杜英男 李曉東 盧宏建

（1.河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司石人溝鐵礦；2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院）

石人溝鐵礦為露天轉(zhuǎn)地下礦山，地下采礦工程分三期進(jìn)行，其中一、二期工程分別于2001年和2003年開始基建，采礦方法為淺孔留礦法；三期工程于2006 年開始基建，采礦方法為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘āＷ?1世紀(jì)初，受礦石價(jià)格持續(xù)走高影響，石人溝鐵礦周邊民采活動(dòng)日趨頻繁，在井下形成了大量低分段采空區(qū)。隨著第三期井下開拓采準(zhǔn)工程的不斷推進(jìn)，這些民采空區(qū)逐漸被發(fā)現(xiàn)，不僅給礦山生產(chǎn)工作帶來諸多不便，而且存在相當(dāng)大的安全隱患。對(duì)已揭露采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)踏勘后，歸納民采活動(dòng)存在如下特點(diǎn)：①開采極不規(guī)范，礦房間柱、點(diǎn)柱較少，頂板暴露面積大；②采富棄貧，礦石回收率低；③采空區(qū)交錯(cuò)復(fù)雜，或相互連通，或頂?shù)装遢^?。虎懿糠挚諈^(qū)內(nèi)存在積水、毛石、尾砂、風(fēng)水管路、風(fēng)筒布及棄用設(shè)備設(shè)施等。

由于分段空?qǐng)龇ň哂刑厥庑?，無法將采空區(qū)上下部的礦石回收干凈。為最大程度回收礦石資源，提高礦石回收率，礦山正在探求一種更為安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的采礦方案用以回收民采空區(qū)上下部礦石［1-6］。

1 殘礦回收試驗(yàn)區(qū)域選取

石人溝鐵礦在三期工程施工過程中分別在6 個(gè)水平發(fā)現(xiàn)大小不等的民采空區(qū)28 處，頂板暴露面積從幾百平至幾千平不等。其中，在-90 m 水平M1、M4礦體內(nèi)累計(jì)揭露空區(qū)9 處，本次選取較為典型的11#～13#勘探線M4礦體內(nèi)的民采空區(qū)進(jìn)行采礦技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

該民采空區(qū)位于-90～-75 m 水平，空區(qū)底板標(biāo)高為-83.7 m，平均采高為6.5 m，寬度為12.0 m，走向長度為151.6 m，在中間部位留有1.5 m 間柱，整體暴露面積約為1 895 m2。

2 試驗(yàn)區(qū)域殘礦回收原則與礦房劃分

回收民采空區(qū)上下部礦體時(shí)應(yīng)遵循以下原則：①空區(qū)在礦石回收完畢后上盤與頂板暴露面積應(yīng)滿足采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)要求，如表1 所示；②民采空區(qū)內(nèi)原有礦柱應(yīng)被充分保留；③充分利用現(xiàn)有巷道來降低回收費(fèi)用。

M4礦體水平厚度平均為12 m，礦房走向長度為43 m，采高為51 m，回收完畢后頂板暴露面積為516 m2，上盤暴露面積為2 193 m2，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 殘礦回收關(guān)鍵技術(shù)

石人溝鐵礦一、二期工程均采用平底結(jié)構(gòu)淺孔留礦法進(jìn)行回采，該方法在礦山生產(chǎn)中技術(shù)已相當(dāng)成熟。三期工程采礦方法為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，該回收技術(shù)經(jīng)過10 余年的不斷優(yōu)化改進(jìn)，已經(jīng)具備安全高效回收礦體的能力。綜合考慮民采空區(qū)頂板暴露面積和頂?shù)装甯卟钸^大、底板坑洼不平、作業(yè)條件較差的現(xiàn)狀，以及礦山具有進(jìn)口281 型掘進(jìn)臺(tái)車3臺(tái)、1254 型采礦臺(tái)車4 臺(tái)、4 m3鏟運(yùn)機(jī)5 臺(tái)的設(shè)備條件，最終確定民采空區(qū)上部礦體采用平底結(jié)構(gòu)淺孔留礦法，下部礦體采用分段空?qǐng)龇ǖ穆?lián)合開采技術(shù)方案。

3.1 平底結(jié)構(gòu)淺孔留礦法回收方案

3.1.1 回采后爆堆體積與采空區(qū)體積核算

按正常礦房開采順序來說，在施工前需進(jìn)行采切工程設(shè)計(jì)與論證。但是，由于民采空區(qū)的存在，出現(xiàn)了礦體回收前已形成一定的落礦補(bǔ)償空間現(xiàn)象。為此，在做礦房采切工程設(shè)計(jì)前應(yīng)對(duì)回收區(qū)域爆堆體積與回收完畢后的采空區(qū)體積進(jìn)行核算。當(dāng)爆堆總體積大于采空區(qū)總體積時(shí)，應(yīng)考慮通過增加采切工程的方式來滿足落礦工作的正常進(jìn)行；當(dāng)爆堆總體積小于采空區(qū)總體積時(shí)，則不必增加采切工程，可直接進(jìn)行空區(qū)內(nèi)落礦工作。該試驗(yàn)礦房爆堆總體積與采空區(qū)總體積對(duì)比、核實(shí)如下。

（1）爆堆總體積計(jì)算公式為

式中，V1為礦石崩落后爆堆體積，m3；L為礦房走向長度，礦房實(shí)際長度為43.0 m；W為礦體水平厚度，礦體水平厚度為12.0 m；H1為礦房回收高度，礦體實(shí)際回采高度為10.2 m，為保護(hù)-60 m中段采區(qū)整體穩(wěn)定，該礦房上部預(yù)留8.0 m 頂板；礦石崩落后松散系數(shù)為1.5。

