王 進(jìn)，童 炎，王志凱

（1.武鋼資源集團(tuán) 程潮礦業(yè)公司，湖北 鄂州 436050；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083）

1 引言

程潮鐵礦是國內(nèi)特大型地下金屬礦山，同時也是武鋼集團(tuán)公司重點投資發(fā)展的礦山，一直以來主要采用的采礦方法為無底柱分段崩落法，年產(chǎn)量350萬t。隨著國家對安全生產(chǎn)及礦山環(huán)境保護(hù)要求越來越嚴(yán)格，采礦成本壓力逐漸增大。該礦決定逐步推行充填采礦法［1-3］。充填采礦法可適合各種不同的礦體賦存形態(tài)及復(fù)雜的開采技術(shù)條件，從而最大限度地回收地下礦石資源并降低礦石貧化，保護(hù)地表建筑物、減少征地搬遷和環(huán)境治理費用，減少深部開采地壓［4］、巖爆危害［5-6］；同時采用高濃度全尾砂膠結(jié)充填工藝，尾礦可以充填采空區(qū)，減少了尾礦庫征地的費用和管理費用，從而提高礦山的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益［7-8］。

2 工程概況

為了摸索充填采礦法經(jīng)驗以及為日后全面推廣充填采礦法提供技術(shù)支撐和安全保障，目前，選擇在西區(qū)-447水平5-1采區(qū)，采用分段嗣后充填采礦法進(jìn)行開采探索。5-1采區(qū)位于Ⅲ號礦體，Ⅲ號鐵礦體是一個磁鐵礦體，礦體平均厚度72.95m，礦體總體走向296°，傾向214°，傾角45°左右，向西側(cè)伏，側(cè)伏角8°。礦體大多賦存于大理巖、白云質(zhì)大理巖與閃長巖、花崗巖接觸帶上的矽卡巖中，少數(shù)賦存于遠(yuǎn)離接觸帶的大理巖、白云質(zhì)大理巖、石膏及閃長巖、花崗巖中。呈不規(guī)則透鏡狀，端部有分枝現(xiàn)象。

3 工藝參數(shù)

3.1 回采方案初選

因礦房頂板暴露面積較大，因此礦房頂板初定施工方案為預(yù)控頂。在礦房預(yù)控頂水平沿礦房長度方向按3.33m平均分成三個條帶，先用光面爆破法掘進(jìn)兩邊的條帶，視頂板穩(wěn)定情況進(jìn)行適當(dāng)支護(hù)；然后采用光面爆破掘進(jìn)中間的條帶，中間條帶掘進(jìn)過程及時進(jìn)行支護(hù)；整個頂板拉開后視穩(wěn)固情況進(jìn)行錨桿、金屬網(wǎng)、長錨索、噴漿支護(hù)。礦房落礦完畢后，操作人員進(jìn)入空場進(jìn)行礦石鏟運作業(yè)。由于預(yù)控頂施工工藝復(fù)雜，作業(yè)人員要求進(jìn)入空場出礦，支護(hù)量大，支護(hù)強度要求較高，施工成本高、工期長，故該方案不太適合實際應(yīng)用。最后采用礦房正上方掘進(jìn)充填聯(lián)絡(luò)道，并且爆破落礦過程中將聯(lián)絡(luò)道底板擊穿，遙控鏟運機進(jìn)入空場出礦方式。

3.2 采準(zhǔn)與切割

采準(zhǔn)與切割工程主要包括鑿巖巷、魚刺出礦巷、切割巷、切割天井。其中鑿巖出礦巷、切割巷為三心拱斷面，根據(jù)現(xiàn)使用出礦設(shè)備選擇其斷面規(guī)格為：3.6m×3.5m；魚刺型出礦巷為：3.2m×3.2m（3.0m3鏟運機）或3.6m×3.5m（3.8m3鏟運機），單側(cè)出礦魚刺巷間距為12m，為方便遙控鏟運機進(jìn)出空場出礦，魚刺巷與鑿巖巷夾角為60°。切割天井?dāng)嗝嬉?guī)格為2.5m×2.5m。切割天井布置在切割巷中間，切割巷布置在礦體上盤端部。鑿巖切割巷垂直礦體走向布置。

