袁 棟，徐 磊

(1.蕪湖太平礦業(yè)有限責任公司，安徽 蕪湖市 238002；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

0 前 言

某鐵礦于2007年正式開始基建，采用地下開采，計劃年開采能力為20萬t/a。在勘探工程、井下基建作業(yè)及礦山生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)礦體內(nèi)外環(huán)境已發(fā)生一系列變化，開采難度較預想的要大，原初步設計相關技術方案已難以完全滿足安全、高效開采的要求。且目前的開采實踐也表明了原有的采礦方法不能很好的適應新的變化，出現(xiàn)了一系列不足。如平面礦體不連續(xù)，造成生產(chǎn)中難以形成規(guī)則采場，貧化率高，生產(chǎn)效率偏低；采礦暴露面積偏大，頂板管理較為困難，采場作業(yè)安全性較差；出礦工藝落后等不足。目前迫切需要對現(xiàn)有的工藝進行適當?shù)膬?yōu)化調(diào)整，使之能使用開采條件的變化。

1 礦山水文、工程地質(zhì)及礦體特征

1.1 水文地質(zhì)條件

某鐵礦礦區(qū)地表全為第四系松散沖積物覆蓋，鉆露的地層主要為三迭系中統(tǒng)徐家山、黃馬青組。區(qū)內(nèi)第四系埋藏厚度大，富水性強；礦床埋藏較深，礦體及其頂板巖層富水性中～強，巷道直接進水，水壓大；裂隙巖溶含水層與第四系含水層之間雖有厚度0～26 m弱透水巖層起到相對隔水作用，但在構造裂隙、巖體接觸帶裂隙發(fā)育處或該層變薄尖滅處，往往是第四系強含水層與裂隙巖溶含水層溝通的有利通道，故未來巷道突水現(xiàn)象嚴重。

本礦床屬于頂板直接進水，有穩(wěn)定的地下水補給來源，故其水文地質(zhì)條件屬于復雜類型。

1.2 工程地質(zhì)條件

礦區(qū)上覆第四系厚50～70 m，主要為粘土，含粉砂粘土、泥質(zhì)粉砂、粉細砂及砂礫石層。上部常夾有薄層泥炭。礦床的部分礦體及頂、底板地層巖石破碎、松散，水文地質(zhì)條件復雜，不良工程地質(zhì)問題多。礦區(qū)內(nèi)主要礦體埋藏在50～188 m之間，礦體圍巖多為大理巖類、方解石巖類、閃長巖類，部分為角巖類、少量角礫巖及安山玢巖。頂?shù)装鍘r石大部分半堅硬、完整，其工程地質(zhì)條件穩(wěn)定性較好。但局部構造發(fā)育地段，由于巖溶發(fā)育或蝕變作用的結果，巖石呈松散、軟弱狀，含水性強，加之地下水壓力大等綜合因素的作用，故其工程地質(zhì)條件穩(wěn)定性差，危害性突出。

本礦床工程地質(zhì)條件屬于復雜類型。

1.3 礦體特征

礦床由9個鐵礦體組成，編號為I～IX。礦體埋深一般在50～188 m。礦體主要呈似層狀、透鏡狀，其形態(tài)、規(guī)模受圍巖地層及接觸帶控制。礦體產(chǎn)狀一般較平緩，略向南東傾斜，傾角一般在5°左右；Ⅳ號礦體傾角稍大，一般在5°～20°。

區(qū)內(nèi)礦體規(guī)模一般較小，其走向、傾向延伸均在100 m左右，厚度2.23～9.27 m不等；礦體產(chǎn)出標高-45～-144 m；Ⅳ號礦體規(guī)模較大，礦體走向延伸約500 m，傾向延伸約300 m，工程見礦厚度2.10～25.02 m，礦體厚度變化中等，其變化系數(shù)為60%。礦體產(chǎn)出標高-67～-180 m。

2 礦山開采現(xiàn)狀及存在問題

2.1 原采礦方法簡介

礦山為地下開采，礦區(qū)地處平原，地表多為良田，地表不允許陷落，故初步設計中選用上向水平分層尾砂膠結充填法。

開采順序是沿著礦體走向由東向西后退式回采；在礦塊內(nèi)是自下而上開采。首采中段為-185 m中段。首采地段為-185 m中段礦體最西側的礦塊。礦塊沿礦體走向布置。礦塊寬度一般為6～8 m，礦塊長度取50 m。礦塊垂高為中段高度50 m，間柱6 m，底柱高為5 m，不留頂柱。

目前，礦山開采大體可為3個水平，分別為-130，-150，-179 m。-130 m水平為回風水平，-150 m水平正在回采，-179 m水平為運輸水平。沿礦體走向自西向東依次劃分為0采區(qū)、1采區(qū)、新2采區(qū)、3采區(qū)。目前，0#、1#采區(qū)在進行回采。1采區(qū)北側采場基本已經(jīng)回采完畢，部分轉層巷道已經(jīng)連通到-136 m水平。南側采場-150 m以上礦體較少，大體分布在-157～-150 m區(qū)間。

