預控頂上向進路充填法在白象山鐵礦的應用

陳五九 劉發平 張欽禮 王 兢

(1.馬鋼(集團)控股有限公司姑山礦業公司；2.中南大學湖南中大設計院有限公司)

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預控頂上向進路充填法在白象山鐵礦的應用

陳五九1劉發平1張欽禮2王 兢2

(1.馬鋼(集團)控股有限公司姑山礦業公司；2.中南大學湖南中大設計院有限公司)

根據白象山鐵礦礦巖穩固性差，涌水量大等開采技術條件，綜合考慮技術經濟效益，采用了預控頂上向進路充填法開采，將上向水平進路充填法“自下而上單分層回采”變為“自下而上雙層合回采”，通過數值模擬優化了預控頂進路充填法采場結構參數，完成了采準、回采、充填工藝設計。實踐表明，預控頂上向進路充填法大大提高了生產效率，降低了回采成本，按照礦山200萬t/a生產能力，可節約開采成本6 770萬元/a，滿足了礦山安全高效生產的要求，為同類礦山開采提供了經驗。

預控頂上向進路充填法 開采條件 結構參數 回采工藝 充填工藝

白象山鐵礦是馬鋼(集團)控股有限公司姑山礦業公司的下屬礦山，擁有儲量豐富的優質磁鐵礦資源，初步設計生產能力200萬t/a，采用豎井斜坡道聯合開拓，機械化盤區上向分層連續傾斜進路尾礦充填采礦法和機械化盤區點柱式上向分層充填采礦法開采[1-2]。由于礦巖穩固性較差，涌水量大且防治水工作尚未完成[3]，參考該礦業公司和睦山鐵礦開采經驗，確定采用預控頂上向進路充填法進行不穩固礦體回采。

1 開采技術條件分析

礦床內共圈定礦體11個，其中Ⅰ#礦體為主礦體，地質儲量約占礦床總儲量的98.9%，其余小礦體僅占總儲量的1.1%。主礦體賦存在閃長巖與砂頁巖接觸帶內，其形態受礦區背斜構造控制,橫向呈平緩拱形，產狀與圍巖基本一致，兩翼傾角5°～35°，在撓曲部位達35°～55°，一般為10°～30°。縱向南部南傾，與背斜傾伏角大致相同。

礦床水文地質條件和礦體形態復雜，地表有青山河流經礦區，常年有水，且水量大；礦體上部連續分布的強含水層是礦坑充水的主要含水層，向上承接第四含水層的越流補給，向下補給礦體含水層。礦區內有導水性好的F1、F2、F3斷層，切割礦體頂板各巖層，直達河床和地表。

礦區節理、裂隙發育，基底巖層成礦前節理主要發育20°～50°和290°～345°兩組，為鐵質、矽質和碳酸鹽等充填，成礦后主要發育285°節理。

主礦體基本穩定，但礦體夾石層和礦體頂底板圍巖局部具有軟化巖石特征，上下盤20 m范圍內存在一個近礦圍巖不穩定帶，是影響礦山開采的主要工程地質問題。

2 預控頂上向進路充填采礦法

2.1 采礦方法特征

與普通進路充填法自下而上單分層回采[4-7]不同，預控頂上向進路充填法采用的是自下而上雙層合回采，融合空場法與充填法，通過預先拉頂加固頂板、下向采礦形成較大空場、然后充填的一種采礦方法。其基本特征是：將兩個分層作為一個回采單元，首先回采上分層(控頂層)，之后加固頂板，再回采下分層(回采層)，充填。本采場所有上下兩層進路回采充填完畢后，再升層至上兩個分層[8]。

2.2 采場結構參數優化

預控頂上向進路充填法的關鍵結構參數是進路寬度和高度。綜合考慮進路穩定性、支護量和生產效率，確定進路寬度4 m，對回采進路高度進行優化。

2.2.1 參數優化方法

由于采場結構參數影響因素眾多，且大多屬于定性因素，使采場結構參數無法實現理論上的最優化。傳統的模型試驗及現場采礦試驗均難以實現多種結構參數和回采方案的優化研究。為此，利用數值模擬軟件，分析了不同高度組合(模型1、2、3進路高度分別為6，7和8 m)條件下，第二步進路回采時(由于二步采進路是在一步采進路回采完畢并充填的情況下進行回采，其安全性遠較第一步采場差)頂板礦體和人工膠結礦柱的穩定性情況。

