花園鐵礦礦房采用塹溝式無底柱底部結(jié)構(gòu)的可行性研究

■葉順如 ■明溪縣礦管站，福建 三明 365200

1 礦山現(xiàn)狀

1.1 礦山資源情況

明溪縣花園鐵礦2007年2月經(jīng)過詳細(xì)勘探后，獲得(332 +333)鐵礦資源保有儲(chǔ)量為252 萬噸，全鐵品位TFe21.98 -30.72%，平均品位TFe25.62%。

構(gòu)造:本區(qū)構(gòu)造以斷裂為主，呈NWW 向展布。本區(qū)地層均以此方向斷裂為接觸，該含礦帶的邊界也以該方向斷裂為界。斷裂走向上呈舒緩波狀，具明顯滑動(dòng)擦痕。此外，有EW -NW 向斷裂，均屬晚期構(gòu)造，破壞礦體的連續(xù)性。

礦體特征經(jīng)揭露，含礦帶中由6 個(gè)礦體組成(各礦體的相關(guān)特征如下表)。走向上呈透鏡狀，豆莢狀，甚至雞窩狀的串珠體，與地層產(chǎn)狀基本一致——以290°，NE∠65 -85°為主，圈定礦脈厚度總體為0.62 -6.0m，其中，水平厚度1.0 -3.0m 礦段約占75%，(極個(gè)別礦段水平厚度達(dá)6.0m，本文不作為主要討論對(duì)象)并且，礦體厚度從高往低呈變薄或分叉變小趨勢(shì)，走向方向存在被NW、EW 向斷裂切錯(cuò)移動(dòng)現(xiàn)象和尖滅再現(xiàn)的現(xiàn)象，個(gè)別為花崗巖脈或輝綠巖脈所切錯(cuò)，礦體呈不連續(xù)狀態(tài)，有些礦段在傾向延伸方向也很不穩(wěn)定，表現(xiàn)在“同一礦脈延伸空間”的范圍內(nèi)，上下相鄰的兩條中段平巷不是都見礦——即:有的是上中段見礦下中段不見礦，有的是下中段見礦而上中段不見礦，無法按標(biāo)準(zhǔn)礦房進(jìn)行建設(shè)。

表1 大壩工程混凝土配合比

1.2 礦床開采工程地質(zhì)

礦體頂?shù)装鍑鷰r均為黑云斜長(zhǎng)片麻巖，完整性較好，裂隙不發(fā)育，其抗壓強(qiáng)度57.3～178.8Mpa，抗剪抗壓強(qiáng)度較高，穩(wěn)固性較好，礦區(qū)工程地質(zhì)條件良好。但由于礦體邊界清楚，擠壓滑動(dòng)明顯，與地層產(chǎn)狀一致，采空區(qū)應(yīng)注意片幫的滑落，同時(shí)采空區(qū)也不宜過大，暴露時(shí)間不宜過長(zhǎng)，礦體靠近地表應(yīng)留10～30m 地表保護(hù)層作為永久保安礦柱，以防周圍巖層脫落和地表陷落，引起礦石貧化及安全事故。

2 礦山開采情況

2.1 開采方式

根據(jù)地形條件、礦體特征、礦石與圍巖的穩(wěn)定性以及地表允許冒落、移動(dòng)等地質(zhì)條件，礦床適宜地下開采。

2.2 礦山開采規(guī)模

根據(jù)采礦許可證批準(zhǔn)的生產(chǎn)規(guī)模，礦體開采技術(shù)條件，資源儲(chǔ)量等因素，確定生產(chǎn)能力為20 萬噸/年，日采出礦量606 噸。

2.3 礦山開拓

礦區(qū)最高標(biāo)高880m，最低340m，相對(duì)高差540m，地形切割強(qiáng)烈，礦體呈急傾斜脈狀賦存于山坡地帶山體內(nèi)，且出露地表，地表地形較陡，適合采用多中段平硐開拓，平硐坡度從里向外按3‰下坡修筑，以便排水和運(yùn)輸。由于當(dāng)?shù)卣鞯仉y度大，為了減少征用排土場(chǎng)建設(shè)的面積，截止至2013年底，本礦山沿脈運(yùn)輸平巷一般布置在礦體上盤接觸線處或上盤圍巖中。

2.4 中段高度

根據(jù)礦體的賦存特征、礦體開采技術(shù)條件、地質(zhì)地形條件以及所選用的淺孔留礦采礦方法，采用的中段高度主要為40m，如:凈池溝分PD590、PD550、PD510、PD470 四個(gè)中段，鷹嘴石溝東分PD620、PD580兩個(gè)中段。

