無底柱分段空場采礦法在馬坑礦區應用探討

楊潮進

（廈門鎢業，江西都昌金鼎鎢鉬礦業有限公司，江西 九江 332000）

傾斜、中厚脈狀礦體在上部短時間內無條件形成陷落區的情況下如何采用中深孔回采？值得采礦技術人員的思考與研究。結合在馬坑礦區中礦段西區+360～+420m14#礦塊的回采設計以及現場的技術管理、指導經驗，對傾斜、中厚脈狀礦體在上部短時間內無條件塌陷時所設計采用的無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區采礦法進行分析探討。

1 馬坑礦床特點

1.1 馬坑礦床特點

福建馬坑鐵礦礦體為大型隱伏磁鐵礦體，礦體賦存于南靖群砂巖和棲霞組灰巖的假整合面上，呈似層狀產出。礦體總體走向NE，傾向NW，傾角20°～50°。由于受成礦后斷裂的影響，礦體被切割成多段，各段礦體產狀、賦存狀態變化較大。礦體頂板巖石主要為大理巖，次為矽卡巖，底板巖石主要為砂巖，次為矽卡巖，夾石主要為矽卡巖、砂巖、角巖，脈石礦物以石榴石、透輝石為主，次為鈣鐵輝石、符山石、石英、角閃石，均屬堅硬巖石。礦石主要為他形晶粒狀結構，礦石構造以浸染狀和塊狀為主。

礦區分一、二期開采。一期開采范圍的中礦段主礦體走向長約1600m，延深620m～1080m，平均870m，礦體最大厚度101.72m，平均21.76m，埋藏深度40m～700m。

1.2 中礦段西區14#礦塊的地質情況

14#礦塊位于中礦段79～80勘探線之間，礦體下伏地層為林地組石英砂巖，上伏地層為船山—棲霞灰巖，礦體頂底板局部為矽卡巖。礦體走向近東西，傾向正北向，傾角30°～50°，出露最高標高在+430m水平，最低在0m水平，頂底板間水平距離約30m，走向長約130m。

該礦塊東北側緊鄰F10斷層。F10斷層為張扭性質正斷層，東側向南移動，西側向北移動，斷層向北東傾斜，斷層傾角為70°～80°，斷距從南東向北西由20m變化到60m左右。斷層破碎帶較寬，在+420m水平揭露到的F10斷層，其破碎帶影響范圍近100m左右，向下延伸其破碎帶開始收縮，在+300m水平揭露的F10斷層，其破碎帶只剩20多米厚。斷層角礫有矽卡巖、輝綠巖、磁鐵礦和大理巖塊，有大量方解石脈出現，同時見到后期磁鐵礦、赤鐵礦脈穿插。

在礦塊內部及周邊構造發育，頂板圍巖接觸處局部伴有巖溶，淋滴水現象在礦體西側端部較普遍，巖石穩固性差。

斷層切割了棲霞灰巖、礦體及林地組砂巖，斷層兩側巖石破碎、巖溶發育，在地表沿斷裂帶有4號泉溢出。由于斷裂帶兩側均有可溶巖，特別是其上盤受力較大，巖石破碎，沿斷裂帶兩側巖溶發育，導水性較強。受F10斷層形成時的地質應力影響，林地組砂巖中構造裂隙較為發育，存在F10斷層形成時的伴生小型斷裂帶切割礦體，且礦體上伏灰巖巖溶發育（在+300m水平巷道F10斷層附近施工時遇到溶洞，初始最大水量超過300m3/h），因為裂隙、破碎帶聯通礦體上伏巖溶，以及F10斷層自身聯通地表導水，中礦段西區14#礦塊所處區域水文地質條件較為復雜。

2 采礦方法的選擇

馬坑礦區前期井下采礦方法采用的是淺孔落礦的全面留礦采礦法。而采用留礦全面采礦法存在：①因井下出礦量大，要求同時回采的礦房數量多，管理工作繁雜、難度大；②殘留的礦柱量大、回收困難；③作業人員在空場暴露面下作業，不安全系數增多等因素。加之經多年的回采，井下空區體積不斷的猛增，加劇了坑內回采安全的不可控制性。為了解決井下采礦的安全，便于從淺孔落礦向中深孔落礦轉變的有序銜接，結合現有井下回采的技術條件、馬坑礦區礦床的特點、中礦段西區14#礦塊的地質情況以及地表短時間內不允許塌陷的要求，根據各采礦方法的適用條件和優缺點，經過安全、技術和經濟上的綜合比較后，確定在中礦段西區+360～+420m14#礦塊采用無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區采礦法進行回采，采礦方法如圖1所示。

