長走向平行釩鐵礦體協(xié)同開采方案研究

黃明清 陳 霖 李兵磊 劉青靈

（福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院，福建福州350108）

金屬礦多層礦體安全回采是采礦工程界的難題之一［1-2］。當(dāng)雙層礦體為同一礦種時，應(yīng)根據(jù)礦體的產(chǎn)狀、距離及礦體品位等條件研究設(shè)計開采方案，工程上一般先回采上盤礦體，再回采下盤礦體，即同中段上盤礦體超前下盤礦體開采；若生產(chǎn)組織得當(dāng)，也可考慮同中段上盤礦體與下盤礦體同時回采，以提高開拓系統(tǒng)及井巷工程的利用率。若同一中段的上盤礦體處于下盤礦體開采的礦巖移動線之外，則兩條礦體對應(yīng)的采場可獨(dú)立生產(chǎn)，采礦活動互不影響。然而，當(dāng)上盤礦體處于巖體移動線范圍內(nèi)時，一般須待上盤礦體回采全部結(jié)束后，下盤礦體的采場才可進(jìn)行大量放礦。此外，當(dāng)雙層礦體為同一礦種且品位相差較大，或?yàn)椴煌V種時，必須實(shí)行分采分運(yùn)，從而對階段運(yùn)輸、采礦方法、生產(chǎn)組織及調(diào)度提出了更高的要求。上下盤礦體開采時這種相互影響、相互制約的現(xiàn)象，極大限制了雙層礦體的安全回采。

雙層礦體回采往往伴隨著多種工程目的，對礦區(qū)整體規(guī)劃、開采順序優(yōu)化、采礦方法改進(jìn)及開采穩(wěn)定性等方面有嚴(yán)格的技術(shù)要求。陳慶發(fā)等［3-4］主張從時間、空間上，對開采前、開采中及開采后多層次的采礦工程、采礦方法進(jìn)行協(xié)同處理；Ling［5］采用模糊綜合評價方法建立了神東煤區(qū)2 000 萬t 級大規(guī)模開采與環(huán)境保護(hù)協(xié)同發(fā)展的評價模型；劉澤洲等［6］認(rèn)為采礦環(huán)境再造是提高難采礦體安全性及區(qū)域穩(wěn)定性的有效方法；孫會熙等［7］認(rèn)為不同礦體協(xié)同開采時，應(yīng)按分區(qū)有針對性地設(shè)計各區(qū)域的采礦方法與開采順序；陳慶發(fā)［8-9］總結(jié)出的“協(xié)同開采”理念的本質(zhì)在于資源開采與災(zāi)害處理及其他技術(shù)的同步與協(xié)調(diào)，從而提高礦山開采系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)。

甘肅七角井釩鐵礦區(qū)內(nèi)分布有釩礦與鐵礦雙層礦體，上盤釩礦體與下盤鐵礦體走向均超過4 km，兩者近似平行產(chǎn)出，7#～21#線間約60.4%的釩礦儲量處于鐵礦開采的礦巖移動線范圍內(nèi)，導(dǎo)致兩者開采強(qiáng)度、開采進(jìn)度、開采規(guī)模及采礦方法相互制約。更加不利的是，由于釩礦市場行情不理想，礦山近10 a 來均以鐵礦為主要開采礦種；隨著鐵礦開采深度不斷加大，逐漸暴露出上盤釩礦資源保護(hù)難度大、鐵礦開采損失貧化率高、采空區(qū)增長迅速、固廢處理難等問題，使礦山發(fā)展受到極大限制。本研究首先總結(jié)釩、鐵礦體的形態(tài)特征與開采技術(shù)條件，初步提出雙層礦體“平面分區(qū)、采鐵保釩”的協(xié)同開采方案；其次，對協(xié)同開采時各分區(qū)的工程空間協(xié)同、開采時序協(xié)同進(jìn)行研究和分析；最后，對各分區(qū)釩、鐵礦體的采礦方法進(jìn)行優(yōu)化，并提出不同分區(qū)的崩落、充填等地壓控制措施，從而保障釩、鐵礦體安全、高效開采。

