江 兵，吳 姍

（1.武漢鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司，武漢 430080；2.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；3.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

充填采礦法能有效地充填采空區(qū)，充分回采資源，通過固廢充填技術(shù)將礦山固體廢物作為內(nèi)部資源進(jìn)行重新利用，實(shí)現(xiàn)資源與環(huán)境、安全、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合目標(biāo)［1］。在我國，黑色礦山多以崩落法開采為主，由于崩落法具有回收率低、貧化率高，尾礦處置難、破壞環(huán)境等問題，近年來越來越多的大型黑色礦山正逐步向充填法轉(zhuǎn)變，如河北鋼鐵石人溝鐵礦、馬鋼和睦山鐵礦、武鋼大冶鐵礦、程潮鐵礦、金山店鐵礦等，大型黑色礦山采用充填法開采將是鐵礦山發(fā)展的必然趨勢［2－3］。本文針對大冶鐵礦崩落法轉(zhuǎn)充填法開采，將其過渡區(qū)作為充填法試驗(yàn)礦塊，采用淺孔留礦嗣后充填法回收礦石，對提高礦石回收率、降低礦石貧化率、培養(yǎng)工程技術(shù)人員有重要的意義。

1 礦區(qū)地質(zhì)條件

大冶鐵礦是我國大型鐵礦山，開采歷史悠久，自西向東有六大礦體，分別為鐵門坎、龍洞、尖林山、象鼻山、獅子山和尖山礦體［4］。本文主要研究對象為獅子山、尖山礦體。

2003年以前一直采用露天開采，已經(jīng)形成的深凹露天坑?xùn)|西長約2 400m，南北寬約1 000m，為我國首批礦山公園。2003年，大冶鐵礦由露天開采轉(zhuǎn)為地下開采，采用的采礦方法為無底柱分段崩落法，開采對象為獅子山礦段和尖山礦段－24～－120m礦體。2009年，由無底柱分段崩落法轉(zhuǎn)為分段空場嗣后膠結(jié)充填法開采，開采對象為－120～－180m階段開采范圍內(nèi)礦體［5］。

2 崩落法轉(zhuǎn)充填法過渡區(qū)開采方法

2.1 開采條件

大冶鐵礦東采井下－120m階段采用無底柱分段崩落法進(jìn)行回采，階段高度為60m，分段高度為12m，進(jìn)路間距為10m。將崩落法最后一個(gè)分段即－108～－120m分段作為崩落法轉(zhuǎn)充填法的過渡區(qū)，－96～－108m分段以21＃進(jìn)路為界（圖1所示），劃分為東西兩部分，以東為充填法試驗(yàn)礦塊，采用淺孔留礦嗣后充填法進(jìn)行回采，以西仍沿用無底柱分段崩落法進(jìn)行回采。

圖1 －108m分段崩落法轉(zhuǎn)充填法過渡區(qū)開采采場布置Fig.1 Stope layout of transition zone from caving method to backfilling method on－108mlevel

2.2 回采工作

將充填試驗(yàn)礦塊從21＃～34＃進(jìn)路劃分礦房礦柱，采用淺孔留礦嗣后膠結(jié)充填采礦法，以“隔一采一”的方式間隔開采，采礦方法如圖2所示。

2.2.1 礦塊布置及采準(zhǔn)工程

回采礦房垂直礦體走向布置。根據(jù)礦山開拓系統(tǒng)的布置，礦房高為12m，礦塊長為礦體厚度，寬度為10m；回采分層高度2～3m，留2～2.5m的空區(qū)作為上一分層回采爆破的補(bǔ)償空間。

在礦體上下盤分別掘進(jìn)人行通風(fēng)天井，直達(dá)上水平，人員材料通過人行通風(fēng)天井進(jìn)出采場，切割工程以回采進(jìn)路為自由面，進(jìn)行拉底，拉底高度為2 m，面積與礦房一致。

2.2.2 回采及礦石搬運(yùn)

圖2 淺孔留礦嗣后充填法采礦方法圖Fig.2 Short－h(huán)ole shrinkage backfilling mining method

設(shè)計(jì)礦房回采分兩步進(jìn)行，先回采礦房下部矩形區(qū)，矩形區(qū)高度為12m，待下部矩型區(qū)回采完畢后，采用尾砂膠結(jié)充填，待充填體達(dá)到養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度后，再對上部脊柱三角區(qū)進(jìn)行回采，回采最大高度為6.9m。采用淺孔落礦，淺孔深度一般2～4m，孔徑38～42mm，最小抵抗線一般為1.0～1.2m。鑿巖設(shè)備采用7655型氣腿式鑿巖機(jī)，落礦順序采用自下而上階梯分層落礦，分層高度一般為3～4m，工作面空間高度為2.0～2.5m。隨著落礦高度的不斷增加，應(yīng)留礦堆保證工作面空間高度。

采用電動鏟運(yùn)機(jī)搬運(yùn)礦石，鏟運(yùn)機(jī)自礦房鏟裝礦石后搬運(yùn)至溜井。由于礦房高度較高，必須保證工作面空間高度為2.0～2.5m，為鉆孔爆破創(chuàng)造有利作業(yè)條件，需要留有礦堆，礦堆長度5～7m。每次爆破工作后，只出局部礦石，每次出礦量為爆破落礦量的30%。

