預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法在白象山鐵礦的應(yīng)用

陳五九 劉發(fā)平 張欽禮 王 兢

(1.馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司；2.中南大學(xué)湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司)

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預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法在白象山鐵礦的應(yīng)用

陳五九1劉發(fā)平1張欽禮2王 兢2

(1.馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司；2.中南大學(xué)湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司)

根據(jù)白象山鐵礦礦巖穩(wěn)固性差，涌水量大等開采技術(shù)條件，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，采用了預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法開采，將上向水平進(jìn)路充填法“自下而上單分層回采”變?yōu)椤白韵露想p層合回采”，通過數(shù)值模擬優(yōu)化了預(yù)控頂進(jìn)路充填法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成了采準(zhǔn)、回采、充填工藝設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法大大提高了生產(chǎn)效率，降低了回采成本，按照礦山200萬t/a生產(chǎn)能力，可節(jié)約開采成本6 770萬元/a，滿足了礦山安全高效生產(chǎn)的要求，為同類礦山開采提供了經(jīng)驗(yàn)。

預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法 開采條件 結(jié)構(gòu)參數(shù) 回采工藝 充填工藝

白象山鐵礦是馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司的下屬礦山，擁有儲(chǔ)量豐富的優(yōu)質(zhì)磁鐵礦資源，初步設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力200萬t/a，采用豎井斜坡道聯(lián)合開拓，機(jī)械化盤區(qū)上向分層連續(xù)傾斜進(jìn)路尾礦充填采礦法和機(jī)械化盤區(qū)點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法開采[1-2]。由于礦巖穩(wěn)固性較差，涌水量大且防治水工作尚未完成[3]，參考該礦業(yè)公司和睦山鐵礦開采經(jīng)驗(yàn)，確定采用預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法進(jìn)行不穩(wěn)固礦體回采。

1 開采技術(shù)條件分析

礦床內(nèi)共圈定礦體11個(gè)，其中Ⅰ#礦體為主礦體，地質(zhì)儲(chǔ)量約占礦床總儲(chǔ)量的98.9%，其余小礦體僅占總儲(chǔ)量的1.1%。主礦體賦存在閃長(zhǎng)巖與砂頁(yè)巖接觸帶內(nèi)，其形態(tài)受礦區(qū)背斜構(gòu)造控制,橫向呈平緩拱形，產(chǎn)狀與圍巖基本一致，兩翼傾角5°～35°，在撓曲部位達(dá)35°～55°，一般為10°～30°?？v向南部南傾，與背斜傾伏角大致相同。

礦床水文地質(zhì)條件和礦體形態(tài)復(fù)雜，地表有青山河流經(jīng)礦區(qū)，常年有水，且水量大；礦體上部連續(xù)分布的強(qiáng)含水層是礦坑充水的主要含水層，向上承接第四含水層的越流補(bǔ)給，向下補(bǔ)給礦體含水層。礦區(qū)內(nèi)有導(dǎo)水性好的F1、F2、F3斷層，切割礦體頂板各巖層，直達(dá)河床和地表。

礦區(qū)節(jié)理、裂隙發(fā)育，基底巖層成礦前節(jié)理主要發(fā)育20°～50°和290°～345°兩組，為鐵質(zhì)、矽質(zhì)和碳酸鹽等充填，成礦后主要發(fā)育285°節(jié)理。

主礦體基本穩(wěn)定，但礦體夾石層和礦體頂?shù)装鍑鷰r局部具有軟化巖石特征，上下盤20 m范圍內(nèi)存在一個(gè)近礦圍巖不穩(wěn)定帶，是影響礦山開采的主要工程地質(zhì)問題。

