中關(guān)鐵礦階段嗣后充填采礦法底部結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究*

王慶剛 楊志強 劉 陽 馬 寧 周 濤 耿 帥

（河北鋼鐵集團沙河中關(guān)鐵礦有限公司）

中關(guān)鐵礦屬于典型的接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，主要礦體均賦存在巖漿巖與中奧陶系灰?guī)r的接觸帶及其附近灰?guī)r裂隙中，礦巖整體穩(wěn)固性較差，大部分礦巖節(jié)理裂隙發(fā)育，軟弱夾層較多且多為泥質(zhì)灰?guī)r，同時夾有碳質(zhì)片巖形成多個弱面。經(jīng)考察，中關(guān)鐵礦礦巖最為破碎，且夾雜黃泥巖、綠泥巖。中關(guān)鐵礦礦體最大厚度為174.74 m，平均為35.57 m，根據(jù)礦體賦存條件，為提高采礦效率，中關(guān)鐵礦初步設(shè)計主要采礦方法為階段空場嗣后充填采礦法，采用大孔徑深孔鑿巖，鏟運機出礦。

一步采礦塊和二步采礦塊間隔布置，先回采一步采礦塊，回采結(jié)束后進行全尾砂膠結(jié)充填養(yǎng)護，然后回采二步采礦塊。礦塊垂直于礦體走向布置，設(shè)計一步采礦塊和二步采礦塊尺寸相同，礦塊高為60 m（鑿巖和出礦中段高度），礦塊寬為15~18 m。沿走向每6個礦塊組成1個盤區(qū)，盤區(qū)之間留間柱，間柱寬為6 m，盤區(qū)總長為114 m，每個盤區(qū)設(shè)1~2條礦石溜井和1條通風(fēng)天井。其中鑿巖水平布置在-170 m，出礦水平設(shè)在-230 m，先在-230 m中段礦房底部爆破形成V型集礦塹溝，然后使用深孔臺車從-170 m鑿巖硐室向下鑿孔徑為165 mm、孔深40 m的炮孔，至-230 m中段V型塹溝式受礦槽頂板，礦房內(nèi)全部深孔鑿巖完成后，在礦房一側(cè)采用“VCR”法拉槽形成切割天井，以切割井和底部集礦塹溝為自由面進行倒梯段側(cè)向崩礦［1］，由鏟運機裝礦經(jīng)出礦進路運至采區(qū)溜井。中關(guān)鐵礦原設(shè)計采用單出礦巷道雙礦房塹溝式底部結(jié)構(gòu)，出礦進路和穿脈巷道局部采用錨網(wǎng)噴支護，因爆落礦石全部由底部結(jié)構(gòu)出礦，出礦進路及與底部結(jié)構(gòu)交叉處經(jīng)常發(fā)生塌方等險肇事故，存在極大的安全隱患，嚴重影響出礦及落礦進度。故決定對底部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化研究與實踐。

1 原設(shè)計底部結(jié)構(gòu)

礦房底部結(jié)構(gòu)是指從運輸?shù)嚼姿街g所包括的受礦巷道、二次破碎巷道和放礦巷道，其作用是將從礦房或礦柱崩落下的礦石，利用礦石自重或出礦設(shè)備的運搬，經(jīng)這些巷道運至采區(qū)溜井。

原設(shè)計采用單出礦巷道雙礦房底部結(jié)構(gòu)［2］，即在相鄰礦房垂直走向中心線布置出礦巷道，再沿回采礦房走向布置出礦進路，出礦巷道與出礦進路成45°夾角，便于鏟運機出礦。為避免二步采礦房拉底巷道側(cè)幫直接與充填體相鄰，保證巷道穩(wěn)定，將拉底巷道側(cè)幫布置在礦房一側(cè)距礦房邊界3 m位置，布置形式見圖1。同1條出礦巷道擔(dān)負1個一步采礦房和1個二步采礦房的出礦任務(wù)，分別向兩邊一步采礦房和二步采礦房布置出礦進路，與塹溝拉底巷道成45°夾角相通。礦房崩落下的礦石匯集中在V型底部結(jié)構(gòu)，采用3 m3鏟運機裝礦，經(jīng)出礦進路、出礦巷道及盤區(qū)沿脈巷運至采區(qū)溜井。