采場底部結(jié)構(gòu)有有兩種，一種是平底結(jié)構(gòu)，另一種是塹溝式結(jié)構(gòu)。若采用平底結(jié)構(gòu)，在爆破過程中，魚刺巷頂板眉線容易被破壞，鏟車從魚刺巷出礦時，鏟車暴露空場面積較大。故采用塹溝式底部結(jié)構(gòu)。

圖1 -447水平5-1采區(qū)回采設(shè)計

3.3 礦房參數(shù)選擇

礦體及圍巖的結(jié)構(gòu)組成、質(zhì)量級別制約采礦開采巖體穩(wěn)定性和采場結(jié)構(gòu)尺寸的確定。通過巖體結(jié)構(gòu)特征分類和巖體分級系統(tǒng)對礦山的礦體圍巖及礦體進(jìn)行分類與分級后，可以預(yù)估采場的結(jié)構(gòu)尺寸的合理性。目前研究的主要有兩種巖體分級系統(tǒng)：即Q分類體系、CSIR分類體系?，F(xiàn)使用Q分類體系對采場結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行合理選擇。

表1 礦山巖體結(jié)構(gòu)特征與巖體分級

應(yīng)用Q分類體系可以經(jīng)驗的選擇地下工程無支護(hù)最大跨度，按上表中所列各圍巖的Q分類值的最大跨度：

式中：L—頂板無支護(hù)最大跨度，m；ESR—開挖體支護(hù)比，這里取ESR=1.6；Q—巖體分級值。

根據(jù)式（1）可得：頂板為大理巖時無支護(hù)最大跨度L=14m；頂板為礦體時無支護(hù)最大跨度L=13.3m，故在此確定礦房寬度為13m，礦柱的寬度一般取6～8m，這里選擇礦柱的寬度為7m。

3.4 回采順序

采取隔一采一回采順序，先回采礦房，后回采礦柱。回采礦房時，先以切割天井為自由面進(jìn)行拉槽形成切割槽，在以切割槽為自由面，對鑿巖進(jìn)路進(jìn)行后退式回采。礦房回采完畢后，對礦房進(jìn)行充填。待充填體完全達(dá)到強度要求后，進(jìn)行礦柱回采。

根據(jù)礦柱的回采條件及回采技術(shù)難點，初選礦柱回采有兩種方法，即，無底柱分段崩落法、上向水平分層充填法。若采用上向水平分層充填法，回采效率較低，且回采工藝比較復(fù)雜、回采周期較長，故采用無底柱分段崩落法。在鑿巖進(jìn)路施工中深孔，并且在進(jìn)路上盤端部施工切割天井，爆破拉槽形成切割槽，采用后退式回采，每次爆破后先出一部分礦石，礦房落礦完畢后，使用遙控鏟運機集中出礦。設(shè)計爆破方案時，須留設(shè)1～1.5m護(hù)壁隔開充填體，避免爆破過程中對充填體造成破壞。

3.5 鑿巖爆破

在鑿巖進(jìn)路內(nèi)，自端部開始，采用SimbaH252中深孔臺車臺車鑿上向扇型孔，炮孔直徑80mm，孔底距1.8～2m，排距2m，采用BQF-100型裝藥器進(jìn)行裝藥，導(dǎo)爆管、起爆彈或?qū)П髀?lián)合起爆，實現(xiàn)同排炮孔微差爆破達(dá)到減震目的。同排炮孔間隔裝藥和孔口進(jìn)行炮孔堵塞，減弱爆破對進(jìn)路眉線的破壞。

礦房爆破邊孔角根據(jù)礦石自然安息角選取為43°，便于礦石崩落后能自然垮落到鑿巖巷道。根據(jù)地測科提供的資料，5-1采區(qū)礦體整體呈上大下小的倒三角形狀，在本水平逐漸尖滅，鑿巖巷道地質(zhì)編錄資料顯示礦房兩邊的底部大部分是圍巖，因此將原爆破設(shè)計的邊孔（43°）去掉，實際邊孔角變?yōu)?5°，爆破后形成較厚的三角底柱，出礦也比較安全。

