上向水平分層尾砂膠結充填法在施墩鐵礦的應用

李月先 劉允秋 武 飛

(1.南京水利科學研究院；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

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上向水平分層尾砂膠結充填法在施墩鐵礦的應用

李月先1劉允秋2,3,4武 飛2,3,4

(1.南京水利科學研究院；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

施墩鐵礦礦石品位高，回收價值大，但地質條件相對復雜，涌水量較大，由于該礦區地處平原，地表多為良田，地表不允許陷落。為了更多地回收礦石，維持地壓平衡，根據該礦床的礦體賦存特征、開采技術條件，選擇空場法和充填法進行技術、經濟綜合分析對比，最終確定采用上向水平分層尾砂膠結充填法,保證了地表生態平衡及礦山經濟效益。

上向水平分層充填采礦法 采空區 膠結充填

太平礦業有限責任公司施墩鐵礦位于長江西岸，礦區范圍由4個拐點坐標組成，開采面積 0.286 2 m2，礦體傾角大多10°～15°，部分礦體傾角40°左右。該礦石品位高，TFe平均品位在46%左右，品位相對穩定，且分布均勻，回收價值大。但地質條件相對復雜，涌水量較大，礦區地下水是以地下逕流形式滲流，總流向由南而北，和長江在本區域的流向一致，地下水位坡降很小，礦區各類含水層均有程度不等的水力聯系。礦區附近有村莊、農田、公路等，地表不允許陷落。為了回采更多的礦石，且維持地壓平衡，依據開采條件，亟需選擇一種回收率高、保證開采區地表不陷落，保護地表生態平衡的采礦方法。

1 開采方案

礦山建設規模為20萬t/a，礦山總服務年限為10 a，其中達產期1 a(含基建期1.0 a)，減產期1 a，穩產期8 a。

采用地下開采。在礦體走向上，由東向西后退式回采；在礦塊內自下而上開采，首采-185 m中段。

2 采礦方法選擇

2.1 采礦方法選擇原則

①生產安全，有良好的作業條件和環境；②適應性和靈活性強，能適應礦體形態的變化；③生產能力大，效率高；④貧化損失率小；⑤技術先進，工藝簡單可靠；⑥有利于地壓管理，能保證采區不貫通第四系含水層；⑦能耗少，成本低，投資省，經濟效益好；⑧采切工程量小，建設時間短，投產快。

2.2 采礦方法選擇的影響因素

(1)礦床地質因素。礦區內主要礦體埋藏50～188 m，為一隱伏熱液充填為主的接觸交代～熱液型鐵礦床，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。受地下水壓力大等綜合因素的作用，工程地質條件穩定性差，危害性突出。

(2)水文地質因素。區內第四系埋藏厚度大，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，故未來巷道突水現象嚴重。本礦床屬于頂板直接進水，有穩定的地下水補給來源，故其水文地質條件屬于復雜類型。

(3)其他。礦區地表多為農田、村莊，有地方公路從地表移動范圍內通過，地表不允許陷落。

2.3 采礦方法比較

根據施墩鐵礦床的礦體賦存特征、開采技術條件及水文地質條件，特別是該礦區地處平原，地表多為良田，地表不允許陷落的情況，選擇充填采礦法、空場采礦法。該兩種采礦方法的比較見表1。

采用無軌運輸設備(鏟運機)出礦。通過對比分析，選擇上向水平分層尾砂充填法開采。該采礦方法具有回采率高，機械化程度高，礦塊生產能力大，勞動生產率高等優點。

表1 充填采礦法和空場采礦法對比

3 上向水平分層尾砂膠結充填采礦法

3.1 采礦方法構成要素

礦塊沿礦體走向布置。依據礦巖穩固情況及礦體賦存條件，礦塊寬度取6～8 m，礦塊長度取50 m，單個采場頂板暴露面積控制在400 m2以下。礦塊垂高為中段高度50 m，間柱6 m，底柱高5 m，不留頂柱。

3.2 采準切割

采準工程主要有脈外運輸巷、裝礦穿脈、人行通風天井、聯絡道、礦石溜井、充填回風井等；切割工程有切割巷道。

首先施工脈外運輸巷道(2.4 m×2.6 m)，并垂直礦體方向掘進裝礦穿脈(2.1 m×2.2 m)。自裝礦穿脈上掘溜礦井(φ2.0 m)至底柱上側，上部各分層采用順路架設的鋼溜井。平底結構，在底柱上側向兩翼施工切割巷(1.8 m×2.0 m)至設計位置止，并切采至礦體上盤邊界。在切割平巷、靠近間柱上

掘脈內人行通風天井(1.8 m×2.0 m)，掘進天井聯絡道(1.8 m×2.0 m)至礦房。

每個礦塊布置一個充填回風井、一個順路架設的礦石溜井和行人泄水井及一個人行通風天井。上向水平分層尾砂膠結充填法采切工程量見表2，采礦方法見圖1。

表2 上向水平分層尾砂膠結充填法采切工程量

圖1 上向水平分層膠結充填采礦方法(單位：m)

