李月先 劉允秋 武 飛

(1.南京水利科學(xué)研究院；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

?

上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法在施墩鐵礦的應(yīng)用

李月先1劉允秋2,3,4武 飛2,3,4

(1.南京水利科學(xué)研究院；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

施墩鐵礦礦石品位高，回收價(jià)值大，但地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，涌水量較大，由于該礦區(qū)地處平原，地表多為良田，地表不允許陷落。為了更多地回收礦石，維持地壓平衡，根據(jù)該礦床的礦體賦存特征、開(kāi)采技術(shù)條件，選擇空?qǐng)龇ê统涮罘ㄟM(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合分析對(duì)比，最終確定采用上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法,保證了地表生態(tài)平衡及礦山經(jīng)濟(jì)效益。

上向水平分層充填采礦法 采空區(qū) 膠結(jié)充填

太平礦業(yè)有限責(zé)任公司施墩鐵礦位于長(zhǎng)江西岸，礦區(qū)范圍由4個(gè)拐點(diǎn)坐標(biāo)組成，開(kāi)采面積 0.286 2 m2，礦體傾角大多10°～15°，部分礦體傾角40°左右。該礦石品位高，TFe平均品位在46%左右，品位相對(duì)穩(wěn)定，且分布均勻，回收價(jià)值大。但地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，涌水量較大，礦區(qū)地下水是以地下逕流形式滲流，總流向由南而北，和長(zhǎng)江在本區(qū)域的流向一致，地下水位坡降很小，礦區(qū)各類(lèi)含水層均有程度不等的水力聯(lián)系。礦區(qū)附近有村莊、農(nóng)田、公路等，地表不允許陷落。為了回采更多的礦石，且維持地壓平衡，依據(jù)開(kāi)采條件，亟需選擇一種回收率高、保證開(kāi)采區(qū)地表不陷落，保護(hù)地表生態(tài)平衡的采礦方法。

1 開(kāi)采方案

礦山建設(shè)規(guī)模為20萬(wàn)t/a，礦山總服務(wù)年限為10 a，其中達(dá)產(chǎn)期1 a(含基建期1.0 a)，減產(chǎn)期1 a，穩(wěn)產(chǎn)期8 a。

采用地下開(kāi)采。在礦體走向上，由東向西后退式回采；在礦塊內(nèi)自下而上開(kāi)采，首采-185 m中段。

2 采礦方法選擇

2.1 采礦方法選擇原則

①生產(chǎn)安全，有良好的作業(yè)條件和環(huán)境；②適應(yīng)性和靈活性強(qiáng)，能適應(yīng)礦體形態(tài)的變化；③生產(chǎn)能力大，效率高；④貧化損失率小；⑤技術(shù)先進(jìn)，工藝簡(jiǎn)單可靠；⑥有利于地壓管理，能保證采區(qū)不貫通第四系含水層；⑦能耗少，成本低，投資省，經(jīng)濟(jì)效益好；⑧采切工程量小，建設(shè)時(shí)間短，投產(chǎn)快。

2.2 采礦方法選擇的影響因素

(1)礦床地質(zhì)因素。礦區(qū)內(nèi)主要礦體埋藏50～188 m，為一隱伏熱液充填為主的接觸交代～熱液型鐵礦床，礦體圍巖多為大理巖類(lèi)、方解石巖類(lèi)、閃長(zhǎng)巖類(lèi)，部分為角巖類(lèi)、少量角礫巖及安山玢巖。受地下水壓力大等綜合因素的作用，工程地質(zhì)條件穩(wěn)定性差，危害性突出。

(2)水文地質(zhì)因素。區(qū)內(nèi)第四系埋藏厚度大，富水性強(qiáng)；礦床埋藏較深，礦體及其頂板巖層富水性中～強(qiáng)，巷道直接進(jìn)水，水壓大；裂隙巖溶含水層與第四系含水層之間雖有厚度0～26 m弱透水巖層起到相對(duì)隔水作用，但在構(gòu)造裂隙、巖體接觸帶裂隙發(fā)育處或該層變薄尖滅處，往往是第四系強(qiáng)含水層與裂隙巖溶含水層溝通的有利通道，故未來(lái)巷道突水現(xiàn)象嚴(yán)重。本礦床屬于頂板直接進(jìn)水，有穩(wěn)定的地下水補(bǔ)給來(lái)源，故其水文地質(zhì)條件屬于復(fù)雜類(lèi)型。