2 預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法

2.1 采礦方法特征

與普通進(jìn)路充填法自下而上單分層回采[4-7]不同，預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法采用的是自下而上雙層合回采，融合空?qǐng)龇ㄅc充填法，通過預(yù)先拉頂加固頂板、下向采礦形成較大空?qǐng)?、然后充填的一種采礦方法。其基本特征是：將兩個(gè)分層作為一個(gè)回采單元，首先回采上分層(控頂層)，之后加固頂板，再回采下分層(回采層)，充填。本采場(chǎng)所有上下兩層進(jìn)路回采充填完畢后，再升層至上兩個(gè)分層[8]。

2.2 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)是進(jìn)路寬度和高度。綜合考慮進(jìn)路穩(wěn)定性、支護(hù)量和生產(chǎn)效率，確定進(jìn)路寬度4 m，對(duì)回采進(jìn)路高度進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1 參數(shù)優(yōu)化方法

由于采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響因素眾多，且大多屬于定性因素，使采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)無法實(shí)現(xiàn)理論上的最優(yōu)化。傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)采礦試驗(yàn)均難以實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)參數(shù)和回采方案的優(yōu)化研究。為此，利用數(shù)值模擬軟件，分析了不同高度組合(模型1、2、3進(jìn)路高度分別為6，7和8 m)條件下，第二步進(jìn)路回采時(shí)(由于二步采進(jìn)路是在一步采進(jìn)路回采完畢并充填的情況下進(jìn)行回采，其安全性遠(yuǎn)較第一步采場(chǎng)差)頂板礦體和人工膠結(jié)礦柱的穩(wěn)定性情況。

模型尺寸(寬×高×長(zhǎng))為660 m×230 m×880 m。

2.2.2 材料參數(shù)

采用白象山鐵礦初步設(shè)計(jì)中給出的礦巖力學(xué)參數(shù)，充填體力學(xué)參數(shù)取自該礦充填試驗(yàn)(表1)。

表1 礦巖力學(xué)參數(shù)

2.2.3 數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果分析

數(shù)值模擬[9-11]主要分析采空進(jìn)路直接頂板及周圍人工礦柱的穩(wěn)定性，一旦其中任何一個(gè)組成要素不穩(wěn)定，都將導(dǎo)致采場(chǎng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)之下。由于影響頂板安全性因素多，如巖石力學(xué)性質(zhì)、節(jié)理與裂隙發(fā)育情況、回采強(qiáng)度(暴露時(shí)間)、爆破參數(shù)、支護(hù)方式、采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)等，受數(shù)值模擬技術(shù)水平限制，模擬結(jié)果并不能保證百分之百準(zhǔn)確。因此，為安全起見，采用安全系數(shù)法進(jìn)行采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。安全系數(shù)定義為礦巖抗壓強(qiáng)度(或抗拉強(qiáng)度)與頂板最大壓應(yīng)力(或拉應(yīng)力)之比。

模擬結(jié)果見表2、表3。模型2采場(chǎng)和充填體的應(yīng)力情況見圖1。分析各圖表有關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，各模型礦體頂板最大壓應(yīng)力及人工礦柱最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均未超過各自極限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度值，各模型大面積呈現(xiàn)均勻下沉狀態(tài)，最大沉降量0.8 cm，尤其是進(jìn)路頂板抗拉安全系數(shù)都較高，說明充填體起到了良好的控制地表沉降作用，模型3(進(jìn)路高度8 m)人工膠結(jié)礦柱的最大拉應(yīng)力偏大，抗拉安全系數(shù)n1<1.15，不宜采用。從安全和經(jīng)濟(jì)因素分析，推薦預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法時(shí)，回采進(jìn)路寬度取4 m，進(jìn)路高度7 m(即各分層進(jìn)路高度3.5 m)。如果在開采過程中發(fā)現(xiàn)部分地段穩(wěn)固性較差，可適當(dāng)減小采場(chǎng)高度至6 m。

