大直徑深孔階段礦房嗣后充填法在馬坑鐵礦的應用

王志東

(福建馬坑礦業股份有限公司， 福建 龍巖市 364000)

1 概況

馬坑鐵礦是設計采礦規模為500萬t/a的磁鐵礦床，礦床分布范圍廣，礦體賦存特征變化大，其分為4個區域：中礦段東部、中礦段 F2 斷層上盤（四塊段）、中礦段 F2 斷層下盤和西礦段；主礦體呈似層狀、層狀賦存于碎屑巖與棲霞組灰巖間的假整合面上。礦體走向NE，長約 3050 m，往 SW略有側伏；礦體傾向 NW，傾角一般為 40°左右，局部達 50°～70°，礦體的水平厚度為 10～220 m。礦體頂板圍巖以大理巖或大理巖化灰巖以及輝綠巖類為主。礦體位于斷層附近，極大降低頂板巖層的穩固性。礦體底板主要為石英巖、石英化砂巖和粉砂巖等碎屑巖類，以及矽卡巖和輝綠巖類巖石。底板巖性致密、堅硬、穩固性較好。礦體中夾石夾石率約為 15%～20%。

該礦山100 m階段主要采用分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法，在該采礦方法的應用過程中存在的問題有：①采礦準備工作量大，每個分段的礦房礦柱回采都要掘進采切巷道，采礦準備時間較長。②多分段鑿巖、爆破，多工作面作業，工作較為繁雜，安全管理難度大。

為解決以上問題，故在0 m階段采用大直徑深孔階段礦房嗣后充填采礦法進行試驗。首先進行大直徑深孔階段礦房嗣后充填采礦法試驗的采場為西礦段0 m階段60-1R采場，應用結果表明，大直徑深孔階段礦房嗣后充填采礦法更容易形成大型設備機械化生產，具有生產能力更高、安全管理難度更低的優勢。

2 大直徑深孔階段礦房嗣后充填采礦法

2.1 開采技術條件

西礦段160 m以下具有開采價值，礦體厚度在10～250 m之間，礦段中心部位礦體厚大，而礦體上部、走向兩端部相對較薄，厚度在垂直方向上變化非常大，特別是100 m水平往下走將變得更為厚大。礦體下盤傾角為 30°～70°，礦體上盤傾角為50°～80°，60-1R 試驗礦房位于西礦段 0～100 m 水平的60-61號勘探線之間，礦體走向NE，傾向NW，礦體平均厚度為207.09 m，其中底部礦體平均厚度為235.45 m，頂部礦體平均厚度為183.19 m；礦體下盤傾角為70°，礦體上盤傾角為66°。

2.2 采場結構參數及采切工程布置

采場結構參數：沿礦體走向每120 m劃分為一個盤區，盤區寬度為礦體的水平厚度。盤區間不留盤區間柱。盤區內劃分8個礦塊，礦塊垂直走向布置，分礦房、礦柱兩步驟回采。每個礦塊長為礦體水平厚度，礦房寬15 m，礦柱寬15 m。階段高度100 m，出礦水平布置在18 m水平，大孔鑿巖水平布置在90 m水平，頂柱15 m，底柱20 m，采場回采高度為65 m，其中底部中孔鑿巖高度為20 m，上部大孔鑿巖深度為45 m。盤區設置2條溜井，分別布置在礦體上盤和礦體下盤。礦石經溜井通過振動放礦機在階段運輸穿脈中裝車。本階段的底柱及下階段的頂柱暫時不回采，待下階段采場回采充填完畢后再對本階段的底柱及下階段的頂柱統一進行回采。

采切工程布置：采場出礦水平及大孔鑿巖水平均采用下盤進風、上盤回風，出礦水平進路作為中孔鑿巖巷和出礦運輸巷，在礦塊中部布置一條切割天井，切割天井作為中孔和大孔掏槽的自由面及補充空間；出礦進路與出礦巷道斜交布置，夾角為45°，出礦進路間距約為15.2 m；底部受礦塹溝邊角50°。大孔鑿巖水平大孔鑿巖巷長度根據礦體剖面進行設計，采用雙排巷道的布置形式，為了保持大孔鑿巖巷道的安全穩定，在2條大孔鑿巖巷道之間預留 2.5～3 m的臨時條柱，并隔 30～50 m 用 3 m×3 m 的聯絡巷道貫通作為裝藥聯巷，局部破碎及不穩固位置采用噴錨網加固支護。采切工程具體布置有出礦水平及鑿巖水平上盤回風平巷、出礦水平及鑿巖水平下盤運輸巷、上盤通風天井、卸礦溜井、塹溝底部結構、中孔鑿巖巷及出礦巷、大孔鑿巖巷、鑿巖巷聯絡道、切割巷、切割天井等。根據中孔鑿巖臺車駿鐸GZ919潛孔鉆機、大孔鑿巖臺車T150潛孔鉆機、4 m3鏟運機等生產設備確定各巷道斷面尺寸，18 m水平巷道、90 m水平上下運輸巷及大孔鑿巖硐室聯絡巷均采用凈斷面（矢跨比1/3三心拱）3.9 m寬×3.6 m高（噴砼厚度 70 mm），大孔鑿巖巷采用凈斷面（矢跨比1/5三心拱）6 m寬×3.8 m高（噴砼厚度100 mm）。