(3)其他。礦區(qū)地表多為農(nóng)田、村莊，有地方公路從地表移動(dòng)范圍內(nèi)通過(guò)，地表不允許陷落。

2.3 采礦方法比較

根據(jù)施墩鐵礦床的礦體賦存特征、開(kāi)采技術(shù)條件及水文地質(zhì)條件，特別是該礦區(qū)地處平原，地表多為良田，地表不允許陷落的情況，選擇充填采礦法、空?qǐng)霾傻V法。該兩種采礦方法的比較見(jiàn)表1。

采用無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備(鏟運(yùn)機(jī))出礦。通過(guò)對(duì)比分析，選擇上向水平分層尾砂充填法開(kāi)采。該采礦方法具有回采率高，機(jī)械化程度高，礦塊生產(chǎn)能力大，勞動(dòng)生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。

表1 充填采礦法和空?qǐng)霾傻V法對(duì)比

3 上向水平分層尾砂膠結(jié)充填采礦法

3.1 采礦方法構(gòu)成要素

礦塊沿礦體走向布置。依據(jù)礦巖穩(wěn)固情況及礦體賦存條件，礦塊寬度取6～8 m，礦塊長(zhǎng)度取50 m，單個(gè)采場(chǎng)頂板暴露面積控制在400 m2以下。礦塊垂高為中段高度50 m，間柱6 m，底柱高5 m，不留頂柱。

3.2 采準(zhǔn)切割

采準(zhǔn)工程主要有脈外運(yùn)輸巷、裝礦穿脈、人行通風(fēng)天井、聯(lián)絡(luò)道、礦石溜井、充填回風(fēng)井等；切割工程有切割巷道。

首先施工脈外運(yùn)輸巷道(2.4 m×2.6 m)，并垂直礦體方向掘進(jìn)裝礦穿脈(2.1 m×2.2 m)。自裝礦穿脈上掘溜礦井(φ2.0 m)至底柱上側(cè)，上部各分層采用順路架設(shè)的鋼溜井。平底結(jié)構(gòu)，在底柱上側(cè)向兩翼施工切割巷(1.8 m×2.0 m)至設(shè)計(jì)位置止，并切采至礦體上盤(pán)邊界。在切割平巷、靠近間柱上

掘脈內(nèi)人行通風(fēng)天井(1.8 m×2.0 m)，掘進(jìn)天井聯(lián)絡(luò)道(1.8 m×2.0 m)至礦房。

每個(gè)礦塊布置一個(gè)充填回風(fēng)井、一個(gè)順路架設(shè)的礦石溜井和行人泄水井及一個(gè)人行通風(fēng)天井。上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法采切工程量見(jiàn)表2，采礦方法見(jiàn)圖1。

表2 上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法采切工程量

圖1 上向水平分層膠結(jié)充填采礦方法(單位：m)

礦塊的采切比為13.92 m/kt(標(biāo)準(zhǔn)m)，副產(chǎn)礦石率13.0%。

3.3 回采工作

3.3.1 礦石開(kāi)采量的分配

礦山副產(chǎn)礦石率為13.0%，達(dá)到20萬(wàn)t/a生產(chǎn)能力時(shí)的產(chǎn)量分配見(jiàn)表3。

t

3.3.2 回采工序

回采工序主要有鑿巖、爆破、通風(fēng)、出礦、平場(chǎng)、充填[1]。

3.3.2.1 鑿巖爆破

采用YT-28風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)淺孔鑿巖,孔徑42 mm，孔深2.5 m，孔距1.2 m，排距1.0 m。炮孔崩礦量1.6 t/m、鑿巖機(jī)臺(tái)班效率取40 m、鑿巖機(jī)年作業(yè)率取60%。經(jīng)計(jì)算，每個(gè)礦塊需配置1臺(tái)YT-28鑿巖機(jī)，共需6臺(tái)。

采用乳化炸藥，人工裝藥，對(duì)于尺寸大于400 mm 的塊礦采用人工或爆破進(jìn)行二次破碎[2]。

上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法回采計(jì)算見(jiàn)表4。

表4 上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法回采計(jì)算

考慮到采場(chǎng)內(nèi)出礦死角和不規(guī)則的邊角礦體無(wú)法回采的損失以及礦體尖滅處留作隔水礦柱損失，井下礦石實(shí)際回采率要略小于95%。另外，由于實(shí)際生產(chǎn)中礦柱視情況進(jìn)行回采，貧化率也會(huì)隨之降低。經(jīng)計(jì)算，礦山達(dá)產(chǎn)20萬(wàn)t/a時(shí)，主要回采設(shè)備裝置見(jiàn)表5，主要回采材料消耗見(jiàn)表6。