圖1 無底柱分段空場采礦法

3 采礦工藝

3.1 階段高度、分段高度

中礦段西區14#礦塊礦體出露最高標高在+430m左右，礦體的水平厚度30m左右，傾角30°～50°，走向長度約130m。馬坑中礦段東區（F10以東）前期延伸開拓情況，+420～+300m之間的礦體采用盲主、副斜井來開拓，階段高度設計為60m，開拓的中段有+360m中段和+300m中段。為了有效利用中礦段東區的提升、運輸系統，減少系統建設的投資以及基建時間，決定中礦段西區的開拓階段高度設計也采用60m，把東區的運輸系統延伸過來，西區的礦石通過階段運輸水平運輸到位于東區的箕斗主井，通過箕斗把礦石提升到上水平轉運出地表至選廠處理。故中礦段西區的開拓也設計為+360m中段和+300m中段開拓。

本次探討的是中礦段西區+360～+420m14#礦塊的采礦方法，如前所述，采用的是無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區采礦法進行回采。分段高度考慮到礦體的傾角、礦石貧化、出礦的影響以及保安礦柱的留設需要等因素設計為12m，設計分段為+396m分段、+384m分段、+372m分段和+360m分段，分段之間采用斜坡道進行聯絡，作為大型鏟裝設備、材料和行人的通道，斜坡道斷面規格采用3.0m×3.0m，坡度采用12°～18°。

3.2 采準切割

14#礦塊礦體為中厚、傾斜脈狀鐵礦體，設計中采用沿走向布置礦房，礦房按連續礦房布置，鑿巖巷同時兼做出礦進路，進路間距設計12.5m，斷面設計為3.0m×3.0m。在脈外設計運輸巷，規格為3.0m×3.0m，運輸巷距礦體底板以12m～15m為宜。在脈外運輸巷內每隔50 m設計一條礦石溜井兼廢石溜井，規格為￠2.5m。同時在下盤運輸巷靠新鮮風源一端布設一條進風井，在回風側端布設一條回風井，設計斷面規格為￠2.5m。

切割巷的布置要考慮礦石的損失及貧化情況，盡量布置在靠礦體上盤，根據鏟裝設備以及鑿巖設備的進出方便、高度需求，切割巷的規格采用3.0m×3.0m。切割井布置在靠近進風井位置的第一條進路與切割巷相交位置，規格采用2.0m×2.0m。

3.3 回采工作

（1）采用中深孔落礦。鑿巖巷采用垂直扇形中深孔布置，YGZ-90型鑿巖機鑿巖，排距1.5 m，孔底距1.8m～2.0m，孔徑為60㎜，邊孔角按45°礦石自然安息角設計，在+360m分段水平，是在覆蓋層下進行爆破作業，邊孔角按70°進行設計，前后排孔交錯布置。切割巷采用垂直中深孔布置，YGZ-90型鑿巖機鑿巖，排距1.2m，孔底距1.5m，孔徑60mm，每排設計3個炮孔。

（2）為了避免鑿巖出礦相互干擾，原則上整個分段一次打完回采炮孔，然后再分次爆破出礦，上分段出礦，下分段打回采炮孔，再下分段掘進。若掘進鑿巖超前有條件時，可采取2個分段同時爆破出礦，上下分段形成正臺階出礦形式。但是，+360m分段的爆破回采作業，必須等空區處理結束后再進行，一是確保空區處理的作業安全，二是確保原有留在空場的礦石能可靠回收。

（3）采用多孔粒銨油炸藥、毫秒延期導爆管雷管進行爆破作業。炮孔的裝藥系數一般按65%～70%進行裝藥，每次崩下的礦石，只出到司機操作位置到達進路的眉線部位為止，不進入空區，以確保安全，剩下的礦石留到下分段或到形成覆蓋層以后回收。采用WJD-1.5型電動鏟運機出礦。

3.4 空區處理

無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區的采礦方法，在回采空間達到一定的范圍后，必需適時崩落頂板圍巖充填采空區，形成覆蓋層，防止空場大面積片幫冒頂的機械沖擊以及空氣沖擊波的危害，同時在形成覆蓋層后的下分層能形成擠壓爆破，并確保原有留在空場的礦石能安全鏟出，不會造成礦石損失。

無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區的采礦方法，在進行采準設計的同時，必需考慮在合理分段的上盤圍巖中設計放頂工程，并在采準工程施工的同時，對放頂工程進行同時施工，不然在后期會影響放頂工程的施工安全。