2.5 采礦方法及采切工程

采用淺孔留礦采礦法，采切工程:在脈內(nèi)運(yùn)輸平巷垂直向下盤方向掘進(jìn)斗穿，井巷工程:主要井巷為平硐、斗穿、斗頸、聯(lián)絡(luò)巷、回風(fēng)巷和回風(fēng)井(見圖1)，井巷參數(shù)和井巷特征見表1，各井巷工程量和出礦量見表2:

表1 井巷特征表

表2 截止2013年底礦井完成工作量匯總

2.6 底部結(jié)構(gòu)

由于受森林資源保護(hù)政策，以及公司決策層、技術(shù)人員及施工隊(duì)的技術(shù)水平、作業(yè)習(xí)慣的影響，將主運(yùn)輸平巷布置在礦體上盤接觸線處(或部分在圍巖中)，礦房采用有底柱卻不用木材安裝漏斗的結(jié)構(gòu)，而是采用在脈內(nèi)運(yùn)輸平巷向下盤圍巖開鑿斗穿(底板與主運(yùn)輸平巷底板等高且垂直于主運(yùn)輸平巷的出礦巷道)，然后掘進(jìn)斗頸、漏斗、拉底巷道，形成礦房的底部結(jié)構(gòu)，礦石靠自重從漏斗溜至斗頸、斗穿后，采用裝載機(jī)裝車、小型汽車運(yùn)輸(長(zhǎng)4m、寬1.7m、高1.5m、功率24KW、載重量3噸)運(yùn)出地面礦坪。

3 礦山開采中存在的主要問題

(1)安全問題。一些礦段比較破碎，主運(yùn)輸平巷布置在脈內(nèi)，巷道上部布置采礦工作面影響巷道頂板穩(wěn)固性，運(yùn)輸安全缺少保障;而回風(fēng)巷道也是布置在脈內(nèi)的，其下部是采空區(qū)，很容易因陷落而破壞。

(2)巷道堵塞。由于礦體邊界清楚，擠壓滑動(dòng)明顯，與地層產(chǎn)狀一致，主運(yùn)輸平巷多見脫層滑落現(xiàn)象，導(dǎo)致已經(jīng)建成的斗穿長(zhǎng)度變短，高度變大，放礦時(shí)，礦石極易滾到運(yùn)輸平巷中央，造成巷道堵塞。

(3)礦石貧化。由于大多數(shù)礦段礦體水平厚度都達(dá)不到3.5m，掘進(jìn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致副產(chǎn)礦石無法回收利用或貧化嚴(yán)重——因本礦區(qū)礦石屬于低品位礦，爆破再貧化后無回收利用價(jià)值。

(4)PD510、PD470 礦房采用類似于塹溝式有底柱的底部結(jié)構(gòu)建設(shè)，沒有發(fā)揮塹溝式礦房的優(yōu)點(diǎn)，而是取其缺點(diǎn)進(jìn)行建設(shè)。

塹溝式礦房采用在脈外建一條平行于沿脈平巷的運(yùn)輸平巷，斗穿即為出礦巷道——塹溝(如圖2)，減少了漏斗、斗頸、拉底巷道的工程投入。

(5)選購(gòu)裝載機(jī)問題。由于斗穿是垂直于主運(yùn)輸平巷的出礦巷道的，裝載機(jī)在裝車時(shí)轉(zhuǎn)彎難度大，裝車速度慢，增加了油煙排放量，工作環(huán)境已經(jīng)很差，為了提高效率，施工隊(duì)在設(shè)備選型時(shí)，錯(cuò)誤地選擇了較大型的XG918I 型裝載機(jī)(斗寬:2.0m，全長(zhǎng)6.3m)和XGL30 型裝載機(jī)(斗寬:2.384m，全長(zhǎng)6.6m，全高:2.959m)，造成裝載機(jī)轉(zhuǎn)彎掉頭更加困難和裝車需要的空間進(jìn)一步增大。

(6)裝車問題。由于采用普通型裝載機(jī)鏟斗窄比小型汽車尾部更寬，需要小型汽車側(cè)身擺放才能方便于鏟車裝車，因此，施工隊(duì)要求進(jìn)一步擴(kuò)大裝車場(chǎng)的空間，造成了擴(kuò)幫工程量的進(jìn)一步增大。