表5 主要回采設(shè)備 臺(tái)

3.3.2.2 采場(chǎng)運(yùn)搬與放礦

每個(gè)采場(chǎng)需布置1臺(tái)2JPB電耙，共需6臺(tái)。采場(chǎng)內(nèi)采出礦石經(jīng)電耙裝入1.5 m3礦車(chē)，直接提升出礦。

3.3.2.3 礦柱回收

設(shè)計(jì)留設(shè)有5m高的底柱(巖石)和6 m寬的間柱,待本中段所有礦房出礦工作結(jié)束后，采取上向水平分層尾砂膠結(jié)充填法進(jìn)行間柱回收。

表6 主要回采材料消耗量

3.3.2.4 頂板管理與采空區(qū)處理

(1)頂板管理。采場(chǎng)內(nèi)爆破完通風(fēng)40 min后，撬毛工進(jìn)行撬毛問(wèn)頂，安全檢查，以保證采場(chǎng)內(nèi)安全作業(yè)。對(duì)于頂板不穩(wěn)固的局部地段設(shè)計(jì)采用錨桿或錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，必要時(shí)采取錨桿及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，對(duì)于巖石及其破碎地段進(jìn)行砌碹支護(hù)。

(2)空區(qū)管理。采用尾砂膠結(jié)充填法對(duì)空區(qū)進(jìn)行充填，維持地壓平衡。

3.4 充 填

充填材料為選廠(籌建中)磨礦后的全尾砂，不足部分采用河沙、廢石等補(bǔ)充。膠凝材料選擇強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥或礦渣水泥。采場(chǎng)出礦完畢，清理好底板粉礦后架接充填管路。

采用尾砂膠結(jié)充填，灰砂比為1∶6～1∶8，充填管路由中央天井敷設(shè)，泄水由鋼結(jié)構(gòu)泄水井泄入中段巷道。泄水井采用φ1 500 mm、8 mm厚鋼板制成，筒壁鉆φ25 mm的孔，外圍包麻布。充填系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

3.5 采場(chǎng)通風(fēng)

采場(chǎng)內(nèi)采用YBT-5.5和YBT-11局扇通風(fēng)，每次爆破完畢，新鮮風(fēng)流進(jìn)入采場(chǎng)工作面，污風(fēng)經(jīng)由人行天井、上部充填回風(fēng)井排出，通風(fēng)約40 min后由礦山安全工作人員對(duì)采場(chǎng)、掌子面進(jìn)行有毒氣體檢測(cè)，達(dá)標(biāo)后作業(yè)人員方可進(jìn)入采場(chǎng)作業(yè)。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

采礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表7。

通過(guò)采礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，充填采礦法具有礦石回收率高、貧化率低、可以有效控制地壓、采礦安全性高、綜合利用率高、減少尾砂堆存占用土地、保證地表生態(tài)平衡等優(yōu)點(diǎn)。另外，由于采用無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)備(鏟運(yùn)機(jī))出礦，上向水平分層尾砂充填法采礦還具有回采率高、機(jī)械化程度高、礦塊生產(chǎn)能力大、勞動(dòng)生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)采礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，綜合各方面因素，施墩鐵礦采用上向水平膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行開(kāi)采。不僅解決了地表不允許塌陷、不允許污染等問(wèn)題，還具有較強(qiáng)的安全性，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益較顯著。

[1] 呂志文,劉允秋.上向水平分層膠結(jié)充填法在東際金礦的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2016(5):32-33.

圖2 充填系統(tǒng)

項(xiàng)目礦石回采率/%貧化率/%采切比/(m/kt)副產(chǎn)礦石率/%出礦能力/(t/d)TFe出礦品位/%礦石容重/(t/m3)同時(shí)工作礦塊數(shù)/個(gè)數(shù)量9511.4113.9213.011035.253.456備注標(biāo)準(zhǔn)礦塊計(jì)算值標(biāo)準(zhǔn)礦塊計(jì)算值(綜合貧化率8.5%)

[2] 王運(yùn)敏.中國(guó)采礦設(shè)備手冊(cè)：上冊(cè)[M].北京:科學(xué)出版社，2007.

2016-07-27)

李月先(1969—)，男，高級(jí)工程師，210000 江蘇省南京市廣州路223號(hào)。