郭 斌 王社光 王慶剛 楊志強(qiáng)

（河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司）

中關(guān)鐵礦為接觸交代矽卡巖大型富鐵礦床，礦體賦存于巖漿巖與中奧陶系灰?guī)r的接觸帶及其附近灰?guī)r裂隙中，礦區(qū)富水且地表為需要保護(hù)的農(nóng)田，設(shè)計(jì)采用空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_(kāi)采。由于礦體穩(wěn)定性差，礦塊尺寸被迫減小，目前開(kāi)采參數(shù)中礦塊寬12～15 m，高30 m，礦塊礦量為原設(shè)計(jì)的1/3～1/2。破碎礦體開(kāi)采不僅面臨著嚴(yán)峻的礦巖穩(wěn)定性問(wèn)題，生產(chǎn)安全條件差，而且，礦塊參數(shù)變小還帶來(lái)采準(zhǔn)系數(shù)增大、成本增高以及產(chǎn)能降低等問(wèn)題［1-5］。此外，根據(jù)工程揭露發(fā)現(xiàn)，第4 勘探線以北礦體破碎，巷道需要通過(guò)超前錨桿高級(jí)別支護(hù)，現(xiàn)開(kāi)采參數(shù)無(wú)法進(jìn)行開(kāi)采，還需要進(jìn)一步縮小。為了解決以上技術(shù)瓶頸，礦山開(kāi)展了破碎礦體底部出礦嗣后充填采礦方法的應(yīng)用研究。

1 工程概況

中關(guān)鐵礦通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查與礦石點(diǎn)荷載強(qiáng)度測(cè)定，確定礦體與近礦圍巖的穩(wěn)定性級(jí)別。目前通過(guò)-170，-215，-230與-245 m四個(gè)水平的巷道工程，已將礦體與近礦圍巖的穩(wěn)定性充分揭露。礦體與近礦圍巖的絕大部分巷道都需要支護(hù)；比較破碎的礦體、矽卡巖、蝕變閃長(zhǎng)巖等需要高強(qiáng)度支護(hù)。礦體與近礦圍巖的穩(wěn)定性級(jí)別詳見(jiàn)表1。

由礦體及圍巖條件可以看出，礦山各主要水平礦巖穩(wěn)定性條件均較差。中關(guān)鐵礦原設(shè)計(jì)的空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄖ?，礦塊高60 m，寬18 m，長(zhǎng)度≤50 m，沿走向每6 個(gè)礦塊組成一個(gè)盤區(qū)，盤區(qū)之間留6 m 寬的永久礦柱。經(jīng)過(guò)實(shí)踐表明，由于礦體穩(wěn)定性差，此開(kāi)采結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足安全開(kāi)采要求。

2 采礦方法優(yōu)化

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基于礦巖穩(wěn)定性分布特點(diǎn)，運(yùn)用三律適應(yīng)性原理［6］，對(duì)底部出礦采礦方法做適應(yīng)性改進(jìn)。由中關(guān)鐵礦地質(zhì)剖面圖上礦巖穩(wěn)定性的典型分布狀態(tài)（圖1）可知，在第四系沉積物與石炭系含煤碎屑沉積地層之下，賦存中奧陶系灰?guī)r，主要由狀斑狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r組成，巖層總厚度為300～585 m，其中完整性較好的穩(wěn)定巖層厚度超過(guò)140 多米。雖然礦體與近礦圍巖不穩(wěn)定，但其上有140多米厚的穩(wěn)定巖層，可作為采空區(qū)冒落的控制巖層。

針對(duì)中關(guān)鐵礦礦巖穩(wěn)定性差、采場(chǎng)容易塌冒等條件，結(jié)合巖體冒落規(guī)律、散體移動(dòng)規(guī)律與地壓活動(dòng)規(guī)律三律適應(yīng)性原理進(jìn)行分析得出，用礦塊誘導(dǎo)冒落法（底部出礦法）開(kāi)采礦石，可解決礦塊參數(shù)變小帶來(lái)的采準(zhǔn)系數(shù)增大、成本增高、產(chǎn)能降低等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采的目標(biāo)。底部出礦法的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，采場(chǎng)總體分為5 個(gè)分區(qū)：底部出礦區(qū)、控制冒落區(qū)、誘導(dǎo)冒落區(qū)、監(jiān)控充填區(qū)和上覆巖層保護(hù)區(qū)。通過(guò)合理確定礦塊寬度來(lái)控制采空區(qū)冒落高度，使之在采場(chǎng)放礦結(jié)束時(shí)，采空區(qū)冒落到上部穩(wěn)固灰?guī)r層的預(yù)定位置。此后集中充填冒落空區(qū)，控制冒落不再向上發(fā)展。

3 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

對(duì)采場(chǎng)寬度、盤區(qū)礦柱間距和寬度、回采工藝參數(shù)等進(jìn)行理論計(jì)算，確定采準(zhǔn)工程布置形式。要求礦體與近礦圍巖隨采隨冒，上覆巖層保護(hù)區(qū)不受冒落擾動(dòng)，需要合理確定采場(chǎng)寬度、盤區(qū)礦柱尺度與其他回采工藝參數(shù)。

3.1 采場(chǎng)寬度

采場(chǎng)的寬度既要保障礦體與近礦圍巖自然冒落，又要保證冒落空區(qū)不進(jìn)入上覆巖層保護(hù)區(qū)。根據(jù)巖體臨界冒落跨度L計(jì)算公式

式中，h為采空區(qū)高度，m；σc為采空區(qū)上覆巖體平均抗壓強(qiáng)度，MPa。d為采空區(qū)頂板圍巖承受水平壓力的有效厚度，m。γ為采空區(qū)上覆圍巖平均密度，t/m3。H為采空區(qū)頂板埋深，m。