2.2.3 采場通風(fēng)、排險(xiǎn)

新鮮風(fēng)流由下盤人行通風(fēng)天井進(jìn)入采場，沖洗工作面后污風(fēng)經(jīng)上盤人行通風(fēng)天井進(jìn)入上水平回風(fēng)巷道，經(jīng)東回風(fēng)井進(jìn)入礦區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)。采場爆破后，可采用局扇加強(qiáng)通風(fēng)，礦房通風(fēng)完畢，即可進(jìn)入礦房進(jìn)行頂板的安全檢查處理，對存在危險(xiǎn)的不穩(wěn)固地方要進(jìn)行支護(hù)，可采用錨桿支護(hù)或錨網(wǎng)噴支護(hù)，視現(xiàn)場情況而定。

2.3 充填工藝

2.3.1 全尾砂物理性質(zhì)

大冶鐵礦充填站采用的全尾砂主要來自選廠，通過試驗(yàn)得出全尾砂的粒徑累計(jì)分布曲線及其物理特性指標(biāo)，如圖3、表1所示。大冶鐵礦全尾砂含泥量較高，屬于超細(xì)尾砂，但其級配良好，適合作為充填原材料。

圖3 大冶鐵礦全尾砂粒級分布曲線Fig.3 Grain size distribution curve of full tailings in Daye Iron Mine

采用剪切流變儀對大冶鐵礦全尾砂料漿的黏度進(jìn)行了測試，采用回歸法，控制剪切速率在120s內(nèi)從0上升到120s－1測定不同濃度的充填料漿在不同剪切速率下的剪切應(yīng)力，根據(jù)H－B模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，最后得出不同濃度充填料漿的動態(tài)屈服應(yīng)力和黏度，如表2所示。

2.3.2 全尾砂自流輸送管線布置

一般來說，充填料的輸送方法有水力輸送、風(fēng)力輸送和機(jī)械輸送，目前國內(nèi)外均以水力充填為主［6］。要實(shí)現(xiàn)充填料的自流輸送，必須合理安排充填倍線，一般來說，需按式（1）計(jì)算充填倍線N：

式中：L—充填管道總長，m；H—充填管道入口及出口垂直高差，m。

當(dāng)充填倍線滿足下列要求時(shí)，可用自流輸送：Nmax＜12（水砂自流輸送）；Nmax＜8（尾砂及細(xì)砂膠結(jié)充填自流輸送）［7－9］。

表1 大冶鐵礦全尾砂物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of full tailings in Daye Iron Mine

表2 不同濃度料漿的流變參數(shù)Table 2 Rheological parameters of different concentrations of the slurry

大冶鐵礦－108m分段水平充填管道的鋪設(shè)采用部分陶瓷內(nèi)襯管線，在露天坑±0m水平位置打斷沿公路邊緣接到－53m水平風(fēng)井的正上方，然后打鉆孔從風(fēng)井下到－96m水平。管線總長度L約為1 600m，而高差H為270m，通過式（1），計(jì)算得到大冶鐵礦－108m分段水平的充填倍線為5.9，可實(shí)現(xiàn)自流輸送。

3 結(jié)論

1）在大冶鐵礦崩落法轉(zhuǎn)充填法開采過渡區(qū)域采用淺孔留礦嗣后充填法回收礦石，可實(shí)現(xiàn)崩落法向充填法的提前過渡，－108m分段水平采用淺孔留礦嗣后充填法累計(jì)回收鐵礦石約13萬t，礦石采出品位達(dá)44.5%，與無底柱分段崩落法相比，礦石回收率由80.3%提高到90.7%，貧化率由24.2%降低至7.8%，同時(shí)可以達(dá)到培養(yǎng)工程技術(shù)人員的目的。

2）大冶鐵礦全尾砂屬于超細(xì)尾砂，但其級配良好，適合作為充填原材料，通過計(jì)算得到大冶鐵礦－108m分段水平的充填倍線為5.9，可實(shí)現(xiàn)自流輸送。

［1］ 周愛民 .礦山廢料膠結(jié)充填［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

［2］ 張傳信 .空場嗣后充填采礦方法在黑色金屬礦山的應(yīng)用前景［J］.金屬礦山，2009（11）：257－260.

［3］ 李紅零，吳仲雄 .我國金屬礦開采技術(shù)發(fā)展趨勢［J］.有色金屬（礦山部分），2009，61（1）：8－10.

［4］ 程文文，宋衛(wèi)東，張興才，等 .高陡邊坡下開采掛幫礦對滑體穩(wěn)定性的影響［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（3）：377－382.

［5］ 吳 姍，宋衛(wèi)東，杜建華，等 .高陡邊坡下充填法開采掛幫礦穩(wěn)定性數(shù)值模擬與安全監(jiān)測［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013，30（6）：874－879.

［6］ 蘆世俊 .全尾砂高濃度充填料漿自流輸送系統(tǒng)特性分析及設(shè)計(jì)［J］.有色金屬（礦山部分），2010，62（2）：75－78.

［7］ 蔡嗣經(jīng) .礦山充填力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［8］ 龔正國 .充填料管道水力輸送特性的數(shù)值分析與研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2008.

［9］ 馬黎明 .黃沙坪深部膠結(jié)充填管輸系統(tǒng)優(yōu)化研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2012.