1 釩鐵礦體特征

1.1 資源概況

七角井礦區(qū)在大地構(gòu)造位置上處于天山內(nèi)蒙褶皺系南部，北山中間隆起帶雙鷹山復(fù)式向斜南翼［10］。礦區(qū)內(nèi)褶皺及斷裂較發(fā)育，分布兩條走向NWW—SEE、傾向南、傾角45°的斷層，距離礦體60～400 m。釩礦體賦存于寒武系西雙鷹山組的碳質(zhì)板巖中，礦體走向長4.2 km，傾角17°～68°，平均厚度11.3 m，目前僅在靠近地表附近有小規(guī)模開采。采礦權(quán)范圍內(nèi)，釩礦 332+333 型儲量 8 903.14 萬 t，V2O5平均品位0.623%，V2O5資源量 59.94 萬 t。礦體上盤為硅質(zhì)板巖，釩礦體與硅質(zhì)板巖間夾碳質(zhì)板巖薄層，下盤為粒屑灰?guī)r，圍巖普氏系數(shù)f=6～10，中等穩(wěn)固。

鐵礦含礦層?xùn)|西長4.34 km，厚10～30 m，最厚67 m，平均厚度18.2 m，礦層中間厚兩端薄，含礦層走向大致呈280°～300°，傾向NE，傾角28°～80°。Fe1礦體為含礦層主礦體，該礦體為連續(xù)穩(wěn)定的層狀礦體，礦體走向EW，礦體走向長3.2 km，傾向北，傾角24°～68°；礦體厚度4.6～29.4 m，2 215 m 中段局部超過60 m。礦山設(shè)計開采范圍為7#～21#線（勘探線排距200 m），332+333+334型鐵礦儲量11 322.7萬t，TFe平均品位27.53%。鐵礦體整體連續(xù)性好，普氏系數(shù)f=16～19，分支復(fù)合現(xiàn)象較少，東部淺而薄，西部深而厚。鐵礦體上盤為礫狀灰?guī)r，普氏系數(shù)f=8～11，下盤為石英砂巖，普氏系數(shù)f=9～13；圍巖完整性及致密性較好，為穩(wěn)固型巖體。

1.2 開采技術(shù)條件

目前，七角井礦區(qū)有2 280、2 215、2 150、2 085、2 020 m 中段，其中2 215 m 中段為主要生產(chǎn)中段，鐵礦原礦產(chǎn)量240 萬t/a，計劃擴(kuò)能至360 萬t/a，雙層礦體開采技術(shù)條件有以下特征：

（1）礦體走向長。釩礦、鐵礦走向均大于4 km，其中釩礦分布于2#～23#線，走向長度遠(yuǎn)大于鐵礦；鐵礦沿走向主要分布于7#～21#線，7#線以東受斷層等構(gòu)造影響，為較薄的不連續(xù)礦體，23#線以西礦體尖滅。

（2）近平行產(chǎn)出。同中段的釩礦與鐵礦體近似平行產(chǎn)出，釩礦體位于鐵礦體上盤，釩礦下盤至同中段鐵礦上盤的水平距離為60～190 m。兩條礦體在傾向、走向上變化規(guī)律相似，且同中段水平距離隨著埋深的增大而增大。此外，釩礦及鐵礦體傾角均隨埋深的增大而增大。

（3）厚度負(fù)相關(guān)。分布于7#～15#線，尤其是 10#～15#線的鐵礦體平均厚度較大，達(dá)13～20 m。釩礦平均厚度小于鐵礦，其中10#線以東、15#線以西厚度較大，平均厚度大于12 m，10#～15#線礦體較薄?？傮w而言，開采范圍內(nèi)鐵礦體厚度較大的區(qū)域釩礦體厚度較小，鐵礦體較薄時則釩礦體較厚。

