方法是開采昌邑礦業有限公司東辛莊礦區緩傾斜復雜中厚礦體的一種高效率、低成本、安全性好的采礦方法，它有效解決了東辛莊貧鐵礦體開采中的礦體規模小、傾角緩、礦體和上盤圍巖穩固性較差等一系列關鍵技術難題，已在礦山得到推廣和應用，并取得了顯著的技術經濟效果，對類似礦山具有示范作用和推廣價值。

參考文獻：

[1]采礦設計手冊.中國建筑工業出版社，1989年.

[2]解世俊.金屬礦床地下開采.冶金工業出版社，1979年.

作者簡介：曲發科，助理采礦工程師、初級爆破工程師，主要從事：采礦方法研究。