急倾斜厚大矿体高分层连续充填采矿方法研究

马毅敏 周文略

(中钢矿业开发有限公司)

目前国内的急倾斜厚大鞍山式铁矿以贫矿为主，而且多数开采条件复杂。由于此类矿体形态变化大、岩石夹层多、被厚大第四系地层覆盖等特点，使矿山企业普遍生产效率低，开采成本居高不下。为改变这一不利局面，需要开发一种安全高效、低成本的采矿方法，提高此类矿床的开采价值。

1 开采技术条件

位于山东省汶上县的李官集铁矿属沉积变质型低品位磁铁矿矿床，平均地质品位25.4%，急倾斜中厚至厚大矿体，具有岩石夹层多，矿体和夹层厚度变化大的特点。主矿体控制走向长1 365 m，最大厚度100 m，倾角75°，矿体被F2－1断层切错，被分割为南、北2段。含矿岩层为条带状磁铁角闪石英岩，顶底板为黑云变粒岩，矿体与围岩分界线不明，矿岩中等稳固。矿体上部被厚45～70 m的第四系地层覆盖，地表不允许塌落。

矿山采用地下开采，设计年采选原矿120万t，主井、副井、设备材料井和出风井4条竖井构成矿山对角式开拓系统，已形成－120 m总回风水平和－320 m运输水平，主要采用充填法开采。

2 采矿方法研究

2.1 采矿方法分析

根据矿体的开采技术条件，考虑尽快实现达产的要求，初步提出2种采矿方案，即方案1:大直径深孔崩矿嗣后充填采矿法;方案2:点柱式全矿床上向高分层连续充填采矿法。方案1属于急倾斜厚大矿体较常规的采矿工艺，生产能力较大，但是掘进工程量大，采场准备时间长，二步采要求充填体强度高。方案2是根据传统的上向分层充填采矿工艺，在保证采场安全的前提下，增大分段和分层高度，减少充填循环次数，并对采准、切割工程布置、爆破落矿、充填方式等进行了优化和创新。2方案的预期技术经济指标见表1。

表1 主要经济技术指标比较

对2个方案的优缺点进行分析对比，结果见表2。

表2 采矿方案优缺点比较

综合以上2种方案的分析结果，充分考虑到矿体探矿不足和品位较低的条件，决定利用适当的损失率换取生产效率，最终选择采准工程量小、采矿灵活和成本低的点柱式大分段上向高分层连续充填采矿法即方案2。

2.2 采矿技术方案

采场沿矿体走向布置，宽为矿体水平厚度，采场长度60～100 m，具体根据矿体厚度调整。采场间留连续间柱，采场内留点柱。在脉外上盘布置采准工程，利用材料斜井(开段斜井)连通每分段沿脉巷，分段高度22.5 m，分段运输巷通过上坡和下坡出矿联络道与采场连通。回采自采场底部拉底巷向两端推进到采场间柱，分层回采高度7.5～8 m，充填后留1.5～2 m空顶，作为下一层的作业空间。全矿床除1个主运输巷外，不设其他阶(中)段运输巷，不留顶柱，自下而上逐层连续推进开采。脉内和脉外均可设置顺路溜井，采用浅孔凿岩，无轨设备出矿。通过采场回风充填井输送尾砂进行充填，一分层充填完毕后，通过压顶垫底方式抬高采场出矿联道，以充填体作为工作平台，在点柱支撑的顶板下进行第二分层的回采作业，详见图1。

图1 点柱式全矿床上向高分层连续充填采矿法

3 生产实践

矿山从主运输水平－320 m开始自下而上连续推进，采矿流程见图2。目前矿体的第一分段的一分层即将采完，部分采场已开采二分层。

图2 采矿生产流程

3.1 采准工程布置

采场结构参数:采场平均长度为70 m，根据北京科技大学采场稳定性研究结果，确定采场间柱宽为6 m，点柱尺寸5 m×5 m，间距15 m×15 m。点柱位置可根据岩石夹层位置进行调整，间柱位置可由分段切割巷的4个端点和矿体上下盘边界确定。回采过程要严格控制点柱尺寸，保持其上下连贯性。

采准巷道布置:在－320 m主运输水平的川脉内向上掘斜上山至－308 m，－308 m水平作为第一分段，布置分段沿脉巷道作为铲运机出矿联络巷及采场回风巷道，向上每隔22.5 m高度布置分段沿脉巷道，分段巷与采场由出矿斜巷连通。每个采场设2条出矿巷道，与脉外采场溜井连通，溜井顺路施工，直径3 m。根据采场大小每个采场内布置1～2条充填回风井，直径2 m。

3.2 切割、拉底工程

在一分段的上下盘布置沿脉切割巷，切割巷由切割横巷连通，巷道断面3 m×2.7 m(三心拱)，断面积为7.47 m2;施工顺序:纵向切割→纵向切割巷拉底→横向切割→横向切割巷拉底。

