朱禮淵，西曰峰

(萊鋼集團(tuán)萊蕪礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 271100)

0 引言

谷家臺(tái)鐵礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦床地質(zhì)構(gòu)造和灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，礦床最大涌水量達(dá)7.5萬(wàn)m3/d，是華北地區(qū)的大水礦山。由于疏干難度大，該礦采用礦體近頂板灰?guī)r帷幕注漿堵水技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年來(lái)持續(xù)不斷地鉆探注漿，基本解決了開(kāi)采范圍內(nèi)的地下水隱患。但要在注漿形成的灰?guī)r帷幕保護(hù)層下安全的進(jìn)行采礦生產(chǎn)，選用合適的采礦方法至關(guān)重要。

1 地質(zhì)概況

谷家臺(tái)礦床是一大型熱液交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦體呈似層狀，局部呈囊狀，產(chǎn)狀嚴(yán)格受閃長(zhǎng)巖與奧陶系中統(tǒng)馬家溝組石灰?guī)r接觸帶所控制，走向 SE-NW，全長(zhǎng) 2300 m，傾向 NE，傾角為 30°～40°，埋深為 56～962 m，平均厚度為 15 m。礦石以中細(xì)粒致密塊狀的磁鐵礦為主，硬度系數(shù)f=8～12，TFe平均含量47. 98%，礦石節(jié)理裂隙不發(fā)育，穩(wěn)定性好。礦體頂板主要為大理巖，硬度系數(shù)f=8～10，巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，穩(wěn)固性較好；下盤主要為閃長(zhǎng)巖，巖石致密堅(jiān)硬，穩(wěn)固性較好，局部為蝕變閃長(zhǎng)巖、矽卡巖，巖石松軟、易破碎，需支護(hù)。

礦區(qū)地處萊蕪斷陷盆地內(nèi)，是地下水匯集之處，地表有嘶馬河橫穿礦體中部，方下河從礦體西端通過(guò)，雨季河流流量較大。主要有2個(gè)含水層，分別是第四系砂礫石層和奧陶系灰?guī)r，兩含水層之間有第三系紅砂巖隔水層，但該層局部有缺失，形成補(bǔ)水“天窗”。地表含水層通過(guò)“天窗”與礦體頂板灰?guī)r含水層相連，補(bǔ)給豐富。礦床地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，地下水徑流通道暢通，靜儲(chǔ)量大，屬于大水礦山。

2 注漿堵水概況

礦床開(kāi)采的主要危害為地下水，根據(jù)抽水試驗(yàn)，疏干水位呈平盤式下降，波及范圍廣，疏干非常困難，且易在“天窗”地段造成地面塌陷等環(huán)境破壞問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)綠色安全采礦，防治水采用了近礦體頂板灰?guī)r注漿堵水方案。該方案是在井下近礦體向上盤灰?guī)r內(nèi)施工鉆孔，然后注入單液水泥漿，對(duì)巖溶裂隙等導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行充塞密實(shí)，形成平行于礦體的傾斜帷幕隔水層，以防止地下水進(jìn)入采場(chǎng)，保障采礦生產(chǎn)的安全。

注漿堵水方案分3步實(shí)施。第1步為施工框架探水孔，先在中段水平距礦體下盤邊界 20 m 左右施工探水孔，鉆孔超出礦體上盤邊界，可起到探礦、探水、保護(hù)性預(yù)注漿等作用，具體網(wǎng)度為20 m×40 m；第2步為施工垂直注漿孔，即掘進(jìn)硐室到礦巖邊界，施工垂直鉆孔到上盤灰?guī)r內(nèi)50 m外，初步形成帷幕注漿層，施工網(wǎng)度為10 m×10 m；第3步為施工上盤平行注漿孔，即掘進(jìn)硐室到上盤灰?guī)r內(nèi)30 m處，施工與礦體平行的扇形孔，進(jìn)行加強(qiáng)注漿，同時(shí)能起到檢驗(yàn) 1、2步注漿效果，查漏補(bǔ)缺的作用。通過(guò)以上3步鉆孔注漿工程，在礦體頂板灰?guī)r內(nèi)形成了縱橫交錯(cuò)的立體鉆孔注漿體系，構(gòu)成了高堵水率、圍巖穩(wěn)固的井下注漿帷幕體。目前井下生產(chǎn)采場(chǎng)僅有少量淋水，整個(gè)礦井排水量降至 7000 m3/d，治水效果顯著。