在-230 m 首采中段，采空區(qū)高度約為60 m，對(duì)應(yīng)采空區(qū)頂板埋深高度約為367 m；采空區(qū)控制冒落高度約200 m，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頂板埋深約為227 m；近礦圍巖的巖石抗壓強(qiáng)度為34.6 MPa，平均結(jié)構(gòu)面間距為0.23 m，巖體完整性系數(shù)為0.35；監(jiān)控充填層圍巖的巖石抗壓強(qiáng)度為68.72 MPa，平均結(jié)構(gòu)面間距為0.45 m，巖體完整性系數(shù)為0.5；采空區(qū)上覆巖體的平均密度為2.7 t/m3；根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，在計(jì)算巖體冒落跨度時(shí)，巖體抗壓強(qiáng)度可取為巖石抗壓強(qiáng)度與巖體完整性系數(shù)之積，d值可取為3倍的結(jié)構(gòu)面間距值。

對(duì)于近礦圍巖，令h=60 m，σc=12.11MPa≈1 235.22 t/m2，d=0.69 m，γ=2.7 t/m3，H=367 m，代入式（1）計(jì)算得出L=20.32 m。

對(duì)于監(jiān)控充填層，令h=200 m，σc=34.36 MPa≈3 504.72 t/m2，d=1.35 m，γ=2.7 t/m3，H=227 m，代入式（1）計(jì)算得出L=111.14 m。

綜合考慮礦體與近礦圍巖快速冒落、地表穩(wěn)定性與采場(chǎng)低貧損放礦的基本需求，選取采場(chǎng)寬度為36～48 m。此時(shí)，促使近礦圍巖自然冒落的保證系數(shù)為1.77～2.36；保障空區(qū)冒落高度停止于監(jiān)控充填層的保險(xiǎn)系數(shù)為2.32～3.09。

3.2 盤區(qū)礦柱間距

中關(guān)鐵礦地表弱化巖層厚度為80 m 左右，首采中段平均采深約427 m，穩(wěn)定灰?guī)r抗壓強(qiáng)度為3 504.72 t/m2。此時(shí)令h=347 m，σc=3 504.72 t/m2，d=1.35 m，γ=2.7 t/m3，H=80 m，代入式（1）計(jì)算得大冒落跨度L=246.6 m。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于首采中段，采空區(qū)跨度達(dá)到246.6 m 時(shí)，才有可能冒透至地表。盤區(qū)礦柱的間距取為144 m，此時(shí)安全系數(shù)為1.71。

3.3 盤區(qū)礦柱寬度

假設(shè)上覆巖層重量由上、下盤邊壁與盤區(qū)礦柱按支撐長(zhǎng)度平均承擔(dān)，北部破碎礦體水平厚度約80 m，盤區(qū)礦柱承擔(dān)總重量的比例約為1/4，則有

式中，B為礦柱寬度，m；L為盤區(qū)跨度，m；H為礦體（回采空區(qū)）頂板埋深，m。

由 表1 得σc=24.1～32.13 MPa=2 458.2～3 277.26 t/m2，令L=144 m，H=367 m，γ=2.7 t/m3，代入式（2），計(jì)算得出B=11.77～16.14 m。考慮到充填體對(duì)盤區(qū)礦柱的支撐作用，取盤區(qū)礦柱寬度為17 m。

3.4 采切工程布置

采準(zhǔn)工程布置形式如圖3所示。采場(chǎng)寬度為36～48 m，分段高度為15 m。采用中深孔側(cè)向擠壓爆破，抵抗線取值1.8 m。塹溝邊孔角不小于65°，以保護(hù)出礦口眉線。拉底巷道側(cè)向至少布置3個(gè)炮孔，確保巷道之間完整崩透，并盡可能多地放出礦石，增大松動(dòng)范圍，減小出礦巷道采動(dòng)壓力。切幫巷道位于一步采場(chǎng)邊界內(nèi)，礦石破碎能夠自然塌落；中等穩(wěn)定時(shí)采用鑿巖爆破，形成6～9 m 的切割槽。拉底工程按底部出礦法確定，底部出礦結(jié)構(gòu)按礦塊自然崩落法確定。

3.5 回采技術(shù)

3 條誘導(dǎo)進(jìn)路同步退采，保持工作面寬度，促使上覆礦巖跟隨工作面自然冒落。每2～3 d 爆破一排炮孔，每排炮孔崩礦量為3 800 t 以上，端部出口礦石不完全出空，以保障回采工作面安全。2 臺(tái)斗容2 m3鏟運(yùn)機(jī)同時(shí)出礦，分段出礦能力為1 000 t/d。在拉底長(zhǎng)度達(dá)到臨界冒落跨度且保障端部出口不敞空前提下，盡可能多地放出礦石，但不能放出覆蓋層廢石。在需要放出部分巖石才能誘導(dǎo)上部礦石冒落的部位，需要控制礦石貧化率。在出礦結(jié)束后，利用監(jiān)控充填區(qū)的充填鉆孔，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行集中充填。

4 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析

參考相關(guān)礦山生產(chǎn)指標(biāo)，對(duì)底部出礦嗣后充填法與分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘? 種采礦方法的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析（表2），可以看出，底部出礦嗣后充填采礦法的技術(shù)指標(biāo)要好于分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ā?/p>

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5 結(jié) 語(yǔ)

中關(guān)鐵礦開(kāi)展了破碎厚大礦體底部出礦嗣后充填采礦方法的試驗(yàn)研究，提出合理的回采工藝技術(shù)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該采礦方法不僅有效克服了破碎礦體開(kāi)采難題，同時(shí)在降低了厚大礦體的采準(zhǔn)系數(shù)，提高了礦石回采率和礦塊生產(chǎn)能力，取得了很好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。