石人溝鐵礦民采空區(qū)殘礦回收關鍵技術*

杜英男 李曉東 盧宏建

（1.河鋼集團礦業(yè)公司石人溝鐵礦；2.華北理工大學礦業(yè)工程學院）

石人溝鐵礦為露天轉地下礦山，地下采礦工程分三期進行，其中一、二期工程分別于2001年和2003年開始基建，采礦方法為淺孔留礦法；三期工程于2006 年開始基建，采礦方法為分段空場嗣后充填法。自21世紀初，受礦石價格持續(xù)走高影響，石人溝鐵礦周邊民采活動日趨頻繁，在井下形成了大量低分段采空區(qū)。隨著第三期井下開拓采準工程的不斷推進，這些民采空區(qū)逐漸被發(fā)現(xiàn)，不僅給礦山生產(chǎn)工作帶來諸多不便，而且存在相當大的安全隱患。對已揭露采空區(qū)現(xiàn)場踏勘后，歸納民采活動存在如下特點：①開采極不規(guī)范，礦房間柱、點柱較少，頂板暴露面積大；②采富棄貧，礦石回收率低；③采空區(qū)交錯復雜，或相互連通，或頂?shù)装遢^?。虎懿糠挚諈^(qū)內存在積水、毛石、尾砂、風水管路、風筒布及棄用設備設施等。

由于分段空場法具有特殊性，無法將采空區(qū)上下部的礦石回收干凈。為最大程度回收礦石資源，提高礦石回收率，礦山正在探求一種更為安全可靠、經(jīng)濟合理的采礦方案用以回收民采空區(qū)上下部礦石［1-6］。

1 殘礦回收試驗區(qū)域選取

石人溝鐵礦在三期工程施工過程中分別在6 個水平發(fā)現(xiàn)大小不等的民采空區(qū)28 處，頂板暴露面積從幾百平至幾千平不等。其中，在-90 m 水平M1、M4礦體內累計揭露空區(qū)9 處，本次選取較為典型的11#～13#勘探線M4礦體內的民采空區(qū)進行采礦技術研究及現(xiàn)場試驗。

該民采空區(qū)位于-90～-75 m 水平，空區(qū)底板標高為-83.7 m，平均采高為6.5 m，寬度為12.0 m，走向長度為151.6 m，在中間部位留有1.5 m 間柱，整體暴露面積約為1 895 m2。

2 試驗區(qū)域殘礦回收原則與礦房劃分

回收民采空區(qū)上下部礦體時應遵循以下原則：①空區(qū)在礦石回收完畢后上盤與頂板暴露面積應滿足采礦設計手冊要求，如表1 所示；②民采空區(qū)內原有礦柱應被充分保留；③充分利用現(xiàn)有巷道來降低回收費用。

M4礦體水平厚度平均為12 m，礦房走向長度為43 m，采高為51 m，回收完畢后頂板暴露面積為516 m2，上盤暴露面積為2 193 m2，滿足設計要求。

3 殘礦回收關鍵技術

石人溝鐵礦一、二期工程均采用平底結構淺孔留礦法進行回采，該方法在礦山生產(chǎn)中技術已相當成熟。三期工程采礦方法為分段空場嗣后充填法，該回收技術經(jīng)過10 余年的不斷優(yōu)化改進，已經(jīng)具備安全高效回收礦體的能力。綜合考慮民采空區(qū)頂板暴露面積和頂?shù)装甯卟钸^大、底板坑洼不平、作業(yè)條件較差的現(xiàn)狀，以及礦山具有進口281 型掘進臺車3臺、1254 型采礦臺車4 臺、4 m3鏟運機5 臺的設備條件，最終確定民采空區(qū)上部礦體采用平底結構淺孔留礦法，下部礦體采用分段空場法的聯(lián)合開采技術方案。

3.1 平底結構淺孔留礦法回收方案

3.1.1 回采后爆堆體積與采空區(qū)體積核算

按正常礦房開采順序來說，在施工前需進行采切工程設計與論證。但是，由于民采空區(qū)的存在，出現(xiàn)了礦體回收前已形成一定的落礦補償空間現(xiàn)象。為此，在做礦房采切工程設計前應對回收區(qū)域爆堆體積與回收完畢后的采空區(qū)體積進行核算。當爆堆總體積大于采空區(qū)總體積時，應考慮通過增加采切工程的方式來滿足落礦工作的正常進行；當爆堆總體積小于采空區(qū)總體積時，則不必增加采切工程，可直接進行空區(qū)內落礦工作。該試驗礦房爆堆總體積與采空區(qū)總體積對比、核實如下。

（1）爆堆總體積計算公式為

式中，V1為礦石崩落后爆堆體積，m3；L為礦房走向長度，礦房實際長度為43.0 m；W為礦體水平厚度，礦體水平厚度為12.0 m；H1為礦房回收高度，礦體實際回采高度為10.2 m，為保護-60 m中段采區(qū)整體穩(wěn)定，該礦房上部預留8.0 m 頂板；礦石崩落后松散系數(shù)為1.5。