3 選擇采礦方法

注漿堵水形成的隔水帷幕雖然給礦體回采提供了較強(qiáng)的安全保障，但帷幕體本身在地質(zhì)構(gòu)造帶可能存在薄弱處，同時(shí)又易受到采掘活動(dòng)和地壓活動(dòng)影響，一旦受到破壞，容易重新形成導(dǎo)水通道，給礦山安全生產(chǎn)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。因此要實(shí)現(xiàn)在注漿帷幕下的安全采礦，所選的采礦方法必須與治水方案相匹配，不能引起大的地壓活動(dòng)，不能對(duì)采場(chǎng)頂板帷幕保護(hù)層帶來(lái)破壞。參照國(guó)內(nèi)外大水礦山的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，只有充填采礦法能滿足要求，為此，谷家臺(tái)鐵礦在充填采礦方面不斷進(jìn)行探索和改進(jìn)，先后應(yīng)用過(guò)上向水平分層點(diǎn)柱式充填采礦法、長(zhǎng)錨索預(yù)控頂上向分段充填采礦法等采礦方法，但這些方法都存在一定弊端，后來(lái)借鑒金川公司經(jīng)驗(yàn)，形成了適合本礦山的下向進(jìn)路似膏體充填采礦法。

下向分層進(jìn)路似膏體充填采礦法和上向進(jìn)路充填法一樣，把礦體劃分為合適大小的盤區(qū)，然后以盤區(qū)為單位，采用成套的機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行回采，兩者不同之處在于，下向采礦是在充填體頂板的保護(hù)下，自上而下分層進(jìn)行進(jìn)路采充作業(yè)。該方法成功的關(guān)鍵在于形成高強(qiáng)度的穩(wěn)定充填體頂板。該方法具有空頂面積小、空頂持續(xù)時(shí)間短、每次爆破藥量小、產(chǎn)生的爆破振動(dòng)小等特點(diǎn)，非常有利于保護(hù)注漿帷幕體，并具有礦石回采率高、貧化損失小、頂板安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

4 機(jī)械化盤區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法

4.1 盤區(qū)劃分和采場(chǎng)工藝參數(shù)

4.1.1 盤區(qū)劃分

沿礦體走向每 100～150 m 劃分為一個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)厚度為礦體厚度；以盤區(qū)作為回采單元組織生產(chǎn)，盤區(qū)之間留有10～15 m寬礦柱，以加強(qiáng)對(duì)頂板的支撐及地壓控制。

4.1.2 采場(chǎng)工藝參數(shù)

中段垂直高度為50 m，劃分成3個(gè)分段，分段高度為15～18 m，各分段沿脈巷道施工并通過(guò)分段斜坡道聯(lián)通；每分段水平服務(wù) 3～4個(gè)分層（上 1層，平1層，下1～2 層），層高為4.0～4.5 m，通過(guò)分層斜坡道聯(lián)系。進(jìn)路寬度為4.0～5.0 m，高度為分層高度，進(jìn)路長(zhǎng)度為 30～50 m。薄礦體采用沿脈方向布置，厚礦體采用上下分層回采方向交錯(cuò)布置。中段水平沿脈方向每隔100 m 布置一條溜井和一條通風(fēng)井，兩井和各分段巷道聯(lián)通，溜井用于出礦巖，通風(fēng)井兼做泄水、充填管道井。

4.2 回采工藝

4.2.1 回采順序

盤區(qū)回采是按分層從上到下回采，上一分層采、充填結(jié)束后再采下一層，回采方式為“隔二采一”或者“隔三采一”。 每盤區(qū)3～4條同時(shí)開(kāi)采，控制各條進(jìn)路進(jìn)度，保持近似一起結(jié)束，集中進(jìn)行封堵充填，減少采礦和充填的工序并保證充填充分接頂，使充填體在具備一定強(qiáng)度后充當(dāng)相鄰回采進(jìn)路的支柱和下一層的人工假頂，可減小采空區(qū)暴露面積，有效控制采場(chǎng)地壓。

