分段空場嗣后充填采礦法在程潮鐵礦的應用*

王 進，童 炎，王志凱

（1.武鋼資源集團 程潮礦業公司，湖北 鄂州 436050；2.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083）

1 引言

程潮鐵礦是國內特大型地下金屬礦山，同時也是武鋼集團公司重點投資發展的礦山，一直以來主要采用的采礦方法為無底柱分段崩落法，年產量350萬t。隨著國家對安全生產及礦山環境保護要求越來越嚴格，采礦成本壓力逐漸增大。該礦決定逐步推行充填采礦法［1-3］。充填采礦法可適合各種不同的礦體賦存形態及復雜的開采技術條件，從而最大限度地回收地下礦石資源并降低礦石貧化，保護地表建筑物、減少征地搬遷和環境治理費用，減少深部開采地壓［4］、巖爆危害［5-6］；同時采用高濃度全尾砂膠結充填工藝，尾礦可以充填采空區，減少了尾礦庫征地的費用和管理費用，從而提高礦山的安全效益和經濟效益［7-8］。

2 工程概況

為了摸索充填采礦法經驗以及為日后全面推廣充填采礦法提供技術支撐和安全保障，目前，選擇在西區-447水平5-1采區，采用分段嗣后充填采礦法進行開采探索。5-1采區位于Ⅲ號礦體，Ⅲ號鐵礦體是一個磁鐵礦體，礦體平均厚度72.95m，礦體總體走向296°，傾向214°，傾角45°左右，向西側伏，側伏角8°。礦體大多賦存于大理巖、白云質大理巖與閃長巖、花崗巖接觸帶上的矽卡巖中，少數賦存于遠離接觸帶的大理巖、白云質大理巖、石膏及閃長巖、花崗巖中。呈不規則透鏡狀，端部有分枝現象。

3 工藝參數

3.1 回采方案初選

因礦房頂板暴露面積較大，因此礦房頂板初定施工方案為預控頂。在礦房預控頂水平沿礦房長度方向按3.33m平均分成三個條帶，先用光面爆破法掘進兩邊的條帶，視頂板穩定情況進行適當支護；然后采用光面爆破掘進中間的條帶，中間條帶掘進過程及時進行支護；整個頂板拉開后視穩固情況進行錨桿、金屬網、長錨索、噴漿支護。礦房落礦完畢后，操作人員進入空場進行礦石鏟運作業。由于預控頂施工工藝復雜，作業人員要求進入空場出礦，支護量大，支護強度要求較高，施工成本高、工期長，故該方案不太適合實際應用。最后采用礦房正上方掘進充填聯絡道，并且爆破落礦過程中將聯絡道底板擊穿，遙控鏟運機進入空場出礦方式。

3.2 采準與切割

采準與切割工程主要包括鑿巖巷、魚刺出礦巷、切割巷、切割天井。其中鑿巖出礦巷、切割巷為三心拱斷面，根據現使用出礦設備選擇其斷面規格為：3.6m×3.5m；魚刺型出礦巷為：3.2m×3.2m（3.0m3鏟運機）或3.6m×3.5m（3.8m3鏟運機），單側出礦魚刺巷間距為12m，為方便遙控鏟運機進出空場出礦，魚刺巷與鑿巖巷夾角為60°。切割天井斷面規格為2.5m×2.5m。切割天井布置在切割巷中間，切割巷布置在礦體上盤端部。鑿巖切割巷垂直礦體走向布置。

采場底部結構有有兩種，一種是平底結構，另一種是塹溝式結構。若采用平底結構，在爆破過程中，魚刺巷頂板眉線容易被破壞，鏟車從魚刺巷出礦時，鏟車暴露空場面積較大。故采用塹溝式底部結構。

圖1 -447水平5-1采區回采設計

3.3 礦房參數選擇

礦體及圍巖的結構組成、質量級別制約采礦開采巖體穩定性和采場結構尺寸的確定。通過巖體結構特征分類和巖體分級系統對礦山的礦體圍巖及礦體進行分類與分級后，可以預估采場的結構尺寸的合理性。目前研究的主要有兩種巖體分級系統：即Q分類體系、CSIR分類體系。現使用Q分類體系對采場結構尺寸進行合理選擇。

表1 礦山巖體結構特征與巖體分級

應用Q分類體系可以經驗的選擇地下工程無支護最大跨度，按上表中所列各圍巖的Q分類值的最大跨度：

式中：L—頂板無支護最大跨度，m；ESR—開挖體支護比，這里取ESR=1.6；Q—巖體分級值。

根據式（1）可得：頂板為大理巖時無支護最大跨度L=14m；頂板為礦體時無支護最大跨度L=13.3m，故在此確定礦房寬度為13m，礦柱的寬度一般取6～8m，這里選擇礦柱的寬度為7m。

