大直徑深孔階段礦房嗣后充填法在馬坑鐵礦的應(yīng)用

王志東

(福建馬坑礦業(yè)股份有限公司， 福建 龍巖市 364000)

1 概況

馬坑鐵礦是設(shè)計(jì)采礦規(guī)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(gè)區(qū)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?guī)r間的假整合面上。礦體走向NE，長(zhǎng)約 3050 m，往 SW略有側(cè)伏；礦體傾向 NW，傾角一般為 40°左右，局部達(dá) 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?guī)r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(wěn)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(jiān)硬、穩(wěn)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?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，在該采礦方法的應(yīng)用過程中存在的問題有：①采礦準(zhǔn)備工作量大，每個(gè)分段的礦房礦柱回采都要掘進(jìn)采切巷道，采礦準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)。②多分段鑿巖、爆破，多工作面作業(yè)，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(jìn)行試驗(yàn)。首先進(jìn)行大直徑深孔階段礦房嗣后充填采礦法試驗(yàn)的采場(chǎng)為西礦段0 m階段60-1R采場(chǎng)，應(yīng)用結(jié)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(shè)備機(jī)械化生產(chǎn)，具有生產(chǎn)能力更高、安全管理難度更低的優(yōu)勢(shì)。

2 大直徑深孔階段礦房嗣后充填采礦法

2.1 開采技術(shù)條件

西礦段160 m以下具有開采價(jià)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(duì)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(yàn)礦房位于西礦段 0～100 m 水平的60-61號(hào)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(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及采切工程布置

采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)：沿礦體走向每120 m劃分為一個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)寬度為礦體的水平厚度。盤區(qū)間不留盤區(qū)間柱。盤區(qū)內(nèi)劃分8個(gè)礦塊，礦塊垂直走向布置，分礦房、礦柱兩步驟回采。每個(gè)礦塊長(zhǎng)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(chǎng)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(qū)設(shè)置2條溜井，分別布置在礦體上盤和礦體下盤。礦石經(jīng)溜井通過振動(dòng)放礦機(jī)在階段運(yùn)輸穿脈中裝車。本階段的底柱及下階段的頂柱暫時(shí)不回采，待下階段采場(chǎng)回采充填完畢后再對(duì)本階段的底柱及下階段的頂柱統(tǒng)一進(jìn)行回采。