因此，計算得V1=7 894.8 m3。

（2）采空區(qū)總體積計算公式為

式中，V2表示淺采完成后空區(qū)總體積，m3；H2表示淺采空區(qū)總高度，回采完畢采空區(qū)總高度為16.7 m。

因此，計算得V2=8 617.2 m3。

可知V2>V1（采空區(qū)總體積大于民采空區(qū)上部殘余礦石崩落后的體積），說明民采空區(qū)上部礦石在回收落礦過程中不需要底部出料。因此，在本次采礦設計過程中不需要考慮民采空區(qū)底部增設出礦結構問題。

3.1.2 礦房采切工程設計

由于不再考慮民采空區(qū)底部出礦結構的留設，故僅在劃分的礦房兩端合適區(qū)域布置人行通風天井。另外，受采空區(qū)已全部擴開影響，若按常規(guī)方法將天井布置在礦房兩側間柱內，當落礦爆堆形成后，自然安息角范圍內的礦石極易將天井下口堵住，導致天井失去行人通風作用。因此，考慮將礦房南北2條人行通風天井布置在礦體下盤邊界線外4 m 位置，天井底部在-90 m 水平，上部與-60 m 水平原有礦房脈外巷貫通，形成上下通路，人行通風天井斷面尺寸為2.0 m×1.8 m。同時，在-80，-75和-70 m水平設置分層聯(lián)絡道與采空區(qū)貫通，聯(lián)絡道尺寸為2.0 m×1.8 m。人行通風天井設計見圖1。

3.2 分段空場法回收方案

中深孔礦房能否實現(xiàn)安全高效回收主要受3 個方面影響：一是采切工程布置是否滿足回收設備運行條件，二是切割工程創(chuàng)造的補償空間是否合理、達標，三是回收爆破孔網(wǎng)參數(shù)是否滿足炸藥單耗、大塊率等生產(chǎn)指標要求。為此，僅對礦房采準工程布置、切割工程施工方式和回收爆破工藝進行簡要介紹。

3.2.1 礦房采切工程設計

該試驗礦房采用沿礦體走向布置，礦房走向長度為43 m，分2 個分段回收礦石（-120 和-105 m 水平），統(tǒng)一在礦房南側布置切割槽。其中，在-120 m水平布置礦房底部出礦結構，即沿礦體下盤布置拉底巷，在拉底巷東側布置脈外巷，在走向范圍內均勻布置3 條傾斜狀出礦進路；在-105 m 水平布置分層切割工程，即沿礦體下盤布置分層鑿巖巷，空間上與-120 m 水平拉底巷相對一致，礦房所有巷道尺寸均為4.5 m×3.8 m。分段空場礦房采切工程設計見圖2、圖3。

3.2.2 礦房重要回采工序施工設計

目前，經(jīng)過多年的研究與改進，石人溝鐵礦中深孔采礦礦房的切割井、切割槽、劈漏等重要切割工程和采礦已全部采用中深孔爆破完成，且技術成熟穩(wěn)定。由于礦山井下在用穿孔設備為Simba1254、1354型液壓鑿巖臺車，鉆頭直徑為64 mm，故所有中深孔爆破參數(shù)全部以此數(shù)據(jù)為基礎，采用理論公式計算、現(xiàn)場試驗優(yōu)化的方式進行最終確定。本次試驗礦房回收中，礦房切割井設計規(guī)格為2 m×2 m，采用64 mm+102 mm孔徑一次爆破成井技術進行施工（圖4）；切割槽孔網(wǎng)參數(shù)為1.2 m×1.5 m（孔距×排距），采用直孔拉槽技術施工（圖5）；劈漏由分布在切割井兩側的兩排扇形中深孔組成，孔底距為1.6 m，排距選為1.5 m，采用同側分段扇形劈漏技術施工；回收爆破按照孔底距和排距均為1.8 m 的孔網(wǎng)參數(shù)進行施工（圖6）。

礦房在現(xiàn)場爆破試驗中選用的是河鋼礦業(yè)化工分公司生產(chǎn)的現(xiàn)場混裝炸藥，裝藥結構為耦合裝藥，線裝藥密度為3.5 kg/m，使用的雷管為半秒延期塑料導爆管雷管，采用“簇聯(lián)”反向連接。

4 結語

石人溝鐵礦針對井下現(xiàn)有民采空區(qū)賦存情況，選取了-90～-75 m 水平11#～13#勘探線M4礦體內的民采空區(qū)作為研究對象，以安全為前提，以經(jīng)濟高效為目的，充分考慮行業(yè)規(guī)范、空區(qū)及采場現(xiàn)狀、礦山技術與裝備水平，確定了淺孔留礦法與分段空場法聯(lián)合開采技術方案。最終，通過理論計算、設計及回采試驗，成功實現(xiàn)了不出料模式下的平底結構淺孔留礦法落礦和分段空場法安全、高效一次性回收的目的，達到了預期效果，也為其他民采空區(qū)上下部礦體回收工作提供了相關依據(jù)和技術支撐。