2.2 存在問題

隨著某鐵礦生產(chǎn)勘探、井下基建及采礦過程對礦體的進一步揭露，礦體形態(tài)及賦存方式發(fā)生了變化，由于這些變化，原有的采礦方法存在如下問題。

(1) 出礦方式為電耙出礦，電耙出礦耗能高，安全性相對較差。

(2) 部分平面上礦體不連續(xù)，部分區(qū)域出現(xiàn)了夾石層，難以形成規(guī)則采場，且廢石較多，貧化率較大。

(3) -157 m以下幾乎無礦體賦存，繼續(xù)將-185 m中段作為首采中段已不合理，首采水平須進行調(diào)整。

(4) 礦體下盤形態(tài)出現(xiàn)變化，標高起伏較大，底柱完全布置在巖石內(nèi)對控制礦體不利，部分底柱需預留在礦體中，留有的底柱難以回采，礦石損失較大，加上礦體形態(tài)的復雜性，導致貧化率也較高。

(5) 前期采準施工時對礦體出現(xiàn)的變化情況掌握不夠徹底，部分巷道布置位置不夠理想，導致設備轉層系統(tǒng)不合理，鏟運機上下分層乃至同分層之間都出現(xiàn)了轉運困難的現(xiàn)象。同分層為方便鏟運機進出，往往施工聯(lián)絡道，造成礦柱破壞嚴重，不僅會影響第二步的礦柱回采作業(yè)，也對礦房的回采帶來了不良影響。而上下分層之間往往通過就近施工上山巷道完成，不僅影響到整個采準系統(tǒng)的整體布局，也由于部分上山巷道布置在脈內(nèi)，影響了礦體的回采。

(6) 采礦暴露面積偏大，頂板管理較為困難，采場作業(yè)安全性較差。由于前期施工的聯(lián)絡道對礦柱造成一定破壞，造成頂板管理更加復雜，第二步礦柱回采作業(yè)安全性較差。

(7) 采場不規(guī)則，生產(chǎn)連續(xù)性差，采礦效率較為低下，產(chǎn)能難以提升，生產(chǎn)處于時斷時續(xù)的狀態(tài)。轉層巷道的復雜性，不僅使整個區(qū)域難以統(tǒng)一使用，降低了效率，也使部分礦房回采不規(guī)則，生產(chǎn)不順暢。由于前期對礦柱的破壞，第二步礦柱回采也難以順利展開，造成采礦效率較為低下，產(chǎn)能難以提升等不足。

3 采礦方法優(yōu)化

3.1 優(yōu)化原則

由于某鐵礦為水文地質(zhì)條件復雜礦山。地表第四系覆蓋層厚度較大，且其中有含水層，地表有村莊和道路，不允許塌落，要實現(xiàn)礦山的安全開采，必須切實對第四系覆蓋層實行保護，防止其產(chǎn)生冒落。在可供選擇的采礦方法中，充填采礦法是最為切實可行的采礦方法。經(jīng)過綜合考慮，為充分利用現(xiàn)有開采格局，仍采用上向分層充填法進行回采。即在主體工藝大體不變的情況下，對具體的采準巷道的布置形式及位置進行細節(jié)上的調(diào)整與優(yōu)化。工藝布置時，劃分盤區(qū)進行回采，即為盤區(qū)上向分層尾砂膠結充填法。針對礦體復雜多變的形態(tài)，有針對性的選擇盤區(qū)進路式或是盤區(qū)點柱式完成回采。出礦方式由電耙出礦改為更環(huán)保節(jié)能，更安全的鏟運機出礦。

3.2 優(yōu)化范圍

采礦方法優(yōu)化范圍為某鐵礦-135 m分層以下的礦體。本階段具體針對0#～4#采場。

3.3 采礦方法的選擇及優(yōu)化

根據(jù)礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀及現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，經(jīng)前期反復研究對比，對原有的上向水平分層尾砂膠結充填法進行適當調(diào)整和優(yōu)化，改為盤區(qū)式布置，即為盤區(qū)上向分層尾砂膠結充填法。

進路采場既可沿著走向布置，也可垂直走向布置，進路寬度可取3～10 m左右，一般每12～15 m劃分一個分段，每個分段劃分為3個分層，分層高度一般取3～4 m?？紤]到井下部分區(qū)域已經(jīng)形成了7 m高為一分段的生產(chǎn)格局，提出了3種采準巷道布置方案。

(1) 分段高度(即分層)直接取7 m，無需多個分層劃分為一個分段，采場斜坡道及溜礦井可直接服務于-136，-143，-150，-157 m各個分段(分層)。該方案需要巖性條件允許分層高度取較大值。

(2) 在分段高度僅為7 m的條件下，將7 m劃分為2個分層。分層高度3～4 m，在此條件下，采用進路斜坡道來連接分層聯(lián)絡巷與進路并不合適，工程量大，結構較復雜，可通過掘進多個溜井，每7 m交替開口，保證每個分層均有溜井服務即可。鏟運機直接通過各個分層聯(lián)絡巷與進路采場和脈外采場斜坡道連通。

