小官庄铁矿上向进路充填采矿方法试验研究*

邱景平 辛国帅 张国联 邢 军 孙晓刚

(东北大学资源与土木工程学院)

小官庄铁矿投产以来，采用无底柱分段崩落法回采矿石。随着开采深度增加以及采空区增大，井下地压活动明显，主井井筒已经有一定程度的变形，直接威胁井下采掘作业及矿山提升系统的安全。为此小官庄铁矿在北区开展了上向进路充填采矿方法试验研究，形成了适合小官庄铁矿软破类型矿床开采的采矿工艺，实现了矿山的安全稳定生产。

1 地质概况及开采技术条件

试验矿块地点选在小官庄铁矿Ⅱ矿体－387～－450 m竖井保安矿柱以外150 m范围内的矿段，其矿体呈层状产出，形状不规整、零散分布，矿体走向、倾向、倾角变化较大，总体上为缓倾斜，且夹层多，品位变化大，各水平矿体对应性差，矿、岩稳固性均较差，复杂难采。

根据试验矿块的上述地质情况和开采技术条件，选择上向进路胶结充填法进行试验［1-2］。图1所示，开采范围垂直方向上跨－450和－400 m 2个中段，但是－400 m之上仅有13 m，因此将2个中段并为1个中段进行回采。－387～－450 m之间划分5个分段，每个分段内划分2～4个分层，分层高度3.2～4.6 m。分段内分层之间采用上行回采顺序，各分层之间上行开采。各分段负担分层为:①－442 m分段，负担－444和－440.5 m 2个分层回采;②－435 m分段，负担－437和－433.5 m 2个分层回采;③－426 m分段，负担－430、－425.7和－421.4 m 3个分层回采;④ －413 m分段，负担 －417、－412.7和－408.4 m 3个分层回采;⑤ －400 m分段，负担－404、－400、－395.4和 －392.2 m 4个分层回采。

2 采准工程布置

结合现场实际，通过方案优化选择，采矿选用无轨凿岩与出矿设备，在稳固性较好的矿体下盘布置1条采准斜坡道。每个分段从斜坡道出发，通过分段巷道、分层斜坡道，开挖掘分层巷道。

图1 小官庄铁矿上向进路胶结充填法

采准斜坡道采用折返式，断面规格3.5 m×3.2 m，弯道处加宽 0.5～1 m。直线段最大坡度为17%，转弯段坡度小于5%，平均15%左右。斜坡道与中段穿脉间有5m左右的水平段。斜坡道在各分段出口处设6 m长缓坡段。平面转弯半径17 m，竖曲线转弯半径50 m。

采准斜坡道布置在矿体下盘与布置在上盘相比，节省了大量的采准工作量，同时缩短无轨设备的运行距离，采准斜坡道通过分段巷道与各分层巷道相联系。下部分层开采结束后，需要转到上一分层，采取分层联络道逐渐压顶的方式实现转层，节省工程量，同时加快施工进度。采准工作量见表1。

表1 采准工程量汇总

经计算，小官庄铁矿北区充填采矿试验矿块千吨采切比为4.99 m/kt，或35.1m3/kt，有效地降低了采准工程量，节约了采矿成本。

3 进路结构参数优化

根据小官庄铁矿的矿岩力学参数，通过Ansys软件建立三维力学模型，并采用FLAC3D数值模拟软件［3］，按照正交试验原理进行数值模拟分析，研究不同的进路结构参数对试验矿块安全性的影响，见表2。

表2 模拟分析的正交试验表 m

根据模拟结果分析，并结合对进路隔一采一的开采方式，选择合理的参数为进路宽度3.5 m，进路高度3.5 m，进路长度60 m，该参数在现场得到了成功的应用，进路生产能力为168 t/d，矿块生产能力336.1 t/d，保证了进路的安全稳定性和较高的生产能力。

4 矿体回采工艺确定

(1)进路布置及回采顺序。回采进路依矿体形态布置，上下层进路方向尽量错开，以提高充填体的支撑能力。进路采取隔一采一的后退式回采，垂直走向上采取由上盘向下盘回采的开采顺序。一步进路回采后采用尾砂胶结充填，二步进路回采间隔时间尽量延长，确保一步充填体的龄期和强度。

(2)充填材料及配比［4-7］。由于小官庄铁矿全尾砂含泥量高(－200目达到了81%)，全尾砂充填难以达到充填采矿的要求，故对小官庄铁矿的全尾砂进行了分级(－200目为53%)，利用小官庄选矿厂的分级尾砂作为充填骨料，通过胶结充填试验和现场管路输送，选择胶固粉作为胶结材料，确定充填料浆浓度65%～70%。