礦塊的采切比為13.92 m/kt(標準m)，副產礦石率13.0%。

3.3 回采工作

3.3.1 礦石開采量的分配

礦山副產礦石率為13.0%，達到20萬t/a生產能力時的產量分配見表3。

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3.3.2 回采工序

回采工序主要有鑿巖、爆破、通風、出礦、平場、充填[1]。

3.3.2.1 鑿巖爆破

采用YT-28風動鑿巖機淺孔鑿巖,孔徑42 mm，孔深2.5 m，孔距1.2 m，排距1.0 m。炮孔崩礦量1.6 t/m、鑿巖機臺班效率取40 m、鑿巖機年作業率取60%。經計算，每個礦塊需配置1臺YT-28鑿巖機，共需6臺。

采用乳化炸藥，人工裝藥，對于尺寸大于400 mm 的塊礦采用人工或爆破進行二次破碎[2]。

上向水平分層尾砂膠結充填法回采計算見表4。

表4 上向水平分層尾砂膠結充填法回采計算

考慮到采場內出礦死角和不規則的邊角礦體無法回采的損失以及礦體尖滅處留作隔水礦柱損失，井下礦石實際回采率要略小于95%。另外，由于實際生產中礦柱視情況進行回采，貧化率也會隨之降低。經計算，礦山達產20萬t/a時，主要回采設備裝置見表5，主要回采材料消耗見表6。

表5 主要回采設備 臺

3.3.2.2 采場運搬與放礦

每個采場需布置1臺2JPB電耙，共需6臺。采場內采出礦石經電耙裝入1.5 m3礦車，直接提升出礦。

3.3.2.3 礦柱回收

設計留設有5m高的底柱(巖石)和6 m寬的間柱,待本中段所有礦房出礦工作結束后，采取上向水平分層尾砂膠結充填法進行間柱回收。

表6 主要回采材料消耗量

3.3.2.4 頂板管理與采空區處理

(1)頂板管理。采場內爆破完通風40 min后，撬毛工進行撬毛問頂，安全檢查，以保證采場內安全作業。對于頂板不穩固的局部地段設計采用錨桿或錨網進行支護，必要時采取錨桿及金屬網聯合支護，對于巖石及其破碎地段進行砌碹支護。

(2)空區管理。采用尾砂膠結充填法對空區進行充填，維持地壓平衡。

3.4 充 填

充填材料為選廠(籌建中)磨礦后的全尾砂，不足部分采用河沙、廢石等補充。膠凝材料選擇強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥或礦渣水泥。采場出礦完畢，清理好底板粉礦后架接充填管路。

采用尾砂膠結充填，灰砂比為1∶6～1∶8，充填管路由中央天井敷設，泄水由鋼結構泄水井泄入中段巷道。泄水井采用φ1 500 mm、8 mm厚鋼板制成，筒壁鉆φ25 mm的孔，外圍包麻布。充填系統見圖2。

3.5 采場通風

采場內采用YBT-5.5和YBT-11局扇通風，每次爆破完畢，新鮮風流進入采場工作面，污風經由人行天井、上部充填回風井排出，通風約40 min后由礦山安全工作人員對采場、掌子面進行有毒氣體檢測，達標后作業人員方可進入采場作業。

4 技術經濟分析

采礦技術經濟指標見表7。

通過采礦技術經濟分析，充填采礦法具有礦石回收率高、貧化率低、可以有效控制地壓、采礦安全性高、綜合利用率高、減少尾砂堆存占用土地、保證地表生態平衡等優點。另外，由于采用無軌運輸設備(鏟運機)出礦，上向水平分層尾砂充填法采礦還具有回采率高、機械化程度高、礦塊生產能力大、勞動生產率高等優點。

5 結 語

通過采礦技術經濟分析，綜合各方面因素，施墩鐵礦采用上向水平膠結充填采礦法進行開采。不僅解決了地表不允許塌陷、不允許污染等問題，還具有較強的安全性，經濟效益和社會效益較顯著。

[1] 呂志文,劉允秋.上向水平分層膠結充填法在東際金礦的應用[J].現代礦業,2016(5):32-33.

圖2 充填系統

項目礦石回采率/%貧化率/%采切比/(m/kt)副產礦石率/%出礦能力/(t/d)TFe出礦品位/%礦石容重/(t/m3)同時工作礦塊數/個數量9511.4113.9213.011035.253.456備注標準礦塊計算值標準礦塊計算值(綜合貧化率8.5%)

[2] 王運敏.中國采礦設備手冊：上冊[M].北京:科學出版社，2007.

2016-07-27)

李月先(1969—)，男，高級工程師，210000 江蘇省南京市廣州路223號。