拉底时以切割巷为自由面进行刷帮，高度为4 m，纵向长度到矿体边界，横向长度为采场宽度，拉底两帮必须采用光面爆破。刷帮至点柱位置时，按照设计要求留好点柱，点柱四边光爆，保证点柱形态和规格。

3.3 回采工艺

3.3.1 凿岩爆破

每分层采矿高度7.5 m，分3步完成:一步拉底高度为4 m;拉底完成后在横向切割巷内挑顶形成二次采矿工作面，在工作面上凿水平孔落矿，由上盘向下盘推进。二步采矿高度为3 m。三步压顶高度为0.5 m，压顶采用控制爆破技术，周边孔上倾角不大于2～3°，各孔均要互相平行，顺直前进并要求孔底在同一垂直面上，确保两帮顺直顶光滑，保证顶板平整并略呈拱形。一分层充填后，通过压顶垫底方式抬高采场出矿联道进入采场，向上依次循环分层回采。

凿岩使用 YT－28、7655型钻机，钻凿水平浅孔，排距0.8～1 m，间距0.9 m，呈菱形布置，每米崩矿量为4 t/m。凿岩作业每班3人配2台钻机，工效为300 t/(班·d)，12个班单班作业即能完成每年120万t的产量。

每分层的顶板要采用光爆技术，孔距0.7 m，少装药或导爆索爆破，保持顶板光滑，爆破后无需支护。爆破采用人工装药使用2#岩石乳化炸药，药包起爆用半秒延期导爆管，非电起爆系统。具体凿岩爆破系数见表3。

表3 凿岩爆破系数

3.3.2 出矿运输

采场矿石由2 m3铲运机经过溜井联巷卸入采场溜井内，再由电机车运输卸入主溜井。－320 m水平井底车场采用上、下盘环形布置，采用窄轨运输，轨距762 mm，由10 t电机车牵引8辆4 m3单侧曲轨侧卸式矿车为1列，目前运行3列可以满足矿山生产能力。矿石经过粗碎后通过主井提升到地表矿仓。

3.4 采场充填

矿山采用废石及全尾砂充填方法。地表充填站采用立式沙仓沉淀浓缩、风动造浆工艺，设立2套充填系统，系统制备输送能力85 m3/h，可满足120万t/a的充填能力要求。掘进废石不出坑，倒入空区充填。全尾砂作为充填集料，硅酸盐水泥作为充填胶结剂，搅拌制备成浓度为65% ～70%的充填料浆。

充填浆料经充填钻孔自流到井下－120 m水平，从钻孔的套管下端开始敷设充填管至各分段联巷，最后通过采场充填回风井依次采用上分层敷设充填管自流充填下分层采空区。每层充填高度为5.5～6 m，为下一分层留1.5～2.0 m的作业空间。充填时每分层下部使用灰沙比1∶12的充填料充填，上部留1 m厚度，采用灰砂比1∶4的充填料形成浇面层，作为下一分层回采时的作业平台。采场不设滤水井，安置小型排水泵，充填滤水由水泵抽至泄水孔，泄入－320 m水平水沟流入水仓。

3.5 通风

采场通风采用主通风系统加局扇的方式联合通风，新鲜风流从－320 m主运输巷经材料斜井进入分段平巷，然后经采场联络道进入回采工作面，污风排入采场通风充填天井，进入总回风水平排出。考虑到采场内工作面较多，每个工作面可另安装2台5.5 kW局扇通风机，在距工作面15 m处安1台，做抽出式通风，再稍后安置局扇1台，做压入式通风。

3.6 主要技术经济指标

经过1 a的生产，各项技术经济指标日趋稳定，主要指标见表4。

表4 技术经济指标

4 结论

(1)点柱式全矿床上向高分层连续充填采矿方法，采用22.5 m的大分段、7.5 m的高分层进行连续回采、浅孔落矿、铲运机出矿、废石及全尾砂充填，实现了急倾斜厚大贫铁矿床的安全高效连续开采，非常适应岩石夹层多，矿体与围岩分界不明，矿体和夹层厚度变化大和地表不允许塌落的矿体开采。

(2)全矿床除1个主运输水平外，不设辅助中段运输水平，不留顶柱，比多中段开采节约40%以上的工程量。

(3)通过增加点柱，在保证采场安全的前提下增大分段和分层高度，减少采准工程量，采准比降低约30%以上;采场沿矿体走向布置，增大沿矿体走向一次拉开面积，形成多工作面的局面，减少充填对回采的影响，提高采、充、出工艺连续性。

(4)有效解决了两步骤回采效率低、充填强度要求高的问题。采场一分层只需一步骤回采，一次采完、充填后即向上开采二分层，充填体强度要求低，使用灰砂比1∶12的充填料与废石一起充填空区，大幅减少水泥用量，降低充填成本。通过实践，灰砂比例还有降至1∶20的可能。

(5)高分层回采工艺可灵活调整回采边界，剔除夹石和有效降低损失贫化率;采用浅孔设备凿岩，在保证生产能力的基础上又保持了采矿灵活性;无轨设备调节能力强，可同时服务多个采场，出矿效率高，为快速达产提供了有利技术支撑。

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