邱景平 辛國帥 張國聯(lián) 邢 軍 孫曉剛

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院)

小官莊鐵礦投產(chǎn)以來，采用無底柱分段崩落法回采礦石。隨著開采深度增加以及采空區(qū)增大，井下地壓活動(dòng)明顯，主井井筒已經(jīng)有一定程度的變形，直接威脅井下采掘作業(yè)及礦山提升系統(tǒng)的安全。為此小官莊鐵礦在北區(qū)開展了上向進(jìn)路充填采礦方法試驗(yàn)研究，形成了適合小官莊鐵礦軟破類型礦床開采的采礦工藝，實(shí)現(xiàn)了礦山的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 地質(zhì)概況及開采技術(shù)條件

試驗(yàn)礦塊地點(diǎn)選在小官莊鐵礦Ⅱ礦體－387～－450 m豎井保安礦柱以外150 m范圍內(nèi)的礦段，其礦體呈層狀產(chǎn)出，形狀不規(guī)整、零散分布，礦體走向、傾向、傾角變化較大，總體上為緩傾斜，且夾層多，品位變化大，各水平礦體對(duì)應(yīng)性差，礦、巖穩(wěn)固性均較差，復(fù)雜難采。

根據(jù)試驗(yàn)礦塊的上述地質(zhì)情況和開采技術(shù)條件，選擇上向進(jìn)路膠結(jié)充填法進(jìn)行試驗(yàn)［1-2］。圖1所示，開采范圍垂直方向上跨－450和－400 m 2個(gè)中段，但是－400 m之上僅有13 m，因此將2個(gè)中段并為1個(gè)中段進(jìn)行回采。－387～－450 m之間劃分5個(gè)分段，每個(gè)分段內(nèi)劃分2～4個(gè)分層，分層高度3.2～4.6 m。分段內(nèi)分層之間采用上行回采順序，各分層之間上行開采。各分段負(fù)擔(dān)分層為:①－442 m分段，負(fù)擔(dān)－444和－440.5 m 2個(gè)分層回采;②－435 m分段，負(fù)擔(dān)－437和－433.5 m 2個(gè)分層回采;③－426 m分段，負(fù)擔(dān)－430、－425.7和－421.4 m 3個(gè)分層回采;④ －413 m分段，負(fù)擔(dān) －417、－412.7和－408.4 m 3個(gè)分層回采;⑤ －400 m分段，負(fù)擔(dān)－404、－400、－395.4和 －392.2 m 4個(gè)分層回采。

2 采準(zhǔn)工程布置

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，通過方案優(yōu)化選擇，采礦選用無軌鑿巖與出礦設(shè)備，在穩(wěn)固性較好的礦體下盤布置1條采準(zhǔn)斜坡道。每個(gè)分段從斜坡道出發(fā)，通過分段巷道、分層斜坡道，開挖掘分層巷道。

圖1 小官莊鐵礦上向進(jìn)路膠結(jié)充填法

采準(zhǔn)斜坡道采用折返式，斷面規(guī)格3.5 m×3.2 m，彎道處加寬 0.5～1 m。直線段最大坡度為17%，轉(zhuǎn)彎段坡度小于5%，平均15%左右。斜坡道與中段穿脈間有5m左右的水平段。斜坡道在各分段出口處設(shè)6 m長緩坡段。平面轉(zhuǎn)彎半徑17 m，豎曲線轉(zhuǎn)彎半徑50 m。

采準(zhǔn)斜坡道布置在礦體下盤與布置在上盤相比，節(jié)省了大量的采準(zhǔn)工作量，同時(shí)縮短無軌設(shè)備的運(yùn)行距離，采準(zhǔn)斜坡道通過分段巷道與各分層巷道相聯(lián)系。下部分層開采結(jié)束后，需要轉(zhuǎn)到上一分層，采取分層聯(lián)絡(luò)道逐漸壓頂?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)層，節(jié)省工程量，同時(shí)加快施工進(jìn)度。采準(zhǔn)工作量見表1。

表1 采準(zhǔn)工程量匯總

經(jīng)計(jì)算，小官莊鐵礦北區(qū)充填采礦試驗(yàn)礦塊千噸采切比為4.99 m/kt，或35.1m3/kt，有效地降低了采準(zhǔn)工程量，節(jié)約了采礦成本。

3 進(jìn)路結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)小官莊鐵礦的礦巖力學(xué)參數(shù)，通過Ansys軟件建立三維力學(xué)模型，并采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件［3］，按照正交試驗(yàn)原理進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究不同的進(jìn)路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)礦塊安全性的影響，見表2。

表2 模擬分析的正交試驗(yàn)表 m

根據(jù)模擬結(jié)果分析，并結(jié)合對(duì)進(jìn)路隔一采一的開采方式，選擇合理的參數(shù)為進(jìn)路寬度3.5 m，進(jìn)路高度3.5 m，進(jìn)路長度60 m，該參數(shù)在現(xiàn)場得到了成功的應(yīng)用，進(jìn)路生產(chǎn)能力為168 t/d，礦塊生產(chǎn)能力336.1 t/d，保證了進(jìn)路的安全穩(wěn)定性和較高的生產(chǎn)能力。