2.3 回采工藝

盤區內礦塊采用隔三采一的回采順序進行回采，分一步驟與二步驟采場間隔布置，一步驟采用膠結充填，二步驟采場待一步驟采場充填體達到設計強度后進行回采，并采用低配比灰砂膠結充填或非膠結充填。采用自下而上后退式開采，底部中孔爆破始終超前于上部大孔爆破10 m以上。出礦設備采用4 m3鏟運機配合4 m3遙控鏟運機進行出礦。

2.3.1 一步驟（礦房）回采

鑿巖：90 m水平大孔鑿巖選用T150鑿巖臺車，在鑿巖巷內鉆鑿下向垂直深孔，孔徑Φ150 mm。為保護采場兩邊巖體的穩定，減少爆破擾動，采場兩側邊孔的孔間距為2.2～2.5 m，與中間排的排距為2.8 m，邊孔距采場邊界線0.5 m。中間孔排距為3.0 m，孔距為3～3.5 m，一步驟礦房采寬14 m，雙排巷大孔鑿巖巷寬6 m，臨時間柱3 m，大孔總共布置6排，孔口排距依次分別為 2.8 m、2.2 m、4.0 m、2.2 m、2.8 m，孔底排距均為 2.8 m。18 m 水平中孔鑿巖采用華泰中孔鑿巖臺車，在拉底平巷內采用扇形中深孔拉底，形成V型底部結構，拉底高20 m，扇形中深孔邊孔角度為50°，如圖1所示。

圖1 90 m水平大孔平面布置（單位：m）

爆破：出礦水平首先以切割天井為自由面小規模爆破排炮形成3 m的橫向切割槽，再以橫向切割槽為自由面側向爆破形成采場底部約20 m高的拉底空間；拉底切割采用多孔粒狀銨油炸藥，使用BQ-100型風動裝藥器裝藥，非電毫秒微差雷管起爆的起爆網路系統；采場大孔回采爆破首先以切割天井為自由面進行擴槽的側向爆破，再以切割槽為側向自由面和補償空間進行側向大直徑深孔爆破，大直徑深孔爆破作業在上部鑿巖巷內進行，往下在平行深孔內裝填Φ130 mm的乳化炸藥。起爆采用非電導爆管雷管、導爆索復式起爆。起爆器配非電導爆管雷管起爆系統爆破。每次爆破2～3列炮孔，如果爆破補償空間足夠，則可進行更大規模的多列深孔微差爆破，采場共計分3層爆破（中孔1層，大孔 2層），自下而上進行，每層爆破大孔深度為15～25 m之間，下層爆破始終超前上層爆破8～10 m以上，最終形成倒梯形。礦房采場出礦結束后，采用高配合比尾砂膠結（強度2.35 MPa以上）充填采空區。尾砂漿用充填管經上部穿脈或運輸巷道輸送到采場。

2.3.2 二步驟（礦柱）回采

待一步驟回采礦房充填體養護的充填體強度達到2.35 MPa以上后進行二步驟礦柱回采。由于二步驟回采采場兩側均為充填體，減小爆破對充填體的破壞至關重要，因此礦柱采場炮孔采用不耦合裝藥，空氣間隔結構。兩側邊孔滯后相鄰的中間孔爆破，同時邊孔裝藥量小于中間孔裝藥量，避免邊孔產生爆破擠壓，破壞充填體。為保護充填體，二步驟回采采場單響藥量宜控制在300 kg以內，采用低配合比的尾砂膠結充填采空區。考慮到需進行底柱礦體回采，底部10 m先進行高配合比的尾砂膠結充填（強度與一步驟強度一致），中間進行低配合比的尾砂膠結充填或全尾砂膠結充填（中間層強度達0.6 MPa以上），具體強度見表1。