3.4.1 上盤進路垂直頂板扇形深孔

考慮到空區體積的大小以及礦石回采率要求等因素，中礦段西區+360～+420m14#礦塊的空區處理工程決定布置在+384m水平。在+384m水平底板運輸巷的一端，礦體的端部靠人行進出通道側掘進聯絡巷到達礦體的上盤圍巖，在上盤圍巖內掘進沿脈平巷，然后在沿脈平巷內掘進鑿巖進路，與空區貫通，在鑿巖進路中鉆鑿排面平行空區頂板的前傾和垂直扇形深孔。上述放頂工程的施工必須在+372m水平回采前施工完畢，確保施工作業安全。爆破以采空區為爆破自由面，先爆破平行空區頂板的前傾深孔，再爆破垂直扇形深孔。上盤沿脈的位置，是根據空區所需崩落圍巖量以及施工安全需要來確定的。崩落圍巖高度為+384～+408m水平，充填高度為+372～+396m水平，崩落圍巖量約9萬m3，充填量為5.4萬m3，形成墊層厚度約24 m。

3.4.2 鑿巖爆破參數

鑿巖爆破參數及主要技術指標：孔徑，100mm；孔底距，5.0m；排間距，4.0m；裝藥密度，7.85kg/m；裝藥系數，0.75；炸藥單耗，0.85kg/m3。

3.4.3 鑿巖設備

鑿巖采用YQ100潛孔鉆機，其主要技術性能參數表1。

表1 鑿巖設備主要技術性能參數

4 無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區采礦法特點

無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區采礦法主要解決的是傾斜、中厚脈狀礦體在上部短時間內無條件塌陷時如何采用中深孔進行采礦作業，并如何進行空區處理的問題。采用此種采礦方法作業總體分三步走：第一步首先是無底柱分段空場采礦，原理和無底柱分段崩落法差不多，最主要差別就是崩落法是在覆蓋巖下進行爆破鏟裝作業，而空場法是在空場下進行爆破鏟裝作業；第二步進行空區處理，形成覆蓋層；第三步就是在形成的覆蓋層下進行爆破鏟裝以及回收上部分段原有留在空場中的礦石。

5 應用評價

無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區采礦法已成功應用于馬坑鐵礦中礦段西區+360～+420m14#礦塊的回采。經實踐證明，無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區的采礦工藝是安全、經濟、可行的。本法兼有有底部結構分段空場法和無底柱分段崩落法的一般優點，從而克服了各自的缺點，是兩種采礦方法的聯合應用。

（1）和有底部結構分段空場法相比，其優點為：①采場結構簡單，沒有底部結構，采切比小，一般在5m/kt～8m/kt；②二次破碎工作在進路中進行，較為安全方便；③回采進路在掘進過程中兼作探礦使用，能準確控制本水平礦體邊界，提高了礦石的回采率和降低貧化率。而一般有底部結構分段空場法，當底部結構確定后，在掘進各分段過程中發現礦體形態變化時，就很難采取措施彌補；④采用中深孔落礦、無軌設備出礦，改善了工人的作業條件和降低勞動強度，并提高了采場的生產能力。

（2）和無底柱分段崩落法相比，其優點為：①每個崩礦步距都是崩向空場，在進路中出礦，鏟出的基本是純礦石，而無底柱分段崩落法每次崩礦都與廢石接觸，并在覆蓋巖層下放礦，因而采用本法時的貧化大為減少；②由于是空場采礦，在運輸平巷、進路、空場中可以形成貫穿風流，新鮮風從進風井以及措施斜坡道進入，到分段運輸平巷、進路、通過采場后污風經過上部回風道排入回風水平，大大改善了井下的采場通風條件，改善了工人的作業環境，克服了無底柱分段崩落法在回采進路端部作業時實際是在獨頭工作面作業的缺點；③生產管理簡單，無底柱分段崩落法是在覆蓋巖層下放礦，隨著放出礦石數量的增加，上部巖石逐漸混入礦石中，使貧化率提高，為了達到理想的礦石回收率和貧化率，必須嚴格控制出礦的終止品位，放礦管理較困難和復雜。而采用此法不必考慮采場的出礦品位，每次崩礦就出到司機位置到達眉線部位為止，再進行下個步距的崩礦和出礦。

（3）采用無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區采礦法的缺點為：①采空區的崩落時間要求較嚴，安全管理要求較高。特別是幾個關鍵時間因素一定要把握好，第一就是空區處理的放頂工程設計必須和分段采切設計統籌考慮，一并設計；第二就是放頂工程的施工必須和同分段的采切工程一同施工，并且要在下分段開始回采之前施工結束；第三就是放頂工程的爆破作業必須在下分段回采結束后開始進行；②本采礦方法的適用范圍較窄。適用于傾斜、中厚、礦巖較穩固脈狀礦體的回采。

6 結語

無底柱分段空場采礦、適時崩落頂板圍巖充填空區采礦法，具有采場結構簡單、通風條件好、作業安全、機械化程度高、勞動生產率高、礦石貧化小和管理方便等特點。是空場法與崩落法的有機結合使用，能較好地服務于傾斜、中厚、礦巖較穩固脈狀礦體，并在短時間內上部不允許塌陷的礦體回采。上述是筆者的設計心得與現場技術指導工作經驗，僅供類似礦床采礦工作者借鑒與參考。