3.6 鏟裝與搬運

采用ST-710遙控鏟運機出礦。每次爆破后，由鑿巖出礦巷出礦三分之一，形成爆破自由面并進(jìn)行擠壓爆破，礦房落礦完畢后，由鏟運機從魚刺出礦巷集中出礦，集中出礦時先使用人工操作模式將魚刺巷崩落的礦石回收完，然后使用遙控模式從鑿巖巷將空場里面的礦石回收完畢，回采率達(dá)到85%以上，貧化率15%。礦石運至出礦溜井到達(dá)主運輸水平，最后進(jìn)入提升系統(tǒng)。

3.7 采場通風(fēng)

新鮮風(fēng)流由斜坡道進(jìn)入分段巷道，經(jīng)工作面后污風(fēng)從回風(fēng)井排出地表。局部地段或獨頭掘進(jìn)地段由局扇加強通風(fēng)。

3.8 支護(hù)與充填

采準(zhǔn)切割完畢后，對出礦魚刺巷進(jìn)行素噴，噴漿厚度60mm，破碎地帶進(jìn)行錨噴支護(hù)，對鑿巖出礦巷進(jìn)行錨噴支護(hù)，破碎地帶噴錨網(wǎng)支護(hù)，為方便鏟運機出礦，鑿巖出礦巷底板進(jìn)行澆灌，強度C20，厚度為200mm。

充填采用全尾砂膠結(jié)充填?？請龀龅V完畢后，對所有進(jìn)路口做擋墻封閉。充填過程中有如下要求：

（1）擋墻位置應(yīng)盡量選擇在巖石較穩(wěn)固的地方，擋墻為混泥土擋墻，厚度0.3～0.5m，強度為C20，擋墻養(yǎng)護(hù)24h后方可進(jìn)行充填作業(yè)；

（2）擋墻制作過程中，采用Φ100mm鋼絲圈尼龍濾水管，從-430m水平充填聯(lián)絡(luò)道下放至-447.5m水平礦房，采用鐵絲、繩索等工具將濾水管綁扎起來，每一根濾水管綁扎一根細(xì)繩，將細(xì)繩拋擲到礦房端部切割槽、礦房兩側(cè)的出礦斜巷附近，從礦房兩邊的鑿巖巷道將濾水管拉出來，每一面封堵墻布設(shè)2根濾水管，由擋墻上的濾水孔穿出墻外。每面擋墻都必須留設(shè)濾水孔，濾水孔在垂直方向間距為0.3～0.5m；

（3）為防止充填料從間柱或圍巖裂縫中泄漏和減少充填體對隔墻的壓力，對隔墻附近破碎嚴(yán)重的巖層應(yīng)噴射混凝土；前兩次充填高度不得大于3m，待膠結(jié)料初凝或脫水后，再依次充填，直至礦房充滿為止；

（4）密閉隔墻及濾水設(shè)施檢查合格后，即可開始充填。首先進(jìn)行試充，未發(fā)現(xiàn)密閉工程有泄漏時，方可正式充填，充填料漿濃度達(dá)到63%～70%，分多次充填，底部4.5m充填采用灰砂比1∶4，中部充填采用灰砂比1∶6，頂部4.5m充填采用灰砂比1∶4；

（5）充填至接近采場頂板時，不能排凈的水可以用潛水泵將其抽出，充填體28天單軸抗壓強度達(dá)到2Mpa以上；

（6）為保證充填體的充分排水和養(yǎng)護(hù)，相臨礦柱的回采最少要等4個月。

4 實際問題及對策措施

4.1 充填成本高

據(jù)統(tǒng)計，水力充填費用占采礦成本的15%～25%，而膠結(jié)充填則占35%～50%。成本高的原因是采用價格較貴的膠固料，因此應(yīng)尋求廉價的膠結(jié)材料替代品或采用較小灰沙比，同時優(yōu)化充填工藝，對強度要求不高的地方采用低配比進(jìn)行充填。

4.2 頂板安全壓力大

由于頂板高度較高，且難以觀察，頂板巖石破碎、遇到節(jié)理發(fā)育構(gòu)造復(fù)雜的地帶難以處理,特別是在雨季，采場頂板經(jīng)過雨水的滲透之后，其不穩(wěn)定性急劇增加。需加強頂板的監(jiān)測與控制，防止頂板大面積跨冒；加強現(xiàn)場管理，現(xiàn)場未作業(yè)時對現(xiàn)場進(jìn)行掛牌封閉。