（4）空區(qū)隱患大。2 215 m 中段及以上采空區(qū)體積累計約400 萬m3，且年增長速率為100 萬m3。雖然在礦柱支撐下采空區(qū)總體較穩(wěn)定，但空區(qū)群數(shù)量龐大且有部分貫通，安全隱患極大［11］。礦區(qū)尾砂產(chǎn)率約 202.4 萬 t/a，干拋尾 57.6 萬 t/a，粉煤灰 3～5 萬 t/a，原設(shè)計開采方法為分段空場法，礦山固體廢棄物無法得到合理利用。

1.3 協(xié)同開采原則

釩鐵礦協(xié)同開采方案設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：①工程空間協(xié)同，即釩、鐵礦體開采共用礦山原有的開拓、采準(zhǔn)系統(tǒng)，盡可能沿用礦山原有的設(shè)計理念、技術(shù)裝備，避免增加額外成本；②時效性協(xié)同，在優(yōu)先開采鐵礦的工程背景下，充分考慮釩礦開采的時間因素，既要做好釩礦隨時開采的準(zhǔn)備，也要做好釩礦長期不采的準(zhǔn)備，實(shí)現(xiàn)“保釩采鐵，協(xié)同開采”；③采礦方法協(xié)同，針對長走向的礦體，合理規(guī)劃各區(qū)域開采順序及采礦方法，在確保釩礦具備安全開采條件的前提下，提高開采過程中的區(qū)域穩(wěn)定性，同時改善礦石回收率、貧化率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；④固廢處置協(xié)同，引進(jìn)低成本、高效率的充填方法處理鐵礦開采形成的采空區(qū)。采空區(qū)充填與否應(yīng)根據(jù)釩鐵礦量對比、資源價值等指標(biāo)分區(qū)對待，統(tǒng)一規(guī)劃，分步實(shí)施，盡量減少充填量。

2 協(xié)同開采方案

2.1 釩鐵礦平面分區(qū)

平面上，協(xié)同開采規(guī)劃區(qū)域?yàn)?#～21#線2 215 m中段及以下中段釩礦、鐵礦資源，區(qū)域內(nèi)兩種礦體資源分布如圖 1 所示。由圖 1 可知：10#～15#線內(nèi)，鐵礦石儲量遠(yuǎn)大于釩礦；15#～21#線內(nèi)鐵礦石儲量略大于釩礦；10#線以東、21#線以西，鐵礦石儲量小于釩礦。釩礦在7#～21#線間儲量分布較均衡，相鄰兩線間的釩礦儲量大多為400～500萬t，其中19#～23#線間的儲量大于 600 萬 t。此外，鐵礦儲量在 1 955～2 150 m 中段高達(dá) 4 513 萬 t，在其余中段穩(wěn)定在 1 000～1 600 萬 t；釩礦儲量主要分布在1 955 m中段以上。

分析礦體儲量、礦石品位及礦體產(chǎn)狀可知，鐵礦“中間厚、兩端薄”，釩礦“中間薄、兩端厚”的形態(tài)分布特征較明顯，而釩、鐵礦體品位分布較均勻，因此分區(qū)規(guī)劃為：①東區(qū)，7#～10#線，走向長600 m，釩、鐵礦量均為1 100～1 300 萬t，占總礦量比例分別為26.67%、39.86%，釩、鐵礦品位分別為0.6%及28%；②中區(qū)，10#～15#線，走向長 1 000 m，釩礦量僅占18.86%，而在35.7%的礦區(qū)范圍內(nèi)集中了近1/2 的鐵礦量（47.64%），釩、鐵礦品位分別為 0.63% 及27.44%；③西區(qū)，15#～21#線，走向長1 200 m，釩、鐵礦量占總礦量的比例均小于15%，釩、鐵礦品位分別為0.66%、27.25%。