4 礦體回采工藝確定

(1)進(jìn)路布置及回采順序。回采進(jìn)路依礦體形態(tài)布置，上下層進(jìn)路方向盡量錯(cuò)開，以提高充填體的支撐能力。進(jìn)路采取隔一采一的后退式回采，垂直走向上采取由上盤向下盤回采的開采順序。一步進(jìn)路回采后采用尾砂膠結(jié)充填，二步進(jìn)路回采間隔時(shí)間盡量延長，確保一步充填體的齡期和強(qiáng)度。

(2)充填材料及配比［4-7］。由于小官莊鐵礦全尾砂含泥量高(－200目達(dá)到了81%)，全尾砂充填難以達(dá)到充填采礦的要求，故對(duì)小官莊鐵礦的全尾砂進(jìn)行了分級(jí)(－200目為53%)，利用小官莊選礦廠的分級(jí)尾砂作為充填骨料，通過膠結(jié)充填試驗(yàn)和現(xiàn)場管路輸送，選擇膠固粉作為膠結(jié)材料，確定充填料漿濃度65%～70%。

(3)鑿巖爆破工藝［8-11］。進(jìn)路高度3.5 m以下，采用一次進(jìn)路全高落礦方式，DD210－HLX5鑿巖臺(tái)車鑿巖，鉆鑿水平淺孔，孔深2.8～3.0 m，桶形掏槽，光面爆破;二期進(jìn)路邊眼與一期進(jìn)路充填體的距離控制在0.6～0.7 m，保證不破壞充填體，防止充填體塌落導(dǎo)致貧化，如圖2所示。采用防水乳化油炸藥，不耦合裝藥;起爆器材為非電導(dǎo)爆管秒差雷管，正向起爆。

圖2 二步采進(jìn)路炮孔布置

5 改進(jìn)充填接頂措施

進(jìn)路回采結(jié)束后，即可進(jìn)行充填準(zhǔn)備工作，為確保充填效果，采取沿進(jìn)路方向分次充填，確保進(jìn)路充填接頂［12-13］。充填體采用灰砂比為1∶4 ～1∶10 膠結(jié)尾砂充填，進(jìn)路頂部0.5～1 m，用高標(biāo)號(hào)(1∶4)膠結(jié)尾砂充填，使充填體上表面抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.0 MPa以上。

每個(gè)分層最下一個(gè)分層的底板，將作為下一分段上下開采最上一分層的頂板。為確保下部回采安全，在分段最下分層大約1 m左右的底板，用高標(biāo)號(hào)(1∶4)膠結(jié)尾砂充填。

圖3 木質(zhì)充填擋墻

充填前做好采場的充填準(zhǔn)備工作，主要包括架設(shè)充填管、排氣管，構(gòu)筑充填擋墻，如圖3所示。

充填準(zhǔn)備完成后，即開始采場充填。針對(duì)充填接頂率較低，試驗(yàn)礦塊采取以下措施提高充填接頂率:①充填料漿流動(dòng)后有3°～5°左右的坡度，1次充填進(jìn)路長度控制在15 m以內(nèi)，30 m以上的進(jìn)路實(shí)行多點(diǎn)下料;下料管處向上挑頂0.5～1 m，充填管路架設(shè)在離進(jìn)路口8 m左右的最高點(diǎn)，以保證充填接頂;②通過添加萘系高效減水劑提高充填濃度，獲得了較高的接頂率，減少了排水量。

6 結(jié)論

(1)小官莊鐵礦北區(qū)試驗(yàn)礦塊進(jìn)行的上向進(jìn)路充填采礦工業(yè)試驗(yàn)獲得了成功，能夠保障采礦工作的順利進(jìn)行。

(2)設(shè)計(jì)了輔助斜坡道為主的無軌采準(zhǔn)系統(tǒng)，較大程度地減少了采準(zhǔn)工程量，降低了采準(zhǔn)成本及出礦成本，實(shí)現(xiàn)了礦山的安全高效生產(chǎn)。

(3)采用數(shù)值模擬方法，優(yōu)化了進(jìn)路參數(shù):進(jìn)路高度3.5 m，進(jìn)路寬度3.5 m，進(jìn)路長度60 m，在現(xiàn)場得到了成功的應(yīng)用。

(4)選用分級(jí)尾礦作為充填料，膠固粉作為膠結(jié)劑，灰砂比1∶4，充填料漿濃度65% ～70%，能夠滿足小官莊鐵礦的充填采礦要求。

(5)工業(yè)試驗(yàn)表明，通過挑頂、多點(diǎn)下料和充填料漿添加萘系減水劑等措施可有效解決現(xiàn)場的接頂問題。

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