中關鐵礦底部出礦嗣后充填采礦方法試驗研究*

郭 斌 王社光 王慶剛 楊志強

（河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司）

中關鐵礦為接觸交代矽卡巖大型富鐵礦床，礦體賦存于巖漿巖與中奧陶系灰巖的接觸帶及其附近灰巖裂隙中，礦區富水且地表為需要保護的農田，設計采用空場嗣后充填法開采。由于礦體穩定性差，礦塊尺寸被迫減小，目前開采參數中礦塊寬12～15 m，高30 m，礦塊礦量為原設計的1/3～1/2。破碎礦體開采不僅面臨著嚴峻的礦巖穩定性問題，生產安全條件差，而且，礦塊參數變小還帶來采準系數增大、成本增高以及產能降低等問題［1-5］。此外，根據工程揭露發現，第4 勘探線以北礦體破碎，巷道需要通過超前錨桿高級別支護，現開采參數無法進行開采，還需要進一步縮小。為了解決以上技術瓶頸，礦山開展了破碎礦體底部出礦嗣后充填采礦方法的應用研究。

1 工程概況

中關鐵礦通過現場巖體結構面調查與礦石點荷載強度測定，確定礦體與近礦圍巖的穩定性級別。目前通過-170，-215，-230與-245 m四個水平的巷道工程，已將礦體與近礦圍巖的穩定性充分揭露。礦體與近礦圍巖的絕大部分巷道都需要支護；比較破碎的礦體、矽卡巖、蝕變閃長巖等需要高強度支護。礦體與近礦圍巖的穩定性級別詳見表1。

由礦體及圍巖條件可以看出，礦山各主要水平礦巖穩定性條件均較差。中關鐵礦原設計的空場嗣后充填法中，礦塊高60 m，寬18 m，長度≤50 m，沿走向每6 個礦塊組成一個盤區，盤區之間留6 m 寬的永久礦柱。經過實踐表明，由于礦體穩定性差，此開采結構無法滿足安全開采要求。

2 采礦方法優化

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基于礦巖穩定性分布特點，運用三律適應性原理［6］，對底部出礦采礦方法做適應性改進。由中關鐵礦地質剖面圖上礦巖穩定性的典型分布狀態（圖1）可知，在第四系沉積物與石炭系含煤碎屑沉積地層之下，賦存中奧陶系灰巖，主要由狀斑狀灰巖、白云質灰巖、泥質灰巖、角礫狀灰巖組成，巖層總厚度為300～585 m，其中完整性較好的穩定巖層厚度超過140 多米。雖然礦體與近礦圍巖不穩定，但其上有140多米厚的穩定巖層，可作為采空區冒落的控制巖層。

針對中關鐵礦礦巖穩定性差、采場容易塌冒等條件，結合巖體冒落規律、散體移動規律與地壓活動規律三律適應性原理進行分析得出，用礦塊誘導冒落法（底部出礦法）開采礦石，可解決礦塊參數變小帶來的采準系數增大、成本增高、產能降低等問題，實現安全高效開采的目標。底部出礦法的采場結構如圖2 所示，采場總體分為5 個分區：底部出礦區、控制冒落區、誘導冒落區、監控充填區和上覆巖層保護區。通過合理確定礦塊寬度來控制采空區冒落高度，使之在采場放礦結束時，采空區冒落到上部穩固灰巖層的預定位置。此后集中充填冒落空區，控制冒落不再向上發展。

3 采場結構主要參數

對采場寬度、盤區礦柱間距和寬度、回采工藝參數等進行理論計算，確定采準工程布置形式。要求礦體與近礦圍巖隨采隨冒，上覆巖層保護區不受冒落擾動，需要合理確定采場寬度、盤區礦柱尺度與其他回采工藝參數。

3.1 采場寬度

采場的寬度既要保障礦體與近礦圍巖自然冒落，又要保證冒落空區不進入上覆巖層保護區。根據巖體臨界冒落跨度L計算公式

式中，h為采空區高度，m；σc為采空區上覆巖體平均抗壓強度，MPa。d為采空區頂板圍巖承受水平壓力的有效厚度，m。γ為采空區上覆圍巖平均密度，t/m3。H為采空區頂板埋深，m。