2 280 m 中段以下釩礦基本處于鐵礦開采的礦巖移動線以內(nèi)，若在鐵礦采空區(qū)上方進(jìn)行回采，釩礦開采安全隱患極大。由于釩礦開采成本高于市場售價，因此僅適合進(jìn)行小規(guī)模保護(hù)性開采，而主力生產(chǎn)礦種——鐵礦的設(shè)計生產(chǎn)能力即將提高至360萬t/a，需選擇合適的區(qū)域擴(kuò)大鐵礦產(chǎn)能。結(jié)合釩、鐵礦體厚度負(fù)相關(guān)的特征，在對中區(qū)厚大鐵礦體實(shí)行高強(qiáng)度開采的同時回采上盤較薄的釩礦，以有效緩解釩礦對下盤鐵礦開采的制約。東區(qū)和西區(qū)由于釩礦所占比例較高，具有較高的開采價值，且處于巖體移動界線內(nèi)，因此，下盤鐵礦開采后，必須采用充填方式處理采空區(qū)，通過采場間柱及充填體確保上盤釩礦安全開采，實(shí)現(xiàn)“采鐵保釩”。

同中段釩、鐵雙層礦體水平距離在190 m 以內(nèi)，為了提高井巷工程的利用率，規(guī)劃雙層礦體開采時共用一套開拓、采準(zhǔn)、運(yùn)輸?shù)乳_采系統(tǒng)，通過調(diào)整開采時序、優(yōu)化采礦方法、充填采空區(qū)、地壓監(jiān)測［12］等措施，確保開采系統(tǒng)在開采釩、鐵礦期間不出現(xiàn)明顯變形、位移、冒落、跨塌等風(fēng)險。

2.2 開采時序

根據(jù)平面分區(qū)規(guī)劃，中區(qū)釩礦應(yīng)在鐵礦開采期間內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)采強(qiáng)出，東、西區(qū)釩礦則在鐵礦采場充填體、間柱的保護(hù)下具備隨時開采或長期不采的條件。對于東、西區(qū)鐵礦（圖2），用礦山現(xiàn)行的分段空場法回采2 215 m 中段后，對于2 150 m 中段沿走向長50 m 的采場，先回采60%礦量（長30 m），剩余20 m 礦柱可保持本中段及上中段空區(qū)的穩(wěn)定性；其次，在2 215、2 150 m 中段回采過渡期內(nèi)，建設(shè)充填系統(tǒng)及2 020 m中段開拓、采準(zhǔn)系統(tǒng)，并采用階段礦房嗣后膏體微膠結(jié)充填法［13］自下而上依次回采2 020 m、2 085中段，兩個中段采場均沿走向長50 m，其中礦房長42 m、間柱8 m；再次，采用分段崩落法回收2 150 m 中段剩余24%的礦柱礦量（長12 m），留下8 m 礦柱作為永久損失，并用膏體充填該中段長42 m 的礦房。隨著開采的進(jìn)行，2 150～2 020 m 中段將形成上下連續(xù)的寬8 m的永久礦柱。

中區(qū)鐵礦采用從上往下的開采順序，分三步回采：第一步，采用階段礦房法回采2 150 m中段沿走向長30 m的礦房，暫留30 m礦柱作為釩礦的回采通道，并依次對2 085 m、2 020 m 中段采用相同的方式進(jìn)行開采，3 個中段均不留頂?shù)字?。? 150、2 085、2 020 m 中段30 m 礦房均回采完畢后，利用采釩通道回采同中段上盤釩礦；第二步，采用分段空場法或階段礦房法對釩礦進(jìn)行強(qiáng)采強(qiáng)出，釩礦回采結(jié)束后立即對同中段剩余30 m 礦柱進(jìn)行部分回收，分別從間柱兩端進(jìn)行削壁式回收，兩端各回采7.5 m；第三步，回收鐵礦柱中間剩余的15 m，自上而下依次分段崩落2 150、2 085、2 020 m中段的間柱及頂柱，同時，頂板及上盤圍巖會在誘導(dǎo)作用下自然崩落或強(qiáng)制崩落并形成廢石墊層，各中段崩落礦石在覆蓋巖層下放礦。