2 底部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 底部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

通過從經(jīng)濟、安全、技術(shù)等三方面對各種底部結(jié)構(gòu)形式的利弊進行對比分析，最終確定中關(guān)鐵礦階段空場嗣后充填采礦法采用長進路雙礦房塹溝式底部結(jié)構(gòu)，如圖2所示。塹溝底部結(jié)構(gòu)是指具有V形受礦槽的底部結(jié)構(gòu)，由蘇聯(lián)學(xué)者伊麥尼托夫于1947年提出。其結(jié)構(gòu)與漏斗受礦結(jié)構(gòu)的本質(zhì)差別是將同一列漏斗間的脊柱去掉而形成上寬下窄的V形槽，將拉底和受礦部分結(jié)合起來。塹溝上口寬度與采場寬度、底柱高度有關(guān)。

利用布置在礦房底部的縱向（礦房長度方向）拉底巷道進行切割拉槽爆破，形成上寬下窄的V型受礦槽，礦房上部爆破崩落的礦石落入底部V型槽中，再由遙控鏟運機裝礦從底部的出礦進路口出礦。同一條出礦巷道和出礦進路擔(dān)負著2個礦房的出礦任務(wù)，出礦巷道布置在2個礦房中間位置。實踐表明：該方案不需要在充填體中開挖巷道工程，2個礦房底部結(jié)構(gòu)的總采切工程量可減少10%，底部三角區(qū)礦柱損失較小，損失率為4.24%［2］，與傳統(tǒng)的底部結(jié)構(gòu)形式相比，可多回收20%~30%的崩落礦量，具有較好的經(jīng)濟效益。

2.2 底部結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

出礦巷道（出礦穿脈巷）垂直礦體走向布置在一步采礦房與二步采礦房交界處底部中間，出礦穿脈巷中心線與一步采礦房拉底巷道中心線距離為27 m，與二步采礦房拉底巷道中心線距離14.5 m，出礦進路與出礦穿脈巷道成夾角為35°斜交布置，相鄰出礦進路間距為13~16 m；底部V型塹溝邊角為45°~50°。結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。改進后相鄰的二步采礦房拉底巷不與充填體接觸，保障了拉底巷的穩(wěn)固性，且可以減小底部結(jié)構(gòu)三角礦柱的損失。

改進后出礦進路掘進斷面為4.1 m×3.45 m，凈斷面為3.8 m×3.3 m，若出礦進路變形或受到破壞需進行二次錨噴網(wǎng)支護時，凈斷面尺寸為3.6 m×3.2 m，滿足鏟運機尺寸需求。塹溝拉底巷掘進斷面為3 m×3 m，滿足YGZ-90型鉆機需求。底部結(jié)構(gòu)掘進時需采用光面爆破，減少巷道的超挖，保證巷道的穩(wěn)固性。

2.3 破碎底部結(jié)構(gòu)加強支護技術(shù)

在實踐過程中逐漸顯露出一些問題，爆破擾動和崩落礦石的沖擊對底部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大，進而破壞裝礦進路眉線，減少裝礦進路的長度，有個別裝礦進路甚至報廢而無法使用，存在安全隱患且造成礦石損失。故針對礦巖破碎不穩(wěn)固區(qū)域塹溝式底部結(jié)構(gòu)進行研究，提出了破碎底部結(jié)構(gòu)加強支護技術(shù)，最大限度地提高圍巖的自身承載能力及穩(wěn)定性，確保破碎底部結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