(7)掘采比大問題。由于公司粗放型技術(shù)管理的原因，使得施工隊(duì)千篇一律地按照設(shè)計(jì)單一的礦房尺寸進(jìn)行建設(shè)，造成礦房掘采比超大，難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

①一個(gè)礦房實(shí)際掘進(jìn)工程量及造價(jià)(按2013年單價(jià))見下表:

表1 大壩工程混凝土配合比

②一個(gè)礦房可采礦量(按礦體平均厚度為3.0m)計(jì):(長(zhǎng)× 寬×高)×比重=(60 -6)×3.0 × (40 -6 -5)×3=54 ×3.0 ×29 ×3=14094 噸。

③僅礦房建設(shè)，單位礦石分?jǐn)偟某杀緸?578070 ÷14094=41.01元/噸。

(8)鐵精粉生產(chǎn)成本。①公司采礦、選礦等各種費(fèi)用分?jǐn)偟絾挝坏V石的成本為182.01 元，具體是:開拓:20 元/噸、礦房建設(shè):41.01 元/噸、采礦:30 元/噸、裝車運(yùn)輸11 元/噸、選礦50 元/噸、經(jīng)營(yíng)管理費(fèi)及各種稅費(fèi)30 元/噸。②經(jīng)過6年的選礦經(jīng)驗(yàn)得知:本礦山礦石約要3 噸原礦才能選一噸鐵精粉，即精礦粉的成本為:3 ×182.01=546.03 元/噸，近年來，鐵精粉(鐵含量64%)的銷售價(jià)(不含稅)520 元，因此，必須從礦山生產(chǎn)中挖掘降低成本的潛力。

4 采用塹溝式底部結(jié)構(gòu)與控制參數(shù)，降低成本

采用無底柱塹溝式底部結(jié)構(gòu)可以減少斗穿(出礦巷道——塹溝)、斗頸、漏斗的掘進(jìn)費(fèi)用，改變脈內(nèi)掘進(jìn)主運(yùn)輸巷道為脈外主運(yùn)輸巷道，將原拉底巷道(底板)降至與主運(yùn)輸巷道(底板)相同標(biāo)高，降低掘進(jìn)單價(jià)，縮短工期，通過控制結(jié)構(gòu)參數(shù)，減少聯(lián)絡(luò)巷工程浪費(fèi)，計(jì)算如下:

4.1 塹溝與斗穿對(duì)比，挖掘節(jié)約費(fèi)用潛力

理論上，我們可以這樣理解——斗穿長(zhǎng)度相當(dāng)于礦(巖)柱寬度。原方案在現(xiàn)場(chǎng)施工中，斗穿長(zhǎng)度為4.5m/個(gè)，由于斗穿是由礦體內(nèi)的沿脈巷道向下盤圍巖方向掘進(jìn)的，因礦體邊界清楚、擠壓滑動(dòng)明顯，斗穿在礦體邊界處基本上都存在片幫滑落現(xiàn)象，經(jīng)測(cè)量，斗穿實(shí)際有效長(zhǎng)度為3.5～3.9m，即礦(巖)柱寬度≥3.5m 時(shí)，能夠達(dá)到安全要求，因此，為了降低成本，改進(jìn)后的礦(巖)柱寬度按3.5m 建設(shè)，出礦巷道——塹溝長(zhǎng)度按4.0m 建設(shè)。

則降低費(fèi)用:8 個(gè)×(4.5 -4.0)m/個(gè)×7.5m2×290 元/m3=0.870萬元;

4.2 主運(yùn)輸平巷造價(jià)

原沿脈主運(yùn)輸平巷(3.5 ×3.0)改在上盤圍巖中平行于礦脈布置，掘進(jìn)費(fèi)用相同;

4.3 改變拉底巷道位置，造價(jià)減少

將原在6m 高處的拉底巷道改成與脈外運(yùn)輸巷道等高的拉底巷道，因單價(jià)不同，可以降低費(fèi)用:240m3×(350 -290)元/m3=1.68 萬元;

4.4 直接免除斗頸造價(jià)

斗頸掘進(jìn)費(fèi)用可以節(jié)省:8.560 萬元;

4.5 減少原斗穿結(jié)構(gòu)需要擴(kuò)幫的工程投入(如圖3 所示)