此外，原分段空場法無法滿足鐵礦擴(kuò)能要求，因中區(qū)擬采用的階段礦房法轉(zhuǎn)分段崩落法的生產(chǎn)能力較大，故需優(yōu)化采礦方法并優(yōu)先回采中區(qū)。根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀，確定礦山開采方案調(diào)整過渡期為3 a，過渡期需合理規(guī)劃各采區(qū)、各中段采供礦量，確保三級礦量平衡；同時，過渡期需完成2 215 m中段以下開拓系統(tǒng)調(diào)整工程，建成2 020 m中段有軌運(yùn)輸系統(tǒng)，以確保第3 a末采礦生產(chǎn)從2 215 m 中段順利過渡到2 020 m 中段。采掘規(guī)劃中，第1 a各采區(qū)、各中段累計需中深孔鑿巖 93 萬 m，掘進(jìn) 30 萬 m3；第 2 a 鑿巖 88 萬 m，掘進(jìn)38.9萬m3；第3 a鑿巖107萬m，掘進(jìn)27萬m3。

2.3 采礦方法優(yōu)化

對于協(xié)同開采范圍內(nèi)7#～21#線2 150、2 085、2 020 m 中段的釩鐵礦，鐵礦為主導(dǎo)開采礦種。礦山現(xiàn)行采礦方法以分段空場法為主［14］，礦房沿走向長22.5 m，礦柱長12.5 m，礦石回收率70%～73%，僅依靠間柱支撐采場穩(wěn)定性，礦柱無法回收，積壓礦量較大。因此，需采用不同的采礦方法進(jìn)行分區(qū)設(shè)計與分區(qū)回采。

東區(qū)及西區(qū)鐵礦采用階段礦房嗣后膏體微膠結(jié)充填法開采，上向扇形中深孔落礦，分段鑿巖，階段出礦。階段礦房法采場沿走向布置，沿走向長50 m，其中礦房42 m，間柱8 m，階段高65 m，分段高15～20 m，礦塊厚度為礦體厚度10～20 m，不留頂?shù)字?，底部結(jié)構(gòu)采用平底結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場生產(chǎn)表明，該方法礦石回收率82%，礦石貧化率8%，礦塊生產(chǎn)能力達(dá)到1 000～1 200 t/d。

中區(qū)鐵礦采用階段礦房法轉(zhuǎn)分段崩落法，階段礦房法采場沿走向布置，長60 m，其中一步驟礦房30 m，二步驟30 m 礦柱作為上盤釩礦的開采通道；階段高65 m，分段高15～20 m，礦塊厚度為礦體厚度，不留頂?shù)字?。中段間回采順序從上往下，即依次回采2 150、2 085、2 020 m 中段。該方法礦石回收率91%，貧化率13%，礦塊生產(chǎn)能力達(dá)到1 400～1 600 t/d；其特點(diǎn)是一步驟礦房采場（50%礦量）分段鑿巖、階段出礦，二步驟礦柱采場（50%礦量）分段崩落一半（25%礦量）進(jìn)行空場放礦，另一半（25%礦量）崩落后在覆巖緩沖層下放礦。

釩礦開采在下盤鐵礦開采并充填結(jié)束后進(jìn)行，各分區(qū)采礦方法均以階段礦房法或分段空場法為主。階段之間及階段內(nèi)各分段的開采順序均為下行式，礦塊間的開采順序?yàn)閺闹醒胪瞬傻絻啥?。釩礦采場結(jié)構(gòu)參數(shù)及構(gòu)成要素與東、西區(qū)鐵礦基本相同?？紤]到釩礦體的穩(wěn)定性較差，礦體厚度為6～15 m、傾角大于30°時，采用分段空場法；礦體厚度大于15 m、傾角大于50°時，采用階段礦房法，局部區(qū)段緩傾斜礦體采用房柱采礦法。

2.4 地壓管理

對于開采環(huán)境較復(fù)雜的礦區(qū)，采用崩落法及充填法協(xié)同處理地壓危害可取得較好的效果［15］。開采時及開采后七角井礦區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性主要通過崩落及充填來實(shí)現(xiàn)，中區(qū)崩落頂板及上盤圍巖處理采空區(qū)，東、西區(qū)采用膏體充填采空區(qū)。