塹溝拉底巷道根據(jù)礦巖條件采取噴漿支護或者錨噴網(wǎng)形式，原則上不進行鋼拱架等特殊支護。為保護出礦進路，出礦進路和穿脈巷道需進行加強支護，采用錨噴網(wǎng)復(fù)合加強支護。在巷道施工完成后及時進行素噴混凝土支護，對巷道圍巖進行封閉，混凝土強度C20，支護厚度為50 mm。錨噴網(wǎng)支護金屬網(wǎng)網(wǎng)格規(guī)格為100 mm×100 mm，鋼筋直徑為6 mm。錨桿采用?20 mm樹脂錨桿，間排距為0.8 m×0.8 m，錨桿長度為2.5 m。混凝土強度C20，支護厚度為100 mm。總噴漿支護厚度為150 mm。然后進行錨噴網(wǎng)復(fù)合加強支護，第二層錨噴網(wǎng)金屬網(wǎng)網(wǎng)格規(guī)格為100 mm×100 mm，鋼筋直徑為6 mm。錨桿采用?20 mm樹脂錨桿，間排距為2 m×2 m，錨桿長度為2.5 m。混凝土強度為C20，支護厚度為100 mm。總噴漿支護厚度為250 mm。

2.4 底部結(jié)構(gòu)回收

待某一中段礦房內(nèi)崩落礦石全部放出后，或某一出礦穿脈巷道兩側(cè)礦房全部采完后，在出礦穿脈巷內(nèi)利用Simba1354型鑿巖臺車對底部結(jié)構(gòu)進行鑿巖，將可回收礦石一次性崩落，崩落后的礦石采用遙控鏟運機進行回收，回收結(jié)束后，再對穿脈巷道進行充填。

3 試驗礦房底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

底部結(jié)構(gòu)中巷道的穩(wěn)定性直接影響采準(zhǔn)布置，充分利用已有巷道是降低回采成本的重要途徑，除了進行底部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計外，結(jié)合二步回采的實際情況，對典型礦段底部結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測分析。

以礦巖性質(zhì)較為破碎的13#S4礦房為例，在13#穿脈和14#穿脈共設(shè)置4個監(jiān)測點，位于礦房出礦巷道位置和出礦進路附近，采用山東思科賽德的GZY60W（A）型兩測點礦用本安型鉆孔應(yīng)力傳感器對巷道頂板地壓進行監(jiān)測。傳感器采用無線通信的通訊方式，將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到KJ24-FW礦用本安型壓力監(jiān)測子站，每臺監(jiān)測子站可接收其無線覆蓋范圍內(nèi)的多臺應(yīng)力傳感器發(fā)送的測量數(shù)據(jù)，對需要監(jiān)測的巖層形成全面的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；同時監(jiān)測子站與井下六大系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)交換機連接，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到井上監(jiān)測服務(wù)器，完成對井下因采動影響巖層內(nèi)部應(yīng)力場變化的實時監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：錨網(wǎng)噴復(fù)合加強支護可滿足一步采及二步采需要，底部結(jié)構(gòu)成型及穩(wěn)定性達到預(yù)期效果。

4 優(yōu)化前后對比

優(yōu)化前，底部結(jié)構(gòu)形式致使礦房開采采切工程量偏大，底部三角形礦柱損失大，損失率為6.08%。采用長進路雙礦房底部結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，其二步采時不需要在充填體中開挖巷道工程，2個礦房的總工程量有所減少，底部三角形礦柱損失較小［3-5］。較傳統(tǒng)的底部結(jié)構(gòu)布置形式，長進路雙礦房底部結(jié)構(gòu)可節(jié)省10%的總采切工程量，多回收20%~30%的崩落礦量。

年采礦量按200萬t計，采切比按523.97m3/萬t計，采切工程成本按500元/m3計（包含采掘及支護），則每年可節(jié)約采切成本523.97萬元，具有較好的經(jīng)濟效益。同時，優(yōu)化后的底部結(jié)構(gòu)避免了在充填體內(nèi)掘進帶來的安全風(fēng)險，具有較高的安全性。

5 結(jié) 論

通過對比分析，結(jié)合現(xiàn)有工程布置對大直徑深孔礦房底部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，提出長進路雙礦房塹溝式底部結(jié)構(gòu)布置形式，對破碎底部結(jié)構(gòu)采取了復(fù)合加強支護技術(shù)，底部結(jié)構(gòu)成型及穩(wěn)定性達到預(yù)期效果，在提高底部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和回采率的同時，節(jié)約了10%的采切工程量，同時，安全性得到極大提升。