復(fù)雜開采條件下某鐵礦采礦方法優(yōu)化研究

袁 棟，徐 磊

(1.蕪湖太平礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖市 238002；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012)

0 前 言

某鐵礦于2007年正式開始基建，采用地下開采，計劃年開采能力為20萬t/a。在勘探工程、井下基建作業(yè)及礦山生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)礦體內(nèi)外環(huán)境已發(fā)生一系列變化，開采難度較預(yù)想的要大，原初步設(shè)計相關(guān)技術(shù)方案已難以完全滿足安全、高效開采的要求。且目前的開采實踐也表明了原有的采礦方法不能很好的適應(yīng)新的變化，出現(xiàn)了一系列不足。如平面礦體不連續(xù)，造成生產(chǎn)中難以形成規(guī)則采場，貧化率高，生產(chǎn)效率偏低；采礦暴露面積偏大，頂板管理較為困難，采場作業(yè)安全性較差；出礦工藝落后等不足。目前迫切需要對現(xiàn)有的工藝進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，使之能使用開采條件的變化。

1 礦山水文、工程地質(zhì)及礦體特征

1.1 水文地質(zhì)條件

某鐵礦礦區(qū)地表全為第四系松散沖積物覆蓋，鉆露的地層主要為三迭系中統(tǒng)徐家山、黃馬青組。區(qū)內(nèi)第四系埋藏厚度大，富水性強；礦床埋藏較深，礦體及其頂板巖層富水性中～強，巷道直接進水，水壓大；裂隙巖溶含水層與第四系含水層之間雖有厚度0～26 m弱透水巖層起到相對隔水作用，但在構(gòu)造裂隙、巖體接觸帶裂隙發(fā)育處或該層變薄尖滅處，往往是第四系強含水層與裂隙巖溶含水層溝通的有利通道，故未來巷道突水現(xiàn)象嚴重。

本礦床屬于頂板直接進水，有穩(wěn)定的地下水補給來源，故其水文地質(zhì)條件屬于復(fù)雜類型。

1.2 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)上覆第四系厚50～70 m，主要為粘土，含粉砂粘土、泥質(zhì)粉砂、粉細砂及砂礫石層。上部常夾有薄層泥炭。礦床的部分礦體及頂、底板地層巖石破碎、松散，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，不良工程地質(zhì)問題多。礦區(qū)內(nèi)主要礦體埋藏在50～188 m之間，礦體圍巖多為大理巖類、方解石巖類、閃長巖類，部分為角巖類、少量角礫巖及安山玢巖。頂?shù)装鍘r石大部分半堅硬、完整，其工程地質(zhì)條件穩(wěn)定性較好。但局部構(gòu)造發(fā)育地段，由于巖溶發(fā)育或蝕變作用的結(jié)果，巖石呈松散、軟弱狀，含水性強，加之地下水壓力大等綜合因素的作用，故其工程地質(zhì)條件穩(wěn)定性差，危害性突出。

本礦床工程地質(zhì)條件屬于復(fù)雜類型。

1.3 礦體特征

礦床由9個鐵礦體組成，編號為I～IX。礦體埋深一般在50～188 m。礦體主要呈似層狀、透鏡狀，其形態(tài)、規(guī)模受圍巖地層及接觸帶控制。礦體產(chǎn)狀一般較平緩，略向南東傾斜，傾角一般在5°左右；Ⅳ號礦體傾角稍大，一般在5°～20°。

區(qū)內(nèi)礦體規(guī)模一般較小，其走向、傾向延伸均在100 m左右，厚度2.23～9.27 m不等；礦體產(chǎn)出標高-45～-144 m；Ⅳ號礦體規(guī)模較大，礦體走向延伸約500 m，傾向延伸約300 m，工程見礦厚度2.10～25.02 m，礦體厚度變化中等，其變化系數(shù)為60%。礦體產(chǎn)出標高-67～-180 m。