(3) 高(單)分層多步驟回采，即將7 m直接作為分層高度，但由于巖性條件不支持7 m的回采高度，可實施單分層多步驟回采，每次回采2～3 m，然后以充填料鋪設進路斜坡道供鏟運機進入上個回采作業(yè)面。出礦及鏟運機轉層措施與方案1類似，采場斜坡道及溜礦井直接服務各個分層。

方案1需要巖性條件相對較好，能支持7 m的回采高度。在巖性條件不允許的情況下，可采用方案2與方案3。這2種方案比較而言，方案2每7 m須劃分2個分層，相比于方案3，每7 m就多了一個水平分層聯(lián)絡巷直接連通各個進路采場與脈外采場斜坡，也須多增加一個溜井實現(xiàn)各個分層交替開口。方案3將7 m劃分為1個分層，通過采用多步驟回采來避免回采高度過高的問題。但需在各個進路中通過充填體鋪設小的進路斜坡道以進入上個回采空間，相對于方案2，工藝過程相對復雜。

3種方案的工藝布置形式基本相同，僅僅是分層高度、數(shù)量的區(qū)別帶來的采準巷道工程量及位置的變化。為盡可能使標準工藝圖體現(xiàn)本次優(yōu)化設計意圖，也使工藝的標準性與現(xiàn)場適配性盡可能的統(tǒng)一。采用方案2每分段劃分2分層來進行標準工藝說明。實際生產(chǎn)中，可根據(jù)礦體的形態(tài)及現(xiàn)有工程的分布情況有針對性的進行采準工藝調(diào)整與布置。

(1) 礦塊布置及構成要素。礦塊沿走向布置，平均厚100 m，階段高27 m，每50 m劃分一個盤區(qū)，盤區(qū)間柱為8 m，盤區(qū)采場長42 m?；夭蛇M路沿著礦體走向布置，進路寬度3～7 m，分層高度4～7 m，具體的采場參數(shù)須根據(jù)現(xiàn)場情況予以調(diào)整。采切工程包括聯(lián)絡平巷、運輸平巷、分層巷道，回風天井、溜礦井、斜坡道、進風井等，其中回風井、進風井、斜坡道均布置在脈外，斜坡道坡度不大于15%，溜井布置在穿脈巷道之內(nèi)。鏟運機通過斜坡道進入各個分層穿脈巷，溜礦井直接服務每個分層。

(2) 回采工藝。將回采進路劃分為礦房礦柱，先回采礦房進路，待兩側礦房進路回采完畢進行充填后，進入礦柱進路回采，即整個回采過程遵循“隔一采一，充填與回采交替進行”的生產(chǎn)原則?；夭汕?，先通過進路貫通前后2個盤區(qū)穿脈聯(lián)絡巷，形成完整的通風回路后進行采礦。鑿巖采用鑿巖臺車或鑿巖機鑿巖，打上向炮孔，采用乳化炸藥，分段微差爆破。垂直方向自下往上逐層回采，水平方向采用后退式開采。

(3) 采場運輸。使用2個以上溜井每7 m交替在各個分層開口，保證每個分層均有溜井服務。礦石采用鏟運機出礦，通過盤區(qū)溜井溜至運輸水平，經(jīng)電機車運輸至主井提升至地表。

(4) 采場通風。在盤區(qū)穿脈聯(lián)絡巷一端掘進一條進風井，在盤區(qū)另外一端掘進回風井，新鮮風流從進風井進入各個進路采場，清洗工作面后，通過下個盤區(qū)聯(lián)絡巷中的回風井進入回風水平完成通風。

(5) 采場充填。充填時先用尾砂充填2.5～3.5 m，再用1∶4或1∶6的膠結充填料澆面0.5 m，養(yǎng)護好后即可轉入上一分層的回采。

采切工程量表見表1。

表1 采切工程量

3.4 優(yōu)化前后對比

表2為采礦方法優(yōu)化前后對比簡表，從表2中可知，優(yōu)化前后均采用分層充填法，通過充填手段來處理井下空區(qū)和管理地壓。不同的是優(yōu)化前留有間柱和底柱及出礦底部結構，采用電耙出礦。優(yōu)化后，僅保留間柱，不留底柱，采用鏟運機出礦，提高了資源利用率。從具體的指標來看，優(yōu)化前后萬噸采切比差別不大，均在135 m/萬t左右，即兩者的采掘成本基本一樣。但優(yōu)化后少了底柱，提高了回采率，且采用鏟運機出礦，生產(chǎn)效率將更高。故優(yōu)化后，能較大幅度的提高經(jīng)濟效益。優(yōu)化后采用更先進、安全、環(huán)保的鏟運機出礦，采場暴露面積更小。故安全性要優(yōu)于原采礦方法。

表2 采礦方法優(yōu)化前后對比

4 小 結

對原有的上向水平分層膠結充填法進行適當?shù)膬?yōu)化調(diào)整，不僅較大幅度地提高了回采率，增加礦山經(jīng)濟效益，也減少了采場暴露面積，縮短了充填等待時間，且將能耗大、安全性相對較差的電耙出礦改為更環(huán)保節(jié)能、生產(chǎn)效率更高、安全性更好的鏟運機出礦，提高了采場安全性。