大紅山鐵礦某富礦體階段預(yù)留頂柱安全回采工藝研究

邢志華 劉明許 徐艷方

（玉溪大紅山礦業(yè)有限公司）

大紅山鐵礦某富礦體位于S12線以南、A31~A34W勘探線，賦存標(biāo)高為320 m以下，走向?yàn)镾W—NE向，走向長度約為170 m，傾角在45°~72°，傾向NW，礦體厚度為13~35 m。其中280 m標(biāo)高以上已回采結(jié)束。280 m標(biāo)高以下富礦體主要分布在勘探線A31'～A33，標(biāo)高為200~280 m，已探明地質(zhì)儲(chǔ)量113.95萬t，綜合地質(zhì)品位為54.45%，以富礦為主。礦體總體呈東西展布，向北傾斜。礦體傾角變化范圍為30°～45°，礦體整體屬于緩傾斜礦體，傾角變化不大，只有局部礦體為陡傾斜礦體（A31'～A32），礦體傾角達(dá)65°。

該礦體自上而下劃分為2個(gè)階段開采，階段間預(yù)留10 m厚隔離礦柱，礦柱礦石資源儲(chǔ)量約8.87萬t，地質(zhì)品位56.05%，若不進(jìn)行開采，將會(huì)造成不可再生資源的浪費(fèi)，同時(shí)給礦山企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本研究主要通過開展回采工藝技術(shù)研究，充分利用充填采礦法工藝技術(shù)優(yōu)勢，提出預(yù)留頂柱安全開采方案，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源最大化利用。

1 采礦方法選擇

該富礦體第一個(gè)階段采用兩步驟分段空場嗣后充填法和上向分層充填法進(jìn)行開采，一步驟回采礦柱，二步驟回采礦房，礦柱回采結(jié)束后采用混凝土塊石回填，礦房采用矸石回填。礦柱開采成本高且效率低，采空區(qū)充填時(shí)選用混凝土和矸石作為骨料，流平性能差，最終導(dǎo)致采空區(qū)充填不密實(shí)，接頂不充分，對上部永久工程也帶來一定的次生安全威脅。為提高資源利用率和保護(hù)井下重要工程的安全穩(wěn)定，第二階段的礦體仍采用兩步驟分段空場嗣后充填法進(jìn)行開采，礦體開采后形成的采空區(qū)則考慮選用尾砂進(jìn)行充填并接頂。2個(gè)階段開采結(jié)束后，階段預(yù)留頂柱懸吊位于上下采空區(qū)之間，三者關(guān)系見圖1。

基于預(yù)留頂柱特殊的賦存條件，結(jié)合大紅山鐵礦采礦技術(shù)工藝水平、設(shè)備狀況，本研究初選分段空場法、普通房柱法、點(diǎn)柱式充填法和進(jìn)路式充填采礦法4種采礦方法進(jìn)行對比，從安全管理、工藝技術(shù)特點(diǎn)、投資費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)效益等多方面綜合比較，最終選用進(jìn)路式充填法對頂柱進(jìn)行回采。其工藝主要特點(diǎn)：①第二階段的充填頂兼作為回采頂柱的采準(zhǔn)、運(yùn)輸工程，建設(shè)投資費(fèi)用??；②通過優(yōu)化頂柱下部空區(qū)充填參數(shù)，對采空區(qū)接頂面層進(jìn)行膠結(jié)充填，形成工作平臺(tái)，采掘設(shè)備可直接在充填面上進(jìn)行作業(yè)；③采用膠結(jié)充填體置換礦柱，無礦柱損失，礦石回采率較高，相比其他采礦方法而言，回采率可高出約15個(gè)百分點(diǎn)；④采場回采單元按條帶劃分，活動(dòng)采場充沛，充填與回采工作可間隔推進(jìn)，生產(chǎn)循環(huán)靈活；⑤采空區(qū)充填時(shí)，全膠結(jié)充填與分級尾砂嗣后充填相間進(jìn)行，充填成本低。頂柱回采示意見圖2。

2 回采工藝

第二階段礦體回采結(jié)束后先采用矸石和尾砂混合充填采空區(qū)，充填至預(yù)留頂柱下部一定位置并經(jīng)充分脫水后進(jìn)行面層膠結(jié)充填，面層充填厚度設(shè)計(jì)為1~1.5 m，為滿足人員、設(shè)備的安全通行，膠結(jié)面層強(qiáng)度要求R28不低于2 MPa。