2 礦山開采現(xiàn)狀及存在問題

2.1 原采礦方法簡介

礦山為地下開采，礦區(qū)地處平原，地表多為良田，地表不允許陷落，故初步設(shè)計中選用上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法。

開采順序是沿著礦體走向由東向西后退式回采；在礦塊內(nèi)是自下而上開采。首采中段為-185 m中段。首采地段為-185 m中段礦體最西側(cè)的礦塊。礦塊沿礦體走向布置。礦塊寬度一般為6～8 m，礦塊長度取50 m。礦塊垂高為中段高度50 m，間柱6 m，底柱高為5 m，不留頂柱。

目前，礦山開采大體可為3個水平，分別為-130，-150，-179 m。-130 m水平為回風(fēng)水平，-150 m水平正在回采，-179 m水平為運輸水平。沿礦體走向自西向東依次劃分為0采區(qū)、1采區(qū)、新2采區(qū)、3采區(qū)。目前，0#、1#采區(qū)在進行回采。1采區(qū)北側(cè)采場基本已經(jīng)回采完畢，部分轉(zhuǎn)層巷道已經(jīng)連通到-136 m水平。南側(cè)采場-150 m以上礦體較少，大體分布在-157～-150 m區(qū)間。

2.2 存在問題

隨著某鐵礦生產(chǎn)勘探、井下基建及采礦過程對礦體的進一步揭露，礦體形態(tài)及賦存方式發(fā)生了變化，由于這些變化，原有的采礦方法存在如下問題。

(1) 出礦方式為電耙出礦，電耙出礦耗能高，安全性相對較差。

(2) 部分平面上礦體不連續(xù)，部分區(qū)域出現(xiàn)了夾石層，難以形成規(guī)則采場，且廢石較多，貧化率較大。

(3) -157 m以下幾乎無礦體賦存，繼續(xù)將-185 m中段作為首采中段已不合理，首采水平須進行調(diào)整。

(4) 礦體下盤形態(tài)出現(xiàn)變化，標高起伏較大，底柱完全布置在巖石內(nèi)對控制礦體不利，部分底柱需預(yù)留在礦體中，留有的底柱難以回采，礦石損失較大，加上礦體形態(tài)的復(fù)雜性，導(dǎo)致貧化率也較高。

(5) 前期采準施工時對礦體出現(xiàn)的變化情況掌握不夠徹底，部分巷道布置位置不夠理想，導(dǎo)致設(shè)備轉(zhuǎn)層系統(tǒng)不合理，鏟運機上下分層乃至同分層之間都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)運困難的現(xiàn)象。同分層為方便鏟運機進出，往往施工聯(lián)絡(luò)道，造成礦柱破壞嚴重，不僅會影響第二步的礦柱回采作業(yè)，也對礦房的回采帶來了不良影響。而上下分層之間往往通過就近施工上山巷道完成，不僅影響到整個采準系統(tǒng)的整體布局，也由于部分上山巷道布置在脈內(nèi)，影響了礦體的回采。

(6) 采礦暴露面積偏大，頂板管理較為困難，采場作業(yè)安全性較差。由于前期施工的聯(lián)絡(luò)道對礦柱造成一定破壞，造成頂板管理更加復(fù)雜，第二步礦柱回采作業(yè)安全性較差。

(7) 采場不規(guī)則，生產(chǎn)連續(xù)性差，采礦效率較為低下，產(chǎn)能難以提升，生產(chǎn)處于時斷時續(xù)的狀態(tài)。轉(zhuǎn)層巷道的復(fù)雜性，不僅使整個區(qū)域難以統(tǒng)一使用，降低了效率，也使部分礦房回采不規(guī)則，生產(chǎn)不順暢。由于前期對礦柱的破壞，第二步礦柱回采也難以順利展開，造成采礦效率較為低下，產(chǎn)能難以提升等不足。