模型尺寸(寬×高×長)為660 m×230 m×880 m。

2.2.2 材料參數

采用白象山鐵礦初步設計中給出的礦巖力學參數，充填體力學參數取自該礦充填試驗(表1)。

表1 礦巖力學參數

2.2.3 數值模擬優化結果分析

數值模擬[9-11]主要分析采空進路直接頂板及周圍人工礦柱的穩定性，一旦其中任何一個組成要素不穩定，都將導致采場處于危險狀態之下。由于影響頂板安全性因素多，如巖石力學性質、節理與裂隙發育情況、回采強度(暴露時間)、爆破參數、支護方式、采場結構參數等，受數值模擬技術水平限制，模擬結果并不能保證百分之百準確。因此，為安全起見，采用安全系數法進行采場頂板穩定性評價。安全系數定義為礦巖抗壓強度(或抗拉強度)與頂板最大壓應力(或拉應力)之比。

模擬結果見表2、表3。模型2采場和充填體的應力情況見圖1。分析各圖表有關數據可以看出，各模型礦體頂板最大壓應力及人工礦柱最大壓應力和最大拉應力均未超過各自極限抗壓強度和抗拉強度值，各模型大面積呈現均勻下沉狀態，最大沉降量0.8 cm，尤其是進路頂板抗拉安全系數都較高，說明充填體起到了良好的控制地表沉降作用，模型3(進路高度8 m)人工膠結礦柱的最大拉應力偏大，抗拉安全系數n1<1.15，不宜采用。從安全和經濟因素分析，推薦預控頂上向進路充填法時，回采進路寬度取4 m，進路高度7 m(即各分層進路高度3.5 m)。如果在開采過程中發現部分地段穩固性較差，可適當減小采場高度至6 m。

表2 礦體直接頂板數值分析

表3 人工膠結礦柱數值分析

圖1 模型2進路直接頂板拉應力效果云圖

2.3 采準工藝

預控頂進路充填法進路沿礦體走向布置，根據采場結構參數優化結果，單分層進路高度3.5 m，兩分層回采完畢后，進路高度達到7 m。采準工程主要包括分段平巷及分層聯絡道、采場斜坡道、回風巷道、溜礦井、充填回風井及泄水井等(圖2)。

圖2 預控頂上向進路充填法方案

(1)分段平巷。分段平巷沿礦體走向布置，負責上下若干分層的回采，斷面尺寸為4 m×3.8 m。

(2)分層聯絡道。分層聯絡道布置在盤區兩端，作為盤區分界線，一條通達預控頂進路采場的下部分層(回采層)，作為下部分層回采的聯絡道，另一條直達采場的上部分層(控頂層)，作為預控頂進路回采的聯絡道。分層聯絡道斷面規格要求滿足鏟運機運行安全、方便，斷面尺寸為4 m×3.8 m。

(3)進風泄水井。聯絡道盡頭(礦體上盤)布置進風井，以改善各采場進路的通風效果，規格為φ2.0 m。該進風井同時兼做采場泄水井。

(4)充填回風井。充填回風井布置在礦體下盤，尺寸規格φ2.0 m。

2.4 回采工藝

(1)回采順序。上分層(控頂層)為巷道采礦，下分層(回采層)回采時，在控頂層內以回采層聯絡道為自由面鉆鑿垂直孔崩礦。

(2)鑿巖爆破。以鑿巖臺車為主，控頂層采用Bommer 281進口液壓鑿巖臺車，鉆鑿水平炮孔，回采層采用國產氣動鑿巖臺車，鉆鑿垂直下向炮孔。采用φ32 mm乳化炸藥藥卷，長度200 mm，每卷裝藥150 g。采用非電導爆管、毫秒微差雷管，CHA-300型起爆器起爆。

控頂層按普通巷道掘進方法布置炮孔，炸藥單耗0.386 kg/t，炮孔崩礦量1.2 t/m；回采層回采時，在控頂層進路內鉆鑿下向垂直炮孔，向回采層聯絡道方向側向崩礦。下向垂直炮孔深度3.5 m，炮孔距進路輪廓線取0.5 m，其他炮孔間距1.3～1.4 m，排距1.0 m，炸藥單耗0.22 kg/t，炮孔崩礦量3.02 t/m。合計預控頂上向進路充填法炸藥單耗0.35 kg/t，炮孔崩礦量1.41 t/m。

(3)出礦。出礦設備采用國產2 m3柴油鏟運機，生產能力為200 t/(臺·班)。

(4)通風。進路采場回采屬于獨頭作業，通風效果差，需安裝局部風機。根據要求，風機和啟動裝置安設在離掘進巷道進口10 m以外的進風側巷道中，每次爆破結束后，將新鮮風流導入到工作面，通風時間不應少于40 min，污風沿進路出采場經充填回風天井排入上階段回風平巷，通過回風井排至地表。