因此，計(jì)算得V1=7 894.8 m3。

（2）采空區(qū)總體積計(jì)算公式為

式中，V2表示淺采完成后空區(qū)總體積，m3；H2表示淺采空區(qū)總高度，回采完畢采空區(qū)總高度為16.7 m。

因此，計(jì)算得V2=8 617.2 m3。

可知V2>V1（采空區(qū)總體積大于民采空區(qū)上部殘余礦石崩落后的體積），說明民采空區(qū)上部礦石在回收落礦過程中不需要底部出料。因此，在本次采礦設(shè)計(jì)過程中不需要考慮民采空區(qū)底部增設(shè)出礦結(jié)構(gòu)問題。

3.1.2 礦房采切工程設(shè)計(jì)

由于不再考慮民采空區(qū)底部出礦結(jié)構(gòu)的留設(shè)，故僅在劃分的礦房兩端合適區(qū)域布置人行通風(fēng)天井。另外，受采空區(qū)已全部擴(kuò)開影響，若按常規(guī)方法將天井布置在礦房兩側(cè)間柱內(nèi)，當(dāng)落礦爆堆形成后，自然安息角范圍內(nèi)的礦石極易將天井下口堵住，導(dǎo)致天井失去行人通風(fēng)作用。因此，考慮將礦房南北2條人行通風(fēng)天井布置在礦體下盤邊界線外4 m 位置，天井底部在-90 m 水平，上部與-60 m 水平原有礦房脈外巷貫通，形成上下通路，人行通風(fēng)天井?dāng)嗝娉叽鐬?.0 m×1.8 m。同時(shí)，在-80，-75和-70 m水平設(shè)置分層聯(lián)絡(luò)道與采空區(qū)貫通，聯(lián)絡(luò)道尺寸為2.0 m×1.8 m。人行通風(fēng)天井設(shè)計(jì)見圖1。

3.2 分段空?qǐng)龇ɑ厥辗桨?/h3>

中深孔礦房能否實(shí)現(xiàn)安全高效回收主要受3 個(gè)方面影響：一是采切工程布置是否滿足回收設(shè)備運(yùn)行條件，二是切割工程創(chuàng)造的補(bǔ)償空間是否合理、達(dá)標(biāo)，三是回收爆破孔網(wǎng)參數(shù)是否滿足炸藥單耗、大塊率等生產(chǎn)指標(biāo)要求。為此，僅對(duì)礦房采準(zhǔn)工程布置、切割工程施工方式和回收爆破工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

3.2.1 礦房采切工程設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)礦房采用沿礦體走向布置，礦房走向長度為43 m，分2 個(gè)分段回收礦石（-120 和-105 m 水平），統(tǒng)一在礦房南側(cè)布置切割槽。其中，在-120 m水平布置礦房底部出礦結(jié)構(gòu)，即沿礦體下盤布置拉底巷，在拉底巷東側(cè)布置脈外巷，在走向范圍內(nèi)均勻布置3 條傾斜狀出礦進(jìn)路；在-105 m 水平布置分層切割工程，即沿礦體下盤布置分層鑿巖巷，空間上與-120 m 水平拉底巷相對(duì)一致，礦房所有巷道尺寸均為4.5 m×3.8 m。分段空?qǐng)龅V房采切工程設(shè)計(jì)見圖2、圖3。

3.2.2 礦房重要回采工序施工設(shè)計(jì)

目前，經(jīng)過多年的研究與改進(jìn)，石人溝鐵礦中深孔采礦礦房的切割井、切割槽、劈漏等重要切割工程和采礦已全部采用中深孔爆破完成，且技術(shù)成熟穩(wěn)定。由于礦山井下在用穿孔設(shè)備為Simba1254、1354型液壓鑿巖臺(tái)車，鉆頭直徑為64 mm，故所有中深孔爆破參數(shù)全部以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用理論公式計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化的方式進(jìn)行最終確定。本次試驗(yàn)礦房回收中，礦房切割井設(shè)計(jì)規(guī)格為2 m×2 m，采用64 mm+102 mm孔徑一次爆破成井技術(shù)進(jìn)行施工（圖4）；切割槽孔網(wǎng)參數(shù)為1.2 m×1.5 m（孔距×排距），采用直孔拉槽技術(shù)施工（圖5）；劈漏由分布在切割井兩側(cè)的兩排扇形中深孔組成，孔底距為1.6 m，排距選為1.5 m，采用同側(cè)分段扇形劈漏技術(shù)施工；回收爆破按照孔底距和排距均為1.8 m 的孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行施工（圖6）。

礦房在現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)中選用的是河鋼礦業(yè)化工分公司生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥，裝藥結(jié)構(gòu)為耦合裝藥，線裝藥密度為3.5 kg/m，使用的雷管為半秒延期塑料導(dǎo)爆管雷管，采用“簇聯(lián)”反向連接。

4 結(jié)語

石人溝鐵礦針對(duì)井下現(xiàn)有民采空區(qū)賦存情況，選取了-90～-75 m 水平11#～13#勘探線M4礦體內(nèi)的民采空區(qū)作為研究對(duì)象，以安全為前提，以經(jīng)濟(jì)高效為目的，充分考慮行業(yè)規(guī)范、空區(qū)及采場(chǎng)現(xiàn)狀、礦山技術(shù)與裝備水平，確定了淺孔留礦法與分段空?qǐng)龇?lián)合開采技術(shù)方案。最終，通過理論計(jì)算、設(shè)計(jì)及回采試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了不出料模式下的平底結(jié)構(gòu)淺孔留礦法落礦和分段空?qǐng)龇ò踩⒏咝б淮涡曰厥盏哪康?，達(dá)到了預(yù)期效果，也為其他民采空區(qū)上下部礦體回收工作提供了相關(guān)依據(jù)和技術(shù)支撐。