(3)凿岩爆破工艺［8-11］。进路高度3.5 m以下，采用一次进路全高落矿方式，DD210－HLX5凿岩台车凿岩，钻凿水平浅孔，孔深2.8～3.0 m，桶形掏槽，光面爆破;二期进路边眼与一期进路充填体的距离控制在0.6～0.7 m，保证不破坏充填体，防止充填体塌落导致贫化，如图2所示。采用防水乳化油炸药，不耦合装药;起爆器材为非电导爆管秒差雷管，正向起爆。

图2 二步采进路炮孔布置

5 改进充填接顶措施

进路回采结束后，即可进行充填准备工作，为确保充填效果，采取沿进路方向分次充填，确保进路充填接顶［12-13］。充填体采用灰砂比为1∶4 ～1∶10 胶结尾砂充填，进路顶部0.5～1 m，用高标号(1∶4)胶结尾砂充填，使充填体上表面抗压强度达到1.0 MPa以上。

每个分层最下一个分层的底板，将作为下一分段上下开采最上一分层的顶板。为确保下部回采安全，在分段最下分层大约1 m左右的底板，用高标号(1∶4)胶结尾砂充填。

图3 木质充填挡墙

充填前做好采场的充填准备工作，主要包括架设充填管、排气管，构筑充填挡墙，如图3所示。

充填准备完成后，即开始采场充填。针对充填接顶率较低，试验矿块采取以下措施提高充填接顶率:①充填料浆流动后有3°～5°左右的坡度，1次充填进路长度控制在15 m以内，30 m以上的进路实行多点下料;下料管处向上挑顶0.5～1 m，充填管路架设在离进路口8 m左右的最高点，以保证充填接顶;②通过添加萘系高效减水剂提高充填浓度，获得了较高的接顶率，减少了排水量。

6 结论

(1)小官庄铁矿北区试验矿块进行的上向进路充填采矿工业试验获得了成功，能够保障采矿工作的顺利进行。

(2)设计了辅助斜坡道为主的无轨采准系统，较大程度地减少了采准工程量，降低了采准成本及出矿成本，实现了矿山的安全高效生产。

(3)采用数值模拟方法，优化了进路参数:进路高度3.5 m，进路宽度3.5 m，进路长度60 m，在现场得到了成功的应用。

(4)选用分级尾矿作为充填料，胶固粉作为胶结剂，灰砂比1∶4，充填料浆浓度65% ～70%，能够满足小官庄铁矿的充填采矿要求。

(5)工业试验表明，通过挑顶、多点下料和充填料浆添加萘系减水剂等措施可有效解决现场的接顶问题。

［1］ 王 青，任凤玉.采矿学［M］.北京:冶金工业出版社，2011.

［2］ 解世俊.金属矿床地下开采［M］.北京:冶金工业出版社，1986.

［3］ 朱建明，徐秉业，朱 峰，等.FLAC有限差分程序及其在矿山工程中的应用［J］.中国矿业，2000，9(4):78-82.

［4］ 刘可任.充填理论基础［M］.北京:冶金工业出版社，1982.

［5］ 张国联，邱景平，宋守志.小官庄铁矿生产矿块结构参数的试验分析［J］.东北大学学报:自然科学版，2003，24(11):1092-1095.

［6］ 邱景平，张国联，邢 军，等.小官庄铁矿试验矿块胶结充填试验［J］.有色金属:矿山部分，2011(5):13-16.

［7］ 邱景平，张世玉，张国联，等.小官庄铁矿北区充填工业试验［J］.有色金属:矿山部分，2012，64(4):10-13.

［8］ 胡修章，赵国彦.机械化上向进路充填法在焦家金矿的试验及其评述［J］.长沙矿山研究院季刊，1992，12(S1):46-53.

［9］ 王学敏.高龙金矿上向进路干式充填采矿法试验研究［J］.黄金，1999，20(1):21-25.

［10］ 何洪涛，周 磊，王湖鑫.上向水平进路充填采矿法在和睦山铁矿的应用研究［J］.有色金属:矿山部分，2012，64(1):13-16.

［11］ 刘 明.内蒙查干银矿3号矿体上向进路尾砂胶结充填采矿方法试验研究［D］.长沙:中南大学，2002.

［12］ 王树海，李启月，赵国彦.提高充填接顶率的技术措施研究［J］.矿冶工程，2011(1):13-15.

［13］ 曾照凯，张义平，王税睿.简述提高充填接顶效果的控制措施［J］.有色金属:矿山部分，2010(1):6-7.