4.3 遙控操作視野不足

目前，遙控鏟運機在現(xiàn)場的運用較為成功，但是實際操作中還存在一些問題，例如：操作人員難以看清鏟斗鏟裝情況，鏟礦較困難；使用遙控進(jìn)行操作時，難以看清鏟車進(jìn)出空場的路線，鏟車容易撞到幇壁。建議引進(jìn)遙控視頻系統(tǒng)，可以更好的觀測遙控鏟運機在空場作業(yè)情況，保證作業(yè)安全，并且加強操作人員培訓(xùn)，提高操作熟練程度。

4.4 礦石板結(jié)嚴(yán)重，爆破處理難度大

由于礦房爆破作業(yè)采用擠壓爆破，隨著爆破的不斷后退，前面爆破下來的礦石不斷受到擠壓，導(dǎo)致礦石板結(jié)現(xiàn)象比較嚴(yán)重，且礦石板結(jié)高度較高，處理難度比較大，且多次處理以后，空場頂板、邊幫變化較大。在對其它礦房的回采過程中，應(yīng)當(dāng)邊爆破、邊出礦，每次爆破完后，由鑿巖巷出礦30%、魚刺巷出礦30%，最后使用遙控鏟運機進(jìn)入空場集中出礦。

4.5 擋墻制作成本大，周期長

目前制作的充填封閉擋墻都是混凝土擋墻。由于水泥材料價格較高，在后期對充填體取樣檢測強度時需對混凝土擋墻進(jìn)行爆破處理，且混凝土擋墻材料不能重復(fù)利用、濾水性差、需養(yǎng)護(hù)24h后方可進(jìn)行充填作業(yè)?？梢圆捎闷渌に嚀鯄Υ婊炷翐鯄?，比如：工字鋼金屬網(wǎng)柔性濾水擋墻，濾水性較好，材料可循環(huán)利用，制作周期短。

5 結(jié)論

分段嗣后充填采礦法在實際應(yīng)用中，由于不同區(qū)域的礦、巖石性質(zhì)不同，不同設(shè)備的型號不同，在使用該采礦方法時并非一概而論，所以特需不斷的進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，找到適合工藝參數(shù)。但需堅持控頂板、強支護(hù)、管邊界、控大塊、快循環(huán)的原則，方可確保安全，提高采場生產(chǎn)能力，降低采礦、充填成本，力求效益最大化?，F(xiàn)將實際運用的的幾點體會列如下：

（1）如果采場巖石情況良好，且存在較少的節(jié)理、裂隙。可適當(dāng)提高分段高度及礦房尺寸，提高生產(chǎn)能力，減少循環(huán)次數(shù)，減少采準(zhǔn)工程量，增創(chuàng)效益。

（2）建立廢石不出井系統(tǒng)，將掘進(jìn)的廢石充入采空區(qū)或制作臨時擋墻（采空區(qū)內(nèi)充填廢石要保證和間柱或上、下盤距離留設(shè)2～5m，可增加充填體對間柱的摩擦力），既可緩解礦井提升壓力，既可降低充填成本，還能增加充填體強度。

（3）加快采場循環(huán)速度，要對采礦、出礦和充填準(zhǔn)備工作作一定的時間要求，可以做礦山內(nèi)的巖石性質(zhì)和支撐時間和空間做一定的試驗，做到在頂板壓力釋放之前完成采、出、充工作完畢。有必要建立全礦年、月度采場充填循環(huán)圖表，保證各采空區(qū)有條不紊的連續(xù)充填。

（4）充填采礦法的實際運用比較靈活，可以根據(jù)不同的外部條件采用不同的采礦方法，在厚大礦體中可采用盤區(qū)上向水平分層充填法，保證充填體強度滿足鏟運設(shè)備作業(yè)要求；在礦巖整體性好、穩(wěn)定的礦體中，采用階段嗣后充填采礦方法，適宜礦段采用分段嗣后充填采礦法，二步驟回采礦房和礦柱。

（5）底部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在設(shè)計底部結(jié)構(gòu)時，可以在礦房礦柱交界的底部爆破預(yù)留較厚的三角底柱，在回采礦房和礦柱的過程中，都可以從該預(yù)留三角柱底部掘進(jìn)魚刺巷進(jìn)行出礦作業(yè)，減少鏟運機進(jìn)入空場出礦作業(yè)時間，確保出礦安全。