3.4 回采順序

采取隔一采一回采順序，先回采礦房，后回采礦柱。回采礦房時，先以切割天井為自由面進行拉槽形成切割槽，在以切割槽為自由面，對鑿巖進路進行后退式回采。礦房回采完畢后，對礦房進行充填。待充填體完全達到強度要求后，進行礦柱回采。

根據礦柱的回采條件及回采技術難點，初選礦柱回采有兩種方法，即，無底柱分段崩落法、上向水平分層充填法。若采用上向水平分層充填法，回采效率較低，且回采工藝比較復雜、回采周期較長，故采用無底柱分段崩落法。在鑿巖進路施工中深孔，并且在進路上盤端部施工切割天井，爆破拉槽形成切割槽，采用后退式回采，每次爆破后先出一部分礦石，礦房落礦完畢后，使用遙控鏟運機集中出礦。設計爆破方案時，須留設1～1.5m護壁隔開充填體，避免爆破過程中對充填體造成破壞。

3.5 鑿巖爆破

在鑿巖進路內，自端部開始，采用SimbaH252中深孔臺車臺車鑿上向扇型孔，炮孔直徑80mm，孔底距1.8～2m，排距2m，采用BQF-100型裝藥器進行裝藥，導爆管、起爆彈或導爆索聯合起爆，實現同排炮孔微差爆破達到減震目的。同排炮孔間隔裝藥和孔口進行炮孔堵塞，減弱爆破對進路眉線的破壞。

礦房爆破邊孔角根據礦石自然安息角選取為43°，便于礦石崩落后能自然垮落到鑿巖巷道。根據地測科提供的資料，5-1采區礦體整體呈上大下小的倒三角形狀，在本水平逐漸尖滅，鑿巖巷道地質編錄資料顯示礦房兩邊的底部大部分是圍巖，因此將原爆破設計的邊孔（43°）去掉，實際邊孔角變為55°，爆破后形成較厚的三角底柱，出礦也比較安全。

3.6 鏟裝與搬運

采用ST-710遙控鏟運機出礦。每次爆破后，由鑿巖出礦巷出礦三分之一，形成爆破自由面并進行擠壓爆破，礦房落礦完畢后，由鏟運機從魚刺出礦巷集中出礦，集中出礦時先使用人工操作模式將魚刺巷崩落的礦石回收完，然后使用遙控模式從鑿巖巷將空場里面的礦石回收完畢，回采率達到85%以上，貧化率15%。礦石運至出礦溜井到達主運輸水平，最后進入提升系統。

3.7 采場通風

新鮮風流由斜坡道進入分段巷道，經工作面后污風從回風井排出地表。局部地段或獨頭掘進地段由局扇加強通風。

3.8 支護與充填

采準切割完畢后，對出礦魚刺巷進行素噴，噴漿厚度60mm，破碎地帶進行錨噴支護，對鑿巖出礦巷進行錨噴支護，破碎地帶噴錨網支護，為方便鏟運機出礦，鑿巖出礦巷底板進行澆灌，強度C20，厚度為200mm。

充填采用全尾砂膠結充填。空場出礦完畢后，對所有進路口做擋墻封閉。充填過程中有如下要求：

（1）擋墻位置應盡量選擇在巖石較穩固的地方，擋墻為混泥土擋墻，厚度0.3～0.5m，強度為C20，擋墻養護24h后方可進行充填作業；

（2）擋墻制作過程中，采用Φ100mm鋼絲圈尼龍濾水管，從-430m水平充填聯絡道下放至-447.5m水平礦房，采用鐵絲、繩索等工具將濾水管綁扎起來，每一根濾水管綁扎一根細繩，將細繩拋擲到礦房端部切割槽、礦房兩側的出礦斜巷附近，從礦房兩邊的鑿巖巷道將濾水管拉出來，每一面封堵墻布設2根濾水管，由擋墻上的濾水孔穿出墻外。每面擋墻都必須留設濾水孔，濾水孔在垂直方向間距為0.3～0.5m；

（3）為防止充填料從間柱或圍巖裂縫中泄漏和減少充填體對隔墻的壓力，對隔墻附近破碎嚴重的巖層應噴射混凝土；前兩次充填高度不得大于3m，待膠結料初凝或脫水后，再依次充填，直至礦房充滿為止；

（4）密閉隔墻及濾水設施檢查合格后，即可開始充填。首先進行試充，未發現密閉工程有泄漏時，方可正式充填，充填料漿濃度達到63%～70%，分多次充填，底部4.5m充填采用灰砂比1∶4，中部充填采用灰砂比1∶6，頂部4.5m充填采用灰砂比1∶4；