采場礦房沿礦體走向劃分條帶，條帶編號(hào)1#、2#……，礦房設(shè)計(jì)寬度8~10 m。第一步驟回采1#、3#、5#……條帶，第二步驟回采2#、4#、6#……條帶，每個(gè)條帶回采結(jié)束后立即進(jìn)行充填并接頂，以保護(hù)礦層頂板巖體的穩(wěn)定。一步驟采空區(qū)采用全膠結(jié)充填，充填體強(qiáng)度要求R28不低于2 MPa，二步驟回采結(jié)束后采用矸石和尾砂混合充填并接頂即可。整體回采順序可自兩端向中間推進(jìn)，也可自一端向另一端順序推進(jìn)。

礦房回采時(shí)優(yōu)先回采進(jìn)路的壓頂回采，直至揭穿礦體下盤邊界后再進(jìn)行兩側(cè)礦體的回采。為保證礦房內(nèi)頂板的穩(wěn)定，結(jié)合大紅山鐵礦的實(shí)際情況，壓頂高度和寬帶均控制在4 m以內(nèi)，礦房最終寬度為設(shè)計(jì)寬度值。鑿巖設(shè)備選用BR-281型或其他系列鑿巖臺(tái)車，鑿巖孔深為3.5 m，炮眼排距為0.7~0.9 m，孔距為0.8~1.0 m。爆破選用32 mm巖石乳化炸藥卷，毫秒非電導(dǎo)爆雷管起爆，排間進(jìn)行微差爆破，間隔時(shí)間為25~50 ms，控制爆破層采用導(dǎo)爆索起爆，后續(xù)一次齊發(fā)爆破。點(diǎn)火方式為起爆器配磁電雷管。

3 頂板安全管理

冒頂片幫是地下礦山的主要危害，大量殘留的采空區(qū)、硐室、巷道的冒頂片幫對礦山開采帶來了安全隱患，給井下工作人員和設(shè)備帶來嚴(yán)重的安全威脅［1］。由于頂柱賦存條件較為特殊，頂柱礦房回采過程中對于頂板的安全管理尤其重要。采取的安全保障措施主要有頂板光面爆破、支護(hù)+機(jī)械化撬毛技術(shù)和頂板顯像化管理。

（1）光面爆破主要特點(diǎn)是在爆破控制邊界采取較密布孔，不耦合間隔裝藥，在主炮孔響后起爆光面炮孔，使裂隙沿孔聯(lián)線發(fā)展，形成光面，以起到控制和保護(hù)爆破邊界，減小爆破對邊界的影響和破壞，從而減少對控制邊界的處理［2］。頂柱礦房回采進(jìn)路壓頂至礦體下盤邊界后，自上盤至下盤推進(jìn)回采，整體分為2次成型，頂板控制爆破層炮眼間距0.6~0.8 m，控制爆破層厚度0.5~0.7 m。每循環(huán)爆破后，采用專用機(jī)械設(shè)備對頂板松石進(jìn)行全面清理，在下一循環(huán)鑿巖前對頂板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)材料多選用φ40 mm×2 200 mm型管縫式錨桿，錨桿呈梅花型布置，垂直巖面施工。

（2）頂板顯像化管理。巷道成型后，通過涂層設(shè)備對巷道裸巖面涂層，涂層后巷道光鮮明亮，瑕疵分明。通過涂層的顯像作用，顯著增強(qiáng)冒頂片幫的觀測能力，通過及時(shí)處理，大幅度降低冒頂片幫事故的發(fā)生。

4 膠結(jié)充填物料配比及材料選型

（1）尾砂粒級組成分析。粒級組成分析用于測定尾砂顆粒組成尺寸及含量，傳統(tǒng)的方法為篩分法和水析法［3］。現(xiàn)代新興科技的發(fā)展使激光和微電子技術(shù)應(yīng)用到粒度測量領(lǐng)域，產(chǎn)生了先進(jìn)的激光粒度分析技術(shù)，它利用激光粒度分析儀，根據(jù)激光與顆粒之間相互作用的光散射原理（Fraunhofer衍射理論和Mie光散射理論等），得到激光探測到的顆粒粒徑及其分布。該法減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了樣品檢測速度及測試精準(zhǔn)度。