采切工程布置：采場(chǎng)出礦水平及大孔鑿巖水平均采用下盤進(jìn)風(fēng)、上盤回風(fēng)，出礦水平進(jìn)路作為中孔鑿巖巷和出礦運(yùn)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(bǔ)充空間；出礦進(jìn)路與出礦巷道斜交布置，夾角為45°，出礦進(jìn)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(zhǎng)度根據(jù)礦體剖面進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(wěn)定，在2條大孔鑿巖巷道之間預(yù)留 2.5～3 m的臨時(shí)條柱，并隔 30～50 m 用 3 m×3 m 的聯(lián)絡(luò)巷道貫通作為裝藥聯(lián)巷，局部破碎及不穩(wěn)固位置采用噴錨網(wǎng)加固支護(hù)。采切工程具體布置有出礦水平及鑿巖水平上盤回風(fēng)平巷、出礦水平及鑿巖水平下盤運(yùn)輸巷、上盤通風(fēng)天井、卸礦溜井、塹溝底部結(jié)構(gòu)、中孔鑿巖巷及出礦巷、大孔鑿巖巷、鑿巖巷聯(lián)絡(luò)道、切割巷、切割天井等。根據(jù)中孔鑿巖臺(tái)車駿鐸GZ919潛孔鉆機(jī)、大孔鑿巖臺(tái)車T150潛孔鉆機(jī)、4 m3鏟運(yùn)機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備確定各巷道斷面尺寸，18 m水平巷道、90 m水平上下運(yùn)輸巷及大孔鑿巖硐室聯(lián)絡(luò)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(qū)內(nèi)礦塊采用隔三采一的回采順序進(jìn)行回采，分一步驟與二步驟采場(chǎng)間隔布置，一步驟采用膠結(jié)充填，二步驟采場(chǎng)待一步驟采場(chǎng)充填體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行回采，并采用低配比灰砂膠結(jié)充填或非膠結(jié)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(shè)備采用4 m3鏟運(yùn)機(jī)配合4 m3遙控鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)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(tái)車，在鑿巖巷內(nèi)鉆鑿下向垂直深孔，孔徑Φ150 mm。為保護(hù)采場(chǎng)兩邊巖體的穩(wěn)定，減少爆破擾動(dòng)，采場(chǎng)兩側(cè)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(chǎng)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(shí)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(tái)車，在拉底平巷內(nèi)采用扇形中深孔拉底，形成V型底部結(jié)構(gòu)，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(guī)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?zhèn)认虮菩纬刹蓤?chǎng)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(fēng)動(dòng)裝藥器裝藥，非電毫秒微差雷管起爆的起爆網(wǎng)路系統(tǒng)；采場(chǎng)大孔回采爆破首先以切割天井為自由面進(jìn)行擴(kuò)槽的側(cè)向爆破，再以切割槽為側(cè)向自由面和補(bǔ)償空間進(jìn)行側(cè)向大直徑深孔爆破，大直徑深孔爆破作業(yè)在上部鑿巖巷內(nèi)進(jìn)行，往下在平行深孔內(nèi)裝填Φ130 mm的乳化炸藥。起爆采用非電導(dǎo)爆管雷管、導(dǎo)爆索復(fù)式起爆。起爆器配非電導(dǎo)爆管雷管起爆系統(tǒng)爆破。每次爆破2～3列炮孔，如果爆破補(bǔ)償空間足夠，則可進(jìn)行更大規(guī)模的多列深孔微差爆破，采場(chǎng)共計(jì)分3層爆破（中孔1層，大孔 2層），自下而上進(jìn)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(chǎng)出礦結(jié)束后，采用高配合比尾砂膠結(jié)（強(qiáng)度2.35 MPa以上）充填采空區(qū)。尾砂漿用充填管經(jīng)上部穿脈或運(yùn)輸巷道輸送到采場(chǎng)。

2.3.2 二步驟（礦柱）回采

待一步驟回采礦房充填體養(yǎng)護(hù)的充填體強(qiáng)度達(dá)到2.35 MPa以上后進(jìn)行二步驟礦柱回采。由于二步驟回采采場(chǎng)兩側(cè)均為充填體，減小爆破對(duì)充填體的破壞至關(guān)重要，因此礦柱采場(chǎng)炮孔采用不耦合裝藥，空氣間隔結(jié)構(gòu)。兩側(cè)邊孔滯后相鄰的中間孔爆破，同時(shí)邊孔裝藥量小于中間孔裝藥量，避免邊孔產(chǎn)生爆破擠壓，破壞充填體。為保護(hù)充填體，二步驟回采采場(chǎng)單響藥量宜控制在300 kg以內(nèi)，采用低配合比的尾砂膠結(jié)充填采空區(qū)?？紤]到需進(jìn)行底柱礦體回采，底部10 m先進(jìn)行高配合比的尾砂膠結(jié)充填（強(qiáng)度與一步驟強(qiáng)度一致），中間進(jìn)行低配合比的尾砂膠結(jié)充填或全尾砂膠結(jié)充填（中間層強(qiáng)度達(dá)0.6 MPa以上），具體強(qiáng)度見表1。