2.5 充填工藝

為盡可能縮短進路暴露時間，進路回采結束后應盡快充填。為了防止淋漿后料漿沉縮造成接頂不充分，采用兩道充填管，其中一道用于最后的接頂充填。為防止充填引流水和洗管水進入進路采場，于充填擋墻外安裝放水三通閥排水，以提高充填體硬化速度和強度，最后在進路入口處構筑擋墻，由于充填體高度4 m，側壓較大，采用磚弧形充填擋墻(圖3)。砌筑擋墻厚度0.5 m，并留設排水管口和充填觀察窗。同時，在擋墻兩側與巷道接觸處用水泥砂漿密閉，以防跑砂。

圖3 磚弧形充填擋墻

3 應用效果評價

采用預控頂上向進路充填法，回采進路由原設計的4.5 m×4.0 m擴大為4.0 m×7.0 m，后逐步將進路寬度擴大為6 m，最終形成6.0 m×7.0 m的回采進路。

(1)由于控頂層提供了充足的爆破自由面，回采層爆破效率大大提高，炸藥單耗由0.4 kg/t降為0.35 kg/t，僅炸藥降低費用1 200萬元。

(2)工資成本平均9.5元/t，采用預控頂技術后，由于工效提高，人工成本降低30%，節約人工成本費用570萬元。

(3)普通進路充填法支護成本50元/t，預控頂技術回采層基本不需支護，支護成本降低為30元/t，節約成本4 000萬元。

(4)采用預控頂技術后，僅需在回采層構筑充填擋墻，充填成本降低5元/t，按200萬t產能計算，節約充填成本1 000萬元。

綜上，預控頂上向進路充填法與原設計的普通上向進路充填法相比，生產效率大大提高，成本明顯降低，年節約費用6 770萬元。

4 結 論

白象山鐵礦是國內著名的大水礦山，水文地質條件復雜，礦巖穩固性較差，通過應用預控頂技術，極大地改善了普通上向進路充填法生產效率低，作業成本高的弊端，保證了作業安全，為破碎礦體安全高效回采提供了一個成功的案例。

(1)采用預控頂技術，將上向水平進路充填法自下而上單分層回采變為自下而上雙層合回采，提高了進路充填采礦法生產效率，降低了回采成本。

(2)利用數值模擬方法，優化和確定了預控頂上向進路充填采礦法的結構參數，確定單分層進路高度3.5 m，兩個分層回采完成后分層高度7 m，為生產提供了可靠的參數優化方法。

(3)預控頂上向進路充填法，不僅解決了白象山鐵礦在裂隙涌水量較大的地段，以及礦巖破碎地段回采作業安全，提高了該礦現階段產量，而且大大降低了回采作業成本，年節約開采成本6 770萬元，經濟效益顯著。

[1] 于常先,邱云勝,王祿海.機械化盤區上向高分層寬進路充填采礦法在三山島金礦的研究與應用[C]∥第九屆全國采礦學術會議.昆明：中國核學會，中國煤炭學會，中國地質學會等，2012(9)：110.

[2] 艾純起,劉洪戰.盤區機械化寬進路充填采礦法在河西金礦的應用[J].黃金,2014(5):35-38.

[3] 徐 恒,王貽明,艾純明,等.頂板破碎富水礦山的機械化上向水平分層充填采礦法[J].金屬礦山,2015(3):32-35.

[4] 張雄天,張國勝,趙永峰,等.上向進路充填法進路回采順序的優化研究[J].礦業研究與開發,2016(1):5-9.

[5] 徐 飛,何治良,褚洪濤,等.上向進路充填法在“三下”礦體開采中的應用[J].有色金屬：礦山部分,2013(5):24-27.

[6] 艾純起,李公章.上向進路充填法在殘礦回收中的應用[J].中國礦山工程,2014(3):44-46.

[7] 熊國雄,趙雄文,盧 波,等.上向水平進路充填法在銅綠山礦的應用[J].現代礦業,2012(11):4-6.

[8] 張欽禮.一種預控頂上向進路充填采礦法：中國，ZL201310125403.4[P].2015-07-10.

[9] 張連恒.MSG鐵礦采場參數優化[J].中國礦山工程,2010(8):16-18.

[10] 王洪武,吳愛祥.基于GA模糊可靠度的采場結構參數優化設計[J].武漢理工大學學報,2010(5):89-92.

[11] 張桃元.錫礦山鉛鋅礦采場結構參數優化[J].中國礦山工程,2010(1):9-13.

2016-07-15)

陳五九(1969—)，男，礦長，高級工程師，243000 安徽省馬鞍山市當涂縣太白鎮。