4.2.2 鑿巖爆破

采用鑿巖臺(tái)車鑿巖，孔徑Φ45 mm，孔深2.6 m，采用含大空孔直眼筒形掏槽方式，炮孔數(shù)量根據(jù)兩幫和頂板是否為充填體而不同，一般布置 45～63個(gè)。采用2號(hào)巖石乳化炸藥，毫秒微差塑料導(dǎo)爆管起爆。掏槽和輔助孔采用Φ38 mm卷狀 2號(hào)巖石乳化炸藥連續(xù)裝藥，周邊孔采用Φ27 mm 卷狀乳化炸藥不耦合裝藥，不耦合系數(shù)為1.67。使用運(yùn)藥皮卡車運(yùn)送爆破器材，使用在裝藥平臺(tái)車人工裝藥。平均裝藥系數(shù)為62.86%。平均炮孔利用率為87.1%，炸藥單耗為 0.52 kg/t。

4.2.3 出礦

采用3 m3電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)出礦，礦石通過(guò)脈外溜礦井到達(dá)下部運(yùn)輸中段大巷，通過(guò)有軌電機(jī)車牽引2 m3礦車運(yùn)輸，卸載到破碎站，破碎后裝箕斗提升到地表。

4.2.4 支護(hù)

頂板若充填體穩(wěn)固性好，一般不需要額外支護(hù)，只對(duì)兩幫破碎或無(wú)假頂區(qū)域才采取素噴或者噴錨網(wǎng)支護(hù)。噴漿采用實(shí)施噴漿，谷家臺(tái)鐵礦在地表建有濕噴配套混凝土攪拌站，采用2臺(tái)混凝土攪拌運(yùn)輸車從主斜坡道經(jīng)各分段、分層巷道運(yùn)輸噴砼料到達(dá)各作業(yè)面，采用混凝土濕噴臺(tái)車進(jìn)行噴漿支護(hù)。地表混凝土制備通過(guò)添加合成纖維來(lái)提高混凝土的強(qiáng)度和韌性，防止噴漿層開(kāi)裂，提高噴漿支護(hù)質(zhì)量，其效果較好。局部破碎處采用錨桿臺(tái)車進(jìn)行打錨桿和掛網(wǎng)施工。通過(guò)噴漿和錨網(wǎng)支護(hù)工序的機(jī)械化設(shè)備的更新應(yīng)用，提高了支護(hù)質(zhì)量，同時(shí)避免了傳統(tǒng)人工支護(hù)時(shí)，人員需在不安全圍巖下作業(yè)的弊端，從而在本質(zhì)上保障了施工人員的安全。

4.3 充填

采用全尾砂膠結(jié)似膏體充填工藝，公司自產(chǎn)膠固粉作為充填膠凝材料，選礦全尾砂作為充填料。由于尾礦含泥量過(guò)高，細(xì)度-400目含量達(dá)63.02%，當(dāng)充填料漿濃度達(dá)到55%左右，能滿足似膏體充填需要時(shí)，為減少尾砂處置費(fèi)用和節(jié)約膠固粉用量，通過(guò)添加巴斯夫 MF505流變劑來(lái)提高充填料漿流變性能?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，應(yīng)用充填料漿濃度達(dá)到60%后，流變性能仍能滿足井下充填需要。

4.3.1 充填料漿制備

充填材料為選礦廠選鐵全尾砂，尾砂密度為2.63 t/m3，礦物組成以硅酸鐵為主，有少量赤褐鐵礦、黃鐵礦、磁鐵礦、碳酸鐵、方解石、綠泥石、金云母等。全尾砂采用兩級(jí)濃縮，選廠尾砂進(jìn)入Φ32 m高效濃密機(jī)濃縮后，由底部渣漿泵泵送至充填車間無(wú)動(dòng)力深錐濃密機(jī)進(jìn)行再次濃縮，兩次濃縮都需添加絮凝劑加速沉降。每臺(tái)深錐濃密機(jī)可儲(chǔ)存尾砂1200 m3，為穩(wěn)定獲得高濃度料漿，采用3臺(tái)深錐濃密機(jī)交替進(jìn)行充填作業(yè)。濃縮的尾砂通過(guò)濃密機(jī)底部濃漿泵輸送至雙軸攪拌機(jī)，同時(shí)膠固粉倉(cāng)的膠固粉經(jīng)螺旋給料機(jī)和計(jì)量稱進(jìn)入雙軸螺旋攪拌機(jī)進(jìn)行一段攪拌，然后混合料漿添加巴斯夫 MF505流變劑后，進(jìn)入立式螺帶攪拌槽進(jìn)行二段攪拌活化，制備成濃度為60%的充填料漿。