表2 礦體直接頂板數(shù)值分析

表3 人工膠結(jié)礦柱數(shù)值分析

圖1 模型2進(jìn)路直接頂板拉應(yīng)力效果云圖

2.3 采準(zhǔn)工藝

預(yù)控頂進(jìn)路充填法進(jìn)路沿礦體走向布置，根據(jù)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，單分層進(jìn)路高度3.5 m，兩分層回采完畢后，進(jìn)路高度達(dá)到7 m。采準(zhǔn)工程主要包括分段平巷及分層聯(lián)絡(luò)道、采場(chǎng)斜坡道、回風(fēng)巷道、溜礦井、充填回風(fēng)井及泄水井等(圖2)。

圖2 預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法方案

(1)分段平巷。分段平巷沿礦體走向布置，負(fù)責(zé)上下若干分層的回采，斷面尺寸為4 m×3.8 m。

(2)分層聯(lián)絡(luò)道。分層聯(lián)絡(luò)道布置在盤區(qū)兩端，作為盤區(qū)分界線，一條通達(dá)預(yù)控頂進(jìn)路采場(chǎng)的下部分層(回采層)，作為下部分層回采的聯(lián)絡(luò)道，另一條直達(dá)采場(chǎng)的上部分層(控頂層)，作為預(yù)控頂進(jìn)路回采的聯(lián)絡(luò)道。分層聯(lián)絡(luò)道斷面規(guī)格要求滿足鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行安全、方便，斷面尺寸為4 m×3.8 m。

(3)進(jìn)風(fēng)泄水井。聯(lián)絡(luò)道盡頭(礦體上盤)布置進(jìn)風(fēng)井，以改善各采場(chǎng)進(jìn)路的通風(fēng)效果，規(guī)格為φ2.0 m。該進(jìn)風(fēng)井同時(shí)兼做采場(chǎng)泄水井。

(4)充填回風(fēng)井。充填回風(fēng)井布置在礦體下盤，尺寸規(guī)格φ2.0 m。

2.4 回采工藝

(1)回采順序。上分層(控頂層)為巷道采礦，下分層(回采層)回采時(shí)，在控頂層內(nèi)以回采層聯(lián)絡(luò)道為自由面鉆鑿垂直孔崩礦。

(2)鑿巖爆破。以鑿巖臺(tái)車為主，控頂層采用Bommer 281進(jìn)口液壓鑿巖臺(tái)車，鉆鑿水平炮孔，回采層采用國(guó)產(chǎn)氣動(dòng)鑿巖臺(tái)車，鉆鑿垂直下向炮孔。采用φ32 mm乳化炸藥藥卷，長(zhǎng)度200 mm，每卷裝藥150 g。采用非電導(dǎo)爆管、毫秒微差雷管，CHA-300型起爆器起爆。

控頂層按普通巷道掘進(jìn)方法布置炮孔，炸藥單耗0.386 kg/t，炮孔崩礦量1.2 t/m；回采層回采時(shí)，在控頂層進(jìn)路內(nèi)鉆鑿下向垂直炮孔，向回采層聯(lián)絡(luò)道方向側(cè)向崩礦。下向垂直炮孔深度3.5 m，炮孔距進(jìn)路輪廓線取0.5 m，其他炮孔間距1.3～1.4 m，排距1.0 m，炸藥單耗0.22 kg/t，炮孔崩礦量3.02 t/m。合計(jì)預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法炸藥單耗0.35 kg/t，炮孔崩礦量1.41 t/m。

(3)出礦。出礦設(shè)備采用國(guó)產(chǎn)2 m3柴油鏟運(yùn)機(jī)，生產(chǎn)能力為200 t/(臺(tái)·班)。

(4)通風(fēng)。進(jìn)路采場(chǎng)回采屬于獨(dú)頭作業(yè)，通風(fēng)效果差，需安裝局部風(fēng)機(jī)。根據(jù)要求，風(fēng)機(jī)和啟動(dòng)裝置安設(shè)在離掘進(jìn)巷道進(jìn)口10 m以外的進(jìn)風(fēng)側(cè)巷道中，每次爆破結(jié)束后，將新鮮風(fēng)流導(dǎo)入到工作面，通風(fēng)時(shí)間不應(yīng)少于40 min，污風(fēng)沿進(jìn)路出采場(chǎng)經(jīng)充填回風(fēng)天井排入上階段回風(fēng)平巷，通過回風(fēng)井排至地表。