表1 充填體強度

2.4 充填工藝

充填站建于礦體上盤小娘坑東面的山脊上，地面標高+570～+610 m，充填站室內標高+575 m，井下充填管道鋪設最長為 2163 m，最大充填倍線為6.77，采用自流輸送充填料漿。充填站內設置3套大流量充填系統，每套系統由1個臥式砂池（僅1套系統配備）、1個水泥倉、1套大能力的雙軸攪拌機+高速活化攪拌機組成，單套系統制備輸送能力150～180 m3/h，一次連續最大充填量 1600～1800 m3，3套充填系統平均日充填量4000 m3，最大日充填量6000 m3。充填工藝流程如圖2所示。

圖2 充填工藝流程

充填擋墻采用磚砌筑厚500 mm的磚墻封閉，砌筑砂漿強度為M10，擋墻外側及擋墻與巷道圍巖周邊采用噴砼二次密實，噴砼要求強度C20，厚度70 mm。封閉墻上布置均勻三排三行的 PVC管（Φ102 mm）脫水管，其墻內側端頭采用土工布包裹并扣緊起脫水作用。為了及時將充填過程中充填料漿中的水排出，以達到提高充入空區內充填料漿的濃度、提高充填強度的目的，在采場大孔鑿巖水平從上盤及下盤的聯巷口部各下方1根DN100 mm的波紋濾水管。充填材料采用礦微粉+水泥+尾砂充填，充填配合比通過試驗及實踐所得，料漿濃度為64%～67%。充填漿液過充填擋墻時，嚴格控制一次料面上升高度，一次充填高度控制在2 m以內，每次充填后須間隔18 h以上，超過擋墻6 m后可連續充填。

2.5 階段隔離層礦柱回采

對于本階段的頂柱及上階段的底柱回采，采用無底柱分段鑿巖階段空場采礦法，上階段的底柱中距離上階段空區處預留6 m以上作為保護上階段空區充填物的礦柱，不進行回采?；夭呻A段隔離層礦柱時期有2種方式：①在一步驟采至90 m水平后，對空區進行全尾砂膠結充填，并在上部10 m左右采用高強度充填，在充填養護并達到要求強度后，以90 m水平作為主要運輸巷繼續往上回采，回采階段隔離層礦柱，待一步驟階段隔離層礦柱回采完成后再來對二步驟的18～90 m水平進行回采。②在一步驟所有全部礦房全部回采至90 m水平并充填接頂后，再繼續往上回采，回采時也遵循兩個步驟開采。

2.6 技術經濟指標

該礦試驗礦房為西區0階段60-1R及61-3R，經過對這兩個礦房的總結分析，該礦的大直徑深孔階段礦房嗣后充填采礦方法的技術經濟指標見表2。

表2 技術經濟指標

2.7 應用效果

該礦在采用大直徑深孔階段礦房嗣后充填采礦法后，單個礦房月度生產能力最高達14.7萬t，充分發揮了大型設備機械化生產效率，大大降低了采掘作業面個數。在該采礦方法的應用過程中，遇到了一些技術難題，現將其總結如下。

（1）采場兩幫垮落嚴重問題。因巖性或爆破對炮孔周邊圍巖的破壞，導致采場兩幫垮落嚴重，嚴重影響了采場礦石的品位及采場的安全。解決措施為縮小周邊孔間距，且采用間隔裝藥，降低裝藥系數。

（2）切割拉槽井炮孔爆破堵孔問題。在爆破切割拉槽井時，須做好測孔工作確保拉槽井的炮孔孔底堵塞長度小于 1.5 m，裝藥面在同一個水平面上。

（3）采場礦石大塊率高的問題。如果大塊炮孔偏斜嚴重，將會導致孔底間距拉大產生大塊，為減少大塊率，須保證大孔鑿巖嚴格按照設計施工，確保大孔偏斜率小于1%。

（4）采場充填接頂問題。為保證充填效果，需在充填前使用三維掃描儀對采空區進行空區掃描，再從上個分段施工充填孔，充填孔需在采場最高點貫通，當下料點距離空區邊大于30 m時，須增設一個充填孔，使下料點充填漿液流動距離小于30 m。

3 結論

大直徑深孔階段礦房嗣后充填采礦法在礦山的應用取得了良好的效果，不僅使該礦實現了大型設備機械化生產，大大提高了礦山的生產能力，還為該礦山的“強采強出”提供了有力的條件。采場生產能力的提高，大大減少了采掘分段及工作面個數，減少了安全管理難度及成本。同時，膠結充填法的應用雖然提高了采礦成本，但也減少了礦房間柱的留設，提高了礦柱的回采率；而且解決了尾砂處理問題，無需再建尾礦庫。實踐證明，該采礦方法在滿足該礦山的生產要求的同時，提高了礦床開采整體經濟效益，具有較高的推廣應用價值。