中區(qū)鐵礦石第一、第二步及釩礦回采結(jié)束后，依次崩落 2 150、2 085、2 020 m 中段剩余的 15 m 礦柱，崩落礦石落至底部空區(qū)；同時，頂板及上盤圍巖在大空場的誘導(dǎo)下自然冒落，或強(qiáng)制崩落上盤圍巖形成廢石墊層。廢石墊層厚度一般不小于2 倍的分層高度（30 m），考慮到鐵礦體多為緩傾斜礦體，實(shí)際緩沖層高度控制在15～20 m。廢石墊層不僅能吸收崩落圍巖所產(chǎn)生的沖擊壓力并保護(hù)底板，也能降低采空區(qū)崩落圍巖所產(chǎn)生的壓縮氣流速度，從而減少空氣沖擊波危害［16］。

東、西區(qū)鐵礦石開采后進(jìn)行膏體充填，膏體充填具有不分層、不離析、不脫水、流動性好、可連續(xù)作業(yè)等技術(shù)優(yōu)勢［17-18］，能較好地滿足大空場嗣后充填要求，充分保障上盤釩礦安全開采。東、西區(qū)設(shè)計的空場嗣后膏體充填強(qiáng)度僅需滿足固結(jié)或自立要求，下部及中部微膠結(jié)充填體強(qiáng)度大于0.5 MPa，接頂層的膠結(jié)充填體強(qiáng)度大于2.5 MPa［19］。目前，礦山已建成兩套膏體充填系統(tǒng)（圖3），充填能力為160 m3/h，能滿足礦山53.6 萬m3/a 的充填要求。充填材料以礦山自產(chǎn)固體廢棄物干拋尾、尾砂、粉煤灰為主，可消耗礦山固廢86 萬t以上，其中全尾砂65.3～71.3 萬t/a，干拋尾 18.4～27.9 萬 t/a，水泥 3.2～3.8 萬 t/a，粉煤灰 2.83萬t/a。微膠結(jié)時充填濃度為78%，尾拋比7：3，灰砂比 1∶25，28 d 強(qiáng)度為 1.29 MPa；接頂時充填體濃度79%，尾拋比7∶3，灰砂比1∶15，28 d強(qiáng)度為3.02 MPa。

3 結(jié) 論

（1）對走向長超過4 km 且近似平行產(chǎn)出的七角井釩、鐵雙層礦體進(jìn)行“平面分區(qū)、采鐵保釩”協(xié)同開采，東區(qū)及西區(qū)采用階段礦房嗣后膏體微膠結(jié)充填法，中區(qū)采用階段礦房法轉(zhuǎn)崩落法，東區(qū)、中區(qū)及西區(qū)鐵礦石回收率分別比礦山原有分段空場法提高了9%、21%及12%。通過有效減少采下?lián)p失、水平礦柱損失及間柱損失，礦山二期設(shè)計開采鐵礦儲量比原方案增加了1 064.7萬t。

（2）工程空間上，釩、鐵礦體共用一套開拓與采準(zhǔn)系統(tǒng)；開采時序上，實(shí)現(xiàn)了空場法向崩落法與充填法協(xié)同的過渡，達(dá)到了鐵礦生產(chǎn)能力360 萬t/a 的條件；同時，提高了上盤釩礦的開采安全性，具備了釩礦隨時開采與長期不采的靈活性。

（3）中區(qū)形成的廢石緩沖層厚度為15～20 m，同時崩落頂板及上盤圍巖；東、西區(qū)引進(jìn)膏體充填，每年消耗干拋尾、尾砂、粉煤灰等礦山固體廢棄物86萬t 以上，不僅保障了礦區(qū)開采時及開采后的區(qū)域穩(wěn)定性，也有效預(yù)防了井下采空區(qū)冒落、垮塌等地壓災(zāi)害。