4.3.2 充填料漿輸送

制備好的充填料漿，采用高密度固體泵通過(guò)充填管路泵送至井下采空區(qū)進(jìn)行充填。輸送泵選用 3臺(tái)PM公司制造的型號(hào)為HPS25100的高密度固體泵，2臺(tái)互為備用。

4.3.3 采空區(qū)平場(chǎng)鋪網(wǎng)

（1）采用小型挖掘機(jī)進(jìn)行采空區(qū)平場(chǎng)，形成150 mm厚的碎礦石層，作為下分層采礦時(shí)的頂板緩沖層來(lái)保護(hù)充填體。

（2）在底板碎礦石層上，縱向鋪設(shè)間距為 1米的三角桁架，在三角桁架上鋪設(shè)網(wǎng)度為Φ6.5 mm，200 mm×400 mm 的鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)周邊要長(zhǎng)出0.3 m用來(lái)和相鄰進(jìn)路的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行焊接，最終整個(gè)分層水平鋼筋網(wǎng)連接形成一個(gè)整體。

（3）在采空區(qū)施工1.0 m×1.0 m網(wǎng)度的吊掛筋，用來(lái)連接上下分層充填體。吊筋采用Φ12 mm螺紋鋼筋，每根吊筋下端安裝吊環(huán)預(yù)埋至碎礦石中，上端連接在上層預(yù)埋的吊環(huán)上，首采水平需要頂板施工固定錨桿來(lái)連接吊筋。

4.3.4 井下充填

（1）封堵墻由無(wú)縫鋼管、鋼筋網(wǎng)片及濾布構(gòu)成，支撐結(jié)構(gòu)借鑒地表腳手架，采用Φ75 mm無(wú)縫鋼管作為立柱，用Φ50 mm的無(wú)縫鋼管為橫撐，立柱和橫撐用卡扣連接，在空區(qū)內(nèi)部用鋼絲繩把橫撐拉緊固定在兩幫錨桿上。鋼筋網(wǎng)片用鐵絲固定在立柱內(nèi)側(cè)，上邊敷設(shè)濾布，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為Φ6.5 mm，100 mm×100 mm，濾布由兩層構(gòu)成，內(nèi)層用蚊帳布，外層用麻袋片。

（2）根據(jù)空區(qū)長(zhǎng)度，每隔15 m設(shè)置一條充填進(jìn)料管，為保證接頂質(zhì)量，在每個(gè)獨(dú)立高點(diǎn)設(shè)置一條排氣管?？諈^(qū)一般分3次進(jìn)行充填，第1次為打底充填，膠固粉添加濃度為 230 kg/m3，第2次和接頂充填膠固粉濃度為180 kg/m3，平均為200 kg/m3。目前井下充填體試塊單軸抗壓強(qiáng)度為：7 d為 2.0 MPa，28 d為3.5 MPa，能夠滿足下向采礦需要。

5 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)為：盤區(qū)生產(chǎn)能力：12000～15000 t/月；礦石回收率：95%；原礦貧化率：5%；千噸采準(zhǔn)比：4.46 m/kt。

6 結(jié)論

（1）谷家臺(tái)鐵礦應(yīng)用機(jī)械化盤區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，已回采鐵礦石近 500萬(wàn) t，通過(guò)運(yùn)用光纖傳感技術(shù)對(duì)已采礦房頂板帷幕層進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（地壓、巖移、溫度等），未發(fā)現(xiàn)有大的沉降變形，現(xiàn)場(chǎng)跟蹤觀察上盤觀察鉆孔，也無(wú)涌水等異?，F(xiàn)象。

（2）機(jī)械化盤區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，進(jìn)路采礦避免了大爆破對(duì)頂板帷幕的破壞，高強(qiáng)度接頂充填體與預(yù)留礦柱對(duì)礦體頂板及上盤圍巖實(shí)施了有效支撐，從而避免了帷幕保護(hù)層的斷裂破壞，滿足了大水礦山傾斜帷幕下的采礦要求。