3 采礦方法優(yōu)化

3.1 優(yōu)化原則

由于某鐵礦為水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦山。地表第四系覆蓋層厚度較大，且其中有含水層，地表有村莊和道路，不允許塌落，要實現(xiàn)礦山的安全開采，必須切實對第四系覆蓋層實行保護，防止其產(chǎn)生冒落。在可供選擇的采礦方法中，充填采礦法是最為切實可行的采礦方法。經(jīng)過綜合考慮，為充分利用現(xiàn)有開采格局，仍采用上向分層充填法進行回采。即在主體工藝大體不變的情況下，對具體的采準巷道的布置形式及位置進行細節(jié)上的調(diào)整與優(yōu)化。工藝布置時，劃分盤區(qū)進行回采，即為盤區(qū)上向分層尾砂膠結(jié)充填法。針對礦體復(fù)雜多變的形態(tài)，有針對性的選擇盤區(qū)進路式或是盤區(qū)點柱式完成回采。出礦方式由電耙出礦改為更環(huán)保節(jié)能，更安全的鏟運機出礦。

3.2 優(yōu)化范圍

采礦方法優(yōu)化范圍為某鐵礦-135 m分層以下的礦體。本階段具體針對0#～4#采場。

3.3 采礦方法的選擇及優(yōu)化

根據(jù)礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀及現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，經(jīng)前期反復(fù)研究對比，對原有的上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法進行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，改為盤區(qū)式布置，即為盤區(qū)上向分層尾砂膠結(jié)充填法。

進路采場既可沿著走向布置，也可垂直走向布置，進路寬度可取3～10 m左右，一般每12～15 m劃分一個分段，每個分段劃分為3個分層，分層高度一般取3～4 m?？紤]到井下部分區(qū)域已經(jīng)形成了7 m高為一分段的生產(chǎn)格局，提出了3種采準巷道布置方案。

(1) 分段高度(即分層)直接取7 m，無需多個分層劃分為一個分段，采場斜坡道及溜礦井可直接服務(wù)于-136，-143，-150，-157 m各個分段(分層)。該方案需要巖性條件允許分層高度取較大值。

(2) 在分段高度僅為7 m的條件下，將7 m劃分為2個分層。分層高度3～4 m，在此條件下，采用進路斜坡道來連接分層聯(lián)絡(luò)巷與進路并不合適，工程量大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可通過掘進多個溜井，每7 m交替開口，保證每個分層均有溜井服務(wù)即可。鏟運機直接通過各個分層聯(lián)絡(luò)巷與進路采場和脈外采場斜坡道連通。

(3) 高(單)分層多步驟回采，即將7 m直接作為分層高度，但由于巖性條件不支持7 m的回采高度，可實施單分層多步驟回采，每次回采2～3 m，然后以充填料鋪設(shè)進路斜坡道供鏟運機進入上個回采作業(yè)面。出礦及鏟運機轉(zhuǎn)層措施與方案1類似，采場斜坡道及溜礦井直接服務(wù)各個分層。

方案1需要巖性條件相對較好，能支持7 m的回采高度。在巖性條件不允許的情況下，可采用方案2與方案3。這2種方案比較而言，方案2每7 m須劃分2個分層，相比于方案3，每7 m就多了一個水平分層聯(lián)絡(luò)巷直接連通各個進路采場與脈外采場斜坡，也須多增加一個溜井實現(xiàn)各個分層交替開口。方案3將7 m劃分為1個分層，通過采用多步驟回采來避免回采高度過高的問題。但需在各個進路中通過充填體鋪設(shè)小的進路斜坡道以進入上個回采空間，相對于方案2，工藝過程相對復(fù)雜。

3種方案的工藝布置形式基本相同，僅僅是分層高度、數(shù)量的區(qū)別帶來的采準巷道工程量及位置的變化。為盡可能使標準工藝圖體現(xiàn)本次優(yōu)化設(shè)計意圖，也使工藝的標準性與現(xiàn)場適配性盡可能的統(tǒng)一。采用方案2每分段劃分2分層來進行標準工藝說明。實際生產(chǎn)中，可根據(jù)礦體的形態(tài)及現(xiàn)有工程的分布情況有針對性的進行采準工藝調(diào)整與布置。