（5）充填至接近采場頂板時，不能排凈的水可以用潛水泵將其抽出，充填體28天單軸抗壓強度達到2Mpa以上；

（6）為保證充填體的充分排水和養護，相臨礦柱的回采最少要等4個月。

4 實際問題及對策措施

4.1 充填成本高

據統計，水力充填費用占采礦成本的15%～25%，而膠結充填則占35%～50%。成本高的原因是采用價格較貴的膠固料，因此應尋求廉價的膠結材料替代品或采用較小灰沙比，同時優化充填工藝，對強度要求不高的地方采用低配比進行充填。

4.2 頂板安全壓力大

由于頂板高度較高，且難以觀察，頂板巖石破碎、遇到節理發育構造復雜的地帶難以處理,特別是在雨季，采場頂板經過雨水的滲透之后，其不穩定性急劇增加。需加強頂板的監測與控制，防止頂板大面積跨冒；加強現場管理，現場未作業時對現場進行掛牌封閉。

4.3 遙控操作視野不足

目前，遙控鏟運機在現場的運用較為成功，但是實際操作中還存在一些問題，例如：操作人員難以看清鏟斗鏟裝情況，鏟礦較困難；使用遙控進行操作時，難以看清鏟車進出空場的路線，鏟車容易撞到幇壁。建議引進遙控視頻系統，可以更好的觀測遙控鏟運機在空場作業情況，保證作業安全，并且加強操作人員培訓，提高操作熟練程度。

4.4 礦石板結嚴重，爆破處理難度大

由于礦房爆破作業采用擠壓爆破，隨著爆破的不斷后退，前面爆破下來的礦石不斷受到擠壓，導致礦石板結現象比較嚴重，且礦石板結高度較高，處理難度比較大，且多次處理以后，空場頂板、邊幫變化較大。在對其它礦房的回采過程中，應當邊爆破、邊出礦，每次爆破完后，由鑿巖巷出礦30%、魚刺巷出礦30%，最后使用遙控鏟運機進入空場集中出礦。

4.5 擋墻制作成本大，周期長

目前制作的充填封閉擋墻都是混凝土擋墻。由于水泥材料價格較高，在后期對充填體取樣檢測強度時需對混凝土擋墻進行爆破處理，且混凝土擋墻材料不能重復利用、濾水性差、需養護24h后方可進行充填作業。可以采用其它工藝擋墻代替混凝土擋墻，比如：工字鋼金屬網柔性濾水擋墻，濾水性較好，材料可循環利用，制作周期短。

5 結論

分段嗣后充填采礦法在實際應用中，由于不同區域的礦、巖石性質不同，不同設備的型號不同，在使用該采礦方法時并非一概而論，所以特需不斷的進行技術改進，找到適合工藝參數。但需堅持控頂板、強支護、管邊界、控大塊、快循環的原則，方可確保安全，提高采場生產能力，降低采礦、充填成本，力求效益最大化。現將實際運用的的幾點體會列如下：

（1）如果采場巖石情況良好，且存在較少的節理、裂隙。可適當提高分段高度及礦房尺寸，提高生產能力，減少循環次數，減少采準工程量，增創效益。

（2）建立廢石不出井系統，將掘進的廢石充入采空區或制作臨時擋墻（采空區內充填廢石要保證和間柱或上、下盤距離留設2～5m，可增加充填體對間柱的摩擦力），既可緩解礦井提升壓力，既可降低充填成本，還能增加充填體強度。

（3）加快采場循環速度，要對采礦、出礦和充填準備工作作一定的時間要求，可以做礦山內的巖石性質和支撐時間和空間做一定的試驗，做到在頂板壓力釋放之前完成采、出、充工作完畢。有必要建立全礦年、月度采場充填循環圖表，保證各采空區有條不紊的連續充填。

（4）充填采礦法的實際運用比較靈活，可以根據不同的外部條件采用不同的采礦方法，在厚大礦體中可采用盤區上向水平分層充填法，保證充填體強度滿足鏟運設備作業要求；在礦巖整體性好、穩定的礦體中，采用階段嗣后充填采礦方法，適宜礦段采用分段嗣后充填采礦法，二步驟回采礦房和礦柱。

（5）底部結構優化。在設計底部結構時，可以在礦房礦柱交界的底部爆破預留較厚的三角底柱，在回采礦房和礦柱的過程中，都可以從該預留三角柱底部掘進魚刺巷進行出礦作業，減少鏟運機進入空場出礦作業時間，確保出礦安全。