在-230 m 首采中段，采空區高度約為60 m，對應采空區頂板埋深高度約為367 m；采空區控制冒落高度約200 m，此時對應的頂板埋深約為227 m；近礦圍巖的巖石抗壓強度為34.6 MPa，平均結構面間距為0.23 m，巖體完整性系數為0.35；監控充填層圍巖的巖石抗壓強度為68.72 MPa，平均結構面間距為0.45 m，巖體完整性系數為0.5；采空區上覆巖體的平均密度為2.7 t/m3；根據研究經驗，在計算巖體冒落跨度時，巖體抗壓強度可取為巖石抗壓強度與巖體完整性系數之積，d值可取為3倍的結構面間距值。

對于近礦圍巖，令h=60 m，σc=12.11MPa≈1 235.22 t/m2，d=0.69 m，γ=2.7 t/m3，H=367 m，代入式（1）計算得出L=20.32 m。

對于監控充填層，令h=200 m，σc=34.36 MPa≈3 504.72 t/m2，d=1.35 m，γ=2.7 t/m3，H=227 m，代入式（1）計算得出L=111.14 m。

綜合考慮礦體與近礦圍巖快速冒落、地表穩定性與采場低貧損放礦的基本需求，選取采場寬度為36～48 m。此時，促使近礦圍巖自然冒落的保證系數為1.77～2.36；保障空區冒落高度停止于監控充填層的保險系數為2.32～3.09。

3.2 盤區礦柱間距

中關鐵礦地表弱化巖層厚度為80 m 左右，首采中段平均采深約427 m，穩定灰巖抗壓強度為3 504.72 t/m2。此時令h=347 m，σc=3 504.72 t/m2，d=1.35 m，γ=2.7 t/m3，H=80 m，代入式（1）計算得大冒落跨度L=246.6 m。計算結果表明，對于首采中段，采空區跨度達到246.6 m 時，才有可能冒透至地表。盤區礦柱的間距取為144 m，此時安全系數為1.71。

3.3 盤區礦柱寬度

假設上覆巖層重量由上、下盤邊壁與盤區礦柱按支撐長度平均承擔，北部破碎礦體水平厚度約80 m，盤區礦柱承擔總重量的比例約為1/4，則有

式中，B為礦柱寬度，m；L為盤區跨度，m；H為礦體（回采空區）頂板埋深，m。

由 表1 得σc=24.1～32.13 MPa=2 458.2～3 277.26 t/m2，令L=144 m，H=367 m，γ=2.7 t/m3，代入式（2），計算得出B=11.77～16.14 m?？紤]到充填體對盤區礦柱的支撐作用，取盤區礦柱寬度為17 m。

3.4 采切工程布置

采準工程布置形式如圖3所示。采場寬度為36～48 m，分段高度為15 m。采用中深孔側向擠壓爆破，抵抗線取值1.8 m。塹溝邊孔角不小于65°，以保護出礦口眉線。拉底巷道側向至少布置3個炮孔，確保巷道之間完整崩透，并盡可能多地放出礦石，增大松動范圍，減小出礦巷道采動壓力。切幫巷道位于一步采場邊界內，礦石破碎能夠自然塌落；中等穩定時采用鑿巖爆破，形成6～9 m 的切割槽。拉底工程按底部出礦法確定，底部出礦結構按礦塊自然崩落法確定。

3.5 回采技術

3 條誘導進路同步退采，保持工作面寬度，促使上覆礦巖跟隨工作面自然冒落。每2～3 d 爆破一排炮孔，每排炮孔崩礦量為3 800 t 以上，端部出口礦石不完全出空，以保障回采工作面安全。2 臺斗容2 m3鏟運機同時出礦，分段出礦能力為1 000 t/d。在拉底長度達到臨界冒落跨度且保障端部出口不敞空前提下，盡可能多地放出礦石，但不能放出覆蓋層廢石。在需要放出部分巖石才能誘導上部礦石冒落的部位，需要控制礦石貧化率。在出礦結束后，利用監控充填區的充填鉆孔，對采空區進行集中充填。

4 主要技術經濟指標對比分析

參考相關礦山生產指標，對底部出礦嗣后充填法與分段空場嗣后充填法2 種采礦方法的主要技術經濟指標進行對比分析（表2），可以看出，底部出礦嗣后充填采礦法的技術指標要好于分段空場嗣后充填法。

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5 結 語

中關鐵礦開展了破碎厚大礦體底部出礦嗣后充填采礦方法的試驗研究，提出合理的回采工藝技術，通過試驗驗證，該采礦方法不僅有效克服了破碎礦體開采難題，同時在降低了厚大礦體的采準系數，提高了礦石回采率和礦塊生產能力，取得了很好的安全效益和經濟效益。