將原斗穿垂直于主運(yùn)輸巷道改成出礦巷道與主運(yùn)輸巷道成60O夾角，便于裝載機(jī)的調(diào)頭、轉(zhuǎn)彎與裝車工作。這樣，至少可以減少3/4 的擴(kuò)幫工程量，即可節(jié)約費(fèi)用為:1.970 ×3/4=1.48 萬元;

4.6 擴(kuò)漏斗費(fèi)用

擴(kuò)漏斗材料(含能源)消耗及工資、安裝漏斗材料及工資約1.32 萬元。

4.7 控制聯(lián)絡(luò)巷參數(shù)

將每個(gè)聯(lián)絡(luò)巷長(zhǎng)度控制在3.5m 以內(nèi)，2 條天井需掘10 個(gè)聯(lián)絡(luò)巷，1 個(gè)聯(lián)絡(luò)巷長(zhǎng)度可以縮短2.0m，可節(jié)約費(fèi)用為:

4.8 采用無底柱塹溝式礦房并控制好參數(shù)可節(jié)約費(fèi)用的計(jì)算

無底柱塹溝式礦房比有底柱漏斗式礦房可節(jié)約的掘進(jìn)工程費(fèi)用為:0.870 +1.680 +8.560 +1.480 +1.32 +0.700=14.61 萬元。

4.9 井巷掘進(jìn)的先后順序

(沿脈)拉底巷道→出礦巷道→脈外主運(yùn)輸巷道→天井→聯(lián)絡(luò)巷，脈外主運(yùn)輸巷道保持與(沿脈)拉底巷道平行，當(dāng)中相隔3.5m 圍巖作為巖柱;當(dāng)?shù)V脈尖滅，(沿脈)拉底巷道就不存在了，此地段只需掘進(jìn)一條主運(yùn)輸巷道，要注意將原相隔3.5m 的兩條巷道過渡合并為一條。

5 適當(dāng)調(diào)整薄礦體的采礦單價(jià)，提高綜合效益

經(jīng)巷道控制所揭露的礦體看，本礦山礦體沿走向約有15%的長(zhǎng)度礦體水平厚度只有1.0～2.0m，由于采礦單價(jià)低，施工隊(duì)回采這部分礦石連成本都無法收回，而放棄回采，對(duì)于花園鐵礦來說，這會(huì)大減少礦石回采率，并且大大提高了掘采比，因此，應(yīng)該采取調(diào)整這部分礦體采礦的單價(jià)，在保住施工隊(duì)最低保障收益的情況下，綜合提高礦山生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的效益。

6 采用新設(shè)備，改善工作環(huán)境，提高工作效率與經(jīng)濟(jì)效益

在(沿脈)拉底巷道，出礦巷道，脈外主運(yùn)輸巷道掘進(jìn)中采用輪胎式耙斗裝巖機(jī)裝車，可以減少油煙的產(chǎn)生，改善空氣質(zhì)量、減少通風(fēng)時(shí)間，并且大大提高工作效率，提高經(jīng)濟(jì)效益;裝礦作業(yè)，可以選擇側(cè)翻斗裝載機(jī)，這樣就可以降低運(yùn)礦車側(cè)身及與裝載機(jī)相互調(diào)整位置的難度，提高工作效率與經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語

(1)在礦體厚度薄且不穩(wěn)定、礦石品位低的條件下，公司經(jīng)營(yíng)近幾年未產(chǎn)生效益的情況下，從采礦技術(shù)與工程施工管理上著手，挖掘潛力是十分必要的。

(2)采用塹溝式無底柱的底部結(jié)構(gòu)不但能夠滿足安全生的產(chǎn)需要，還解決了邊幫脫落導(dǎo)致斗穿尺寸變大、礦石滾到巷道當(dāng)中造成堵塞的問題，本礦山在布置薄礦體的采礦工程中應(yīng)該推廣運(yùn)用。

(3)采用塹溝式無底柱的底部結(jié)構(gòu)，并控制好各井巷參數(shù)，建設(shè)一個(gè)礦房大約可以降低成本:14.61 萬元，由于脈外主運(yùn)輸巷道需要增加排土場(chǎng)建設(shè)投入，按每年建礦房數(shù)15 個(gè)，排土場(chǎng)建設(shè)費(fèi)用為70 萬元/年計(jì)，預(yù)計(jì)礦山工程投入可以節(jié)約費(fèi)用149.15 萬元/年。

(4)由于巷道結(jié)構(gòu)合理，改善了作業(yè)環(huán)境，降低了井下裝運(yùn)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，從而也能降低通風(fēng)等其它成本。