大紅山鐵礦二選廠尾砂粒度測試采用BT-9300ST型激光粒度測試儀，測試分析結(jié)果見表1，圖3為大紅山鐵礦二選廠尾砂粒級組成曲線。

可用不均勻系數(shù)α表征尾砂粒級組成的均勻程度，計(jì)算公式為

式中，d10、d60分別是累計(jì)含量為10%、60%顆粒能夠通過的篩孔直徑，μm。

從表1中可看出，大紅山鐵礦二選廠尾砂d10為2.589μm，d50為39.35μm，d60為54.47μm，d90為145.3 μm，小于37μm的尾砂量為48.72%，，大于74μm的尾砂量為29.45%，尾砂中粗顆粒含量較少，屬于細(xì)尾砂。根據(jù)計(jì)算公式求得大紅山鐵礦二選廠尾砂不均勻系數(shù)為21.04，尾砂顆粒不均勻系數(shù)大于5，結(jié)合粒徑分布曲線可認(rèn)為顆粒級配不均勻。

?

（2）物料配比和材料選型。為滿足生產(chǎn)工藝參數(shù)要求和利于成本管控，需對膠結(jié)物料配比和膠結(jié)材料進(jìn)行選型分析，通過實(shí)驗(yàn)室方法確定最佳物料配比和最優(yōu)材料型號(hào)。實(shí)驗(yàn)采用充填制備站分級尾砂作為充填骨料，分別按照一定比例添加膠結(jié)材料攪拌混合形成充填試塊，試塊初凝后，脫模放入恒溫恒濕箱內(nèi)進(jìn)行保養(yǎng)，分別測定7 d和28 d單軸抗壓強(qiáng)度值，作為材料選型依據(jù)。

試驗(yàn)時(shí)選取當(dāng)前礦山所用普通325#硅酸鹽水泥和某企業(yè)研發(fā)的新型膠凝材料作為試驗(yàn)?zāi)z固料。分別按1∶4、1∶6和1∶8等灰砂比制作形成澆注試塊，試塊尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm（長×寬×高，保養(yǎng)7 d和28 d后分別進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次測試。

充填體抗壓強(qiáng)度采用下式計(jì)算。

式中，Rn為充填實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪K被養(yǎng)護(hù)達(dá)nd時(shí)所達(dá)到的極限抗壓強(qiáng)度，MPa；F為試驗(yàn)破壞時(shí)的最大荷載，kN；S為充填實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪K垂直所施加載力方向的模型橫面積，cm2。

7 d和28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別見表2和表3［4］。

通過表2和表3數(shù)據(jù)可得出：

?

?

（1）在灰砂比和保養(yǎng)期齡相同的條件下，采用新型膠結(jié)材料作為膠固料的充填體單軸抗壓強(qiáng)度均比普通325#水泥膠結(jié)強(qiáng)度高。采用新型膠結(jié)材料進(jìn)行礦柱膠結(jié)充填，當(dāng)灰砂比1∶10時(shí)即能滿足礦柱膠結(jié)強(qiáng)度要求，而普通325#水泥膠結(jié)配比需要達(dá)到1∶7左右才能滿足工藝要求。

（2）在滿足工藝要求的前提下，降低膠結(jié)灰砂比例可降低單位采礦成本。按照新型膠結(jié)材料和普通325#水泥進(jìn)行計(jì)算比較，采用新材料充填時(shí)，單位采礦成本可降低5元/t。

（3）新型膠凝材料早期強(qiáng)度增長快，對于生產(chǎn)任務(wù)緊迫的回采區(qū)域，可采用新型膠凝材料充填，能有效縮短采場循環(huán)周期。為確保頂柱礦房的安全低成本開采，可優(yōu)選新型膠凝材料作為充填膠固料。

5 經(jīng)濟(jì)效益測算

通過工藝設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)可采出頂柱殘礦量約5萬t，采出鐵礦石品位48.76%。按照240元/t凈利潤計(jì)算，可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值1 200萬元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié) 語

井下殘留礦柱的安全開采技術(shù)條件極為復(fù)雜，是當(dāng)今采礦技術(shù)的一大難題［5］。安全開采預(yù)留礦柱，可最大限度地回收礦產(chǎn)資源，促進(jìn)礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)利用，提高企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。本研究結(jié)合大紅山鐵礦某富礦體頂柱實(shí)際賦存條件，研究利用高大采空區(qū)充填體作為作業(yè)平臺(tái)，頂柱采用進(jìn)路式充填法回采，通過多種采礦方法的結(jié)合以及充分利用尾砂充填采空區(qū)的優(yōu)勢，最大限度回收頂柱殘余礦石資源。本開采方案可為其他類似礦柱殘礦的安全回采提供指導(dǎo)，具有良好的社會(huì)效益。