2.5 充填工藝

為盡可能縮短進(jìn)路暴露時(shí)間，進(jìn)路回采結(jié)束后應(yīng)盡快充填。為了防止淋漿后料漿沉縮造成接頂不充分，采用兩道充填管，其中一道用于最后的接頂充填。為防止充填引流水和洗管水進(jìn)入進(jìn)路采場(chǎng)，于充填擋墻外安裝放水三通閥排水，以提高充填體硬化速度和強(qiáng)度，最后在進(jìn)路入口處構(gòu)筑擋墻，由于充填體高度4 m，側(cè)壓較大，采用磚弧形充填擋墻(圖3)。砌筑擋墻厚度0.5 m，并留設(shè)排水管口和充填觀察窗。同時(shí)，在擋墻兩側(cè)與巷道接觸處用水泥砂漿密閉，以防跑砂。

圖3 磚弧形充填擋墻

3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

采用預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法，回采進(jìn)路由原設(shè)計(jì)的4.5 m×4.0 m擴(kuò)大為4.0 m×7.0 m，后逐步將進(jìn)路寬度擴(kuò)大為6 m，最終形成6.0 m×7.0 m的回采進(jìn)路。

(1)由于控頂層提供了充足的爆破自由面，回采層爆破效率大大提高，炸藥單耗由0.4 kg/t降為0.35 kg/t，僅炸藥降低費(fèi)用1 200萬元。

(2)工資成本平均9.5元/t，采用預(yù)控頂技術(shù)后，由于工效提高，人工成本降低30%，節(jié)約人工成本費(fèi)用570萬元。

(3)普通進(jìn)路充填法支護(hù)成本50元/t，預(yù)控頂技術(shù)回采層基本不需支護(hù)，支護(hù)成本降低為30元/t，節(jié)約成本4 000萬元。

(4)采用預(yù)控頂技術(shù)后，僅需在回采層構(gòu)筑充填擋墻，充填成本降低5元/t，按200萬t產(chǎn)能計(jì)算，節(jié)約充填成本1 000萬元。

綜上，預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法與原設(shè)計(jì)的普通上向進(jìn)路充填法相比，生產(chǎn)效率大大提高，成本明顯降低，年節(jié)約費(fèi)用6 770萬元。

4 結(jié) 論

白象山鐵礦是國(guó)內(nèi)著名的大水礦山，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦巖穩(wěn)固性較差，通過應(yīng)用預(yù)控頂技術(shù)，極大地改善了普通上向進(jìn)路充填法生產(chǎn)效率低，作業(yè)成本高的弊端，保證了作業(yè)安全，為破碎礦體安全高效回采提供了一個(gè)成功的案例。

(1)采用預(yù)控頂技術(shù)，將上向水平進(jìn)路充填法自下而上單分層回采變?yōu)樽韵露想p層合回采，提高了進(jìn)路充填采礦法生產(chǎn)效率，降低了回采成本。

(2)利用數(shù)值模擬方法，優(yōu)化和確定了預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定單分層進(jìn)路高度3.5 m，兩個(gè)分層回采完成后分層高度7 m，為生產(chǎn)提供了可靠的參數(shù)優(yōu)化方法。

(3)預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法，不僅解決了白象山鐵礦在裂隙涌水量較大的地段，以及礦巖破碎地段回采作業(yè)安全，提高了該礦現(xiàn)階段產(chǎn)量，而且大大降低了回采作業(yè)成本，年節(jié)約開采成本6 770萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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2016-07-15)

陳五九(1969—)，男，礦長(zhǎng)，高級(jí)工程師，243000 安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣太白鎮(zhèn)。