表1 充填體強(qiáng)度

2.4 充填工藝

充填站建于礦體上盤小娘坑?xùn)|面的山脊上，地面標(biāo)高+570～+610 m，充填站室內(nèi)標(biāo)高+575 m，井下充填管道鋪設(shè)最長(zhǎng)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(nèi)設(shè)置3套大流量充填系統(tǒng)，每套系統(tǒng)由1個(gè)臥式砂池（僅1套系統(tǒng)配備）、1個(gè)水泥倉(cāng)、1套大能力的雙軸攪拌機(jī)+高速活化攪拌機(jī)組成，單套系統(tǒng)制備輸送能力150～180 m3/h，一次連續(xù)最大充填量 1600～1800 m3，3套充填系統(tǒng)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(qiáng)度為M10，擋墻外側(cè)及擋墻與巷道圍巖周邊采用噴砼二次密實(shí)，噴砼要求強(qiáng)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(nèi)側(cè)端頭采用土工布包裹并扣緊起脫水作用。為了及時(shí)將充填過程中充填料漿中的水排出，以達(dá)到提高充入空區(qū)內(nèi)充填料漿的濃度、提高充填強(qiáng)度的目的，在采場(chǎng)大孔鑿巖水平從上盤及下盤的聯(lián)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(yàn)及實(shí)踐所得，料漿濃度為64%～67%。充填漿液過充填擋墻時(shí)，嚴(yán)格控制一次料面上升高度，一次充填高度控制在2 m以內(nèi)，每次充填后須間隔18 h以上，超過擋墻6 m后可連續(xù)充填。

2.5 階段隔離層礦柱回采

對(duì)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?qǐng)霾傻V法，上階段的底柱中距離上階段空區(qū)處預(yù)留6 m以上作為保護(hù)上階段空區(qū)充填物的礦柱，不進(jìn)行回采?；夭呻A段隔離層礦柱時(shí)期有2種方式：①在一步驟采至90 m水平后，對(duì)空區(qū)進(jìn)行全尾砂膠結(jié)充填，并在上部10 m左右采用高強(qiáng)度充填，在充填養(yǎng)護(hù)并達(dá)到要求強(qiáng)度后，以90 m水平作為主要運(yùn)輸巷繼續(xù)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(duì)二步驟的18～90 m水平進(jìn)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(xù)往上回采，回采時(shí)也遵循兩個(gè)步驟開采。

2.6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

該礦試驗(yàn)礦房為西區(qū)0階段60-1R及61-3R，經(jīng)過對(duì)這兩個(gè)礦房的總結(jié)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(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表2。

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2.7 應(yīng)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(gè)礦房月度生產(chǎn)能力最高達(dá)14.7萬t，充分發(fā)揮了大型設(shè)備機(jī)械化生產(chǎn)效率，大大降低了采掘作業(yè)面?zhèn)€數(shù)。在該采礦方法的應(yīng)用過程中，遇到了一些技術(shù)難題，現(xiàn)將其總結(jié)如下。

（1）采場(chǎng)兩幫垮落嚴(yán)重問題。因巖性或爆破對(duì)炮孔周邊圍巖的破壞，導(dǎo)致采場(chǎng)兩幫垮落嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了采場(chǎng)礦石的品位及采場(chǎng)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(shù)。

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

（3）采場(chǎng)礦石大塊率高的問題。如果大塊炮孔偏斜嚴(yán)重，將會(huì)導(dǎo)致孔底間距拉大產(chǎn)生大塊，為減少大塊率，須保證大孔鑿巖嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，確保大孔偏斜率小于1%。

（4）采場(chǎng)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(duì)采空區(qū)進(jìn)行空區(qū)掃描，再?gòu)纳蟼€(gè)分段施工充填孔，充填孔需在采場(chǎng)最高點(diǎn)貫通，當(dāng)下料點(diǎn)距離空區(qū)邊大于30 m時(shí)，須增設(shè)一個(gè)充填孔，使下料點(diǎn)充填漿液流動(dòng)距離小于30 m。

3 結(jié)論

大直徑深孔階段礦房嗣后充填采礦法在礦山的應(yīng)用取得了良好的效果，不僅使該礦實(shí)現(xiàn)了大型設(shè)備機(jī)械化生產(chǎn)，大大提高了礦山的生產(chǎn)能力，還為該礦山的“強(qiáng)采強(qiáng)出”提供了有力的條件。采場(chǎng)生產(chǎn)能力的提高，大大減少了采掘分段及工作面?zhèn)€數(shù)，減少了安全管理難度及成本。同時(shí)，膠結(jié)充填法的應(yīng)用雖然提高了采礦成本，但也減少了礦房間柱的留設(shè)，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(kù)。實(shí)踐證明，該采礦方法在滿足該礦山的生產(chǎn)要求的同時(shí)，提高了礦床開采整體經(jīng)濟(jì)效益，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。