(1) 礦塊布置及構(gòu)成要素。礦塊沿走向布置，平均厚100 m，階段高27 m，每50 m劃分一個盤區(qū)，盤區(qū)間柱為8 m，盤區(qū)采場長42 m。回采進路沿著礦體走向布置，進路寬度3～7 m，分層高度4～7 m，具體的采場參數(shù)須根據(jù)現(xiàn)場情況予以調(diào)整。采切工程包括聯(lián)絡(luò)平巷、運輸平巷、分層巷道，回風(fēng)天井、溜礦井、斜坡道、進風(fēng)井等，其中回風(fēng)井、進風(fēng)井、斜坡道均布置在脈外，斜坡道坡度不大于15%，溜井布置在穿脈巷道之內(nèi)。鏟運機通過斜坡道進入各個分層穿脈巷，溜礦井直接服務(wù)每個分層。

(2) 回采工藝。將回采進路劃分為礦房礦柱，先回采礦房進路，待兩側(cè)礦房進路回采完畢進行充填后，進入礦柱進路回采，即整個回采過程遵循“隔一采一，充填與回采交替進行”的生產(chǎn)原則。回采前，先通過進路貫通前后2個盤區(qū)穿脈聯(lián)絡(luò)巷，形成完整的通風(fēng)回路后進行采礦。鑿巖采用鑿巖臺車或鑿巖機鑿巖，打上向炮孔，采用乳化炸藥，分段微差爆破。垂直方向自下往上逐層回采，水平方向采用后退式開采。

(3) 采場運輸。使用2個以上溜井每7 m交替在各個分層開口，保證每個分層均有溜井服務(wù)。礦石采用鏟運機出礦，通過盤區(qū)溜井溜至運輸水平，經(jīng)電機車運輸至主井提升至地表。

(4) 采場通風(fēng)。在盤區(qū)穿脈聯(lián)絡(luò)巷一端掘進一條進風(fēng)井，在盤區(qū)另外一端掘進回風(fēng)井，新鮮風(fēng)流從進風(fēng)井進入各個進路采場，清洗工作面后，通過下個盤區(qū)聯(lián)絡(luò)巷中的回風(fēng)井進入回風(fēng)水平完成通風(fēng)。

(5) 采場充填。充填時先用尾砂充填2.5～3.5 m，再用1∶4或1∶6的膠結(jié)充填料澆面0.5 m，養(yǎng)護好后即可轉(zhuǎn)入上一分層的回采。

采切工程量表見表1。

表1 采切工程量

3.4 優(yōu)化前后對比

表2為采礦方法優(yōu)化前后對比簡表，從表2中可知，優(yōu)化前后均采用分層充填法，通過充填手段來處理井下空區(qū)和管理地壓。不同的是優(yōu)化前留有間柱和底柱及出礦底部結(jié)構(gòu)，采用電耙出礦。優(yōu)化后，僅保留間柱，不留底柱，采用鏟運機出礦，提高了資源利用率。從具體的指標來看，優(yōu)化前后萬噸采切比差別不大，均在135 m/萬t左右，即兩者的采掘成本基本一樣。但優(yōu)化后少了底柱，提高了回采率，且采用鏟運機出礦，生產(chǎn)效率將更高。故優(yōu)化后，能較大幅度的提高經(jīng)濟效益。優(yōu)化后采用更先進、安全、環(huán)保的鏟運機出礦，采場暴露面積更小。故安全性要優(yōu)于原采礦方法。

表2 采礦方法優(yōu)化前后對比

4 小 結(jié)

對原有的上向水平分層膠結(jié)充填法進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，不僅較大幅度地提高了回采率，增加礦山經(jīng)濟效益，也減少了采場暴露面積，縮短了充填等待時間，且將能耗大、安全性相對較差的電耙出礦改為更環(huán)保節(jié)能、生產(chǎn)效率更高、安全性更好的鏟運機出礦，提高了采場安全性。