楚立申

（武鋼資源集團大冶鐵礦  湖北  黃石  435006）

摘  要：大冶鐵礦礦石資源隨著不斷的開采日益萎縮，為提高資源利用率緩解環(huán)境壓力而選擇了充填采礦法。自實施充填采礦法以來取得了不錯的經(jīng)濟效益和社會效益。延續(xù)了礦山生產(chǎn)壽命，保證了生產(chǎn)順利進行。同時為下一步的深部開采工程總結(jié)技術(shù)數(shù)據(jù)和完善管理制度提供了重要的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無底柱分段崩落法；充填采礦法；充填站；尾砂

1  前言

武鋼大冶鐵礦位于湖北省黃石市鐵山區(qū)，是我國近代史上最早、最著名的礦山之一，已有110多年的開采歷史，是武漢鋼鐵(集團)公司重要的礦石基地，有鐵路和公路通往武漢市和黃石市，交通十分便利。

大冶鐵礦東露天采場于1958年建成投產(chǎn)，其后經(jīng)歷擴幫延深和深部挖潛開采，于2001年年底閉坑由露天轉(zhuǎn)入地下開采。

根據(jù)原武鋼礦業(yè)公司“十一五”發(fā)展規(guī)劃、大冶鐵礦東采區(qū)采礦生產(chǎn)實際情況(目前，正在-72m水平采礦，在-84m、-96m水平進行采準施工)，東采區(qū)-180m階段開拓工程的設(shè)計要進入實施階段。2007年9月委托中冶長天國際工程有限責(zé)任公司承擔(dān)大冶鐵礦東采區(qū)-180m階段開拓工程的設(shè)計工作。2008年5月，中冶長天國際工程有限責(zé)任公司編制并提交了《大冶鐵礦東采區(qū)-180m階段開拓工程初步設(shè)計》。

為保護大冶鐵礦礦區(qū)礦山公園地表的露天邊坡、防止邊坡滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，減小尾礦庫尾礦排放量及尾礦庫征地數(shù)量，并為大冶鐵礦深部采用充填法采礦工藝積累生產(chǎn)、管理經(jīng)驗。武鋼礦業(yè)公司于2008年9月委托中冶長天國際工程有限責(zé)任公司對大冶鐵礦東采區(qū)-180m階段開拓工程按充填采礦方法進行修改設(shè)計。

大冶鐵礦東露天轉(zhuǎn)地下后，-180m以上礦石儲量有700多萬t，分-60m、-120m、-180m三個階段開采，獅子山礦體-120m階段以上采用無底柱分段崩落法采礦，礦體基本開采完畢?，F(xiàn)在主要是在-180m階段進行分段空場嗣后膠結(jié)充填采礦。采場主要有-133m水平、-146m水平、-159m水平、-171m水平，礦體中部礦塊劃分為305—312，采用隔一采一的方法分為礦房、礦柱。礦塊寬度為15米，高度為13米左右，深度為礦體厚度。

2  充填采礦法實施的重要意義

2.1  我國地下鐵礦山開采方法的發(fā)展趨勢。上世紀70-80年代采用崩落法采出的鐵礦石占地下鐵礦總量的90%，空場法10%。主要代表：梅山鐵礦、弓長嶺礦鐵礦、鏡鐵山鐵礦、程潮鐵礦、金山店鐵礦。上世紀90年代采用崩落法采出的鐵礦石占地下鐵礦總量的60%，空場法30%，充填法10%。二十一世紀充填法比例達到25%，且充填采礦呈迅猛的發(fā)展趨勢。

2.2  充填采礦呈迅猛的發(fā)展趨勢的原因。國家和地方對征地拆遷要求更加嚴格，表現(xiàn)突出的山東、安徽等地，地下采礦不允許地表塌陷，故山東、安徽等地的地下鐵礦開采基本屬于充填采礦。如金嶺鐵礦（150萬噸/年），萊鋼的萊蕪鐵礦、白象山鐵礦（規(guī)模150萬噸/年）；地表有河流、鐵路、公路、良田及建筑物，不允許塌陷。如南京的棲霞山礦上方是九鄉(xiāng)河，安徽的李樓鐵礦（530萬噸/年）上方是良田，均采用充填法；地表不允許建尾礦庫，尾礦必須處理，如安徽的若普鐵礦（220萬噸/年）；安全上的考慮： 防止井下泥石流，如草樓鐵礦（300萬噸/年）地表第四系覆蓋層過厚，達120米以上。 防止自燃，如新橋硫鐵礦； 防止過深出現(xiàn)巖爆，如冬瓜山礦；節(jié)約資源，充分利用資源。如濟鋼的張馬屯鐵礦、唐山東安鐵礦等通過充填采礦，提高礦石回收率，節(jié)約資源，延長礦山壽命。

2.3  鐵礦山充填法的優(yōu)勢。（1）提高礦產(chǎn)資源利用率 （2）儲備遠景資源（3）防止地表塌陷（4）減少固體廢料排放

3  無底柱分段崩落法轉(zhuǎn)充填采礦法的應(yīng)用與實施

3.1  礦石儲量計算

根據(jù)采礦工藝要求，將礦石類型歸并為富礦Fe(Fe₁、Fe₂及Fe₁⁺△、Fe₂⁺△)和貧礦Fe₃(Fe₃、Fe₃⁺△)兩大類。分別計算獅子山、尖Ⅰ礦段-108m～-168m標高以上露采境界外階段礦石量。根據(jù)采礦工藝參數(shù)和保護礦柱界線，分別計算了尖Ⅰ礦段-108m～-168m標高以上露采境界外礦塊礦石量礦石量見表1。

表1  獅子山、尖山礦體-108～-168m礦石量    單位：萬t

3.2  礦體地質(zhì)環(huán)境

礦石主要為磁鐵礦，次為赤鐵礦、黃鐵礦并含銅、鈷、硫、金、銀等多種有用組分。礦石堅硬致密，穩(wěn)固性好。

礦體圍巖主要為大理巖、閃長巖，其次為矽卡巖。大理巖一般致密堅硬，穩(wěn)固性好，閃長巖在與礦體接觸帶附近受構(gòu)造及蝕變影響，穩(wěn)固性稍差。

礦體中常包有夾石，礦巖物理性質(zhì)及品位、夾石率見地質(zhì)章節(jié)。

區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件簡單，但72m以下露天采場已成深凹，匯水面積較大，雨季期間降雨量及逕流量均較大，同時水對高陡邊坡的穩(wěn)定有一定影響，給地下開采安全帶來一定的隱患。

3.3  充填系統(tǒng)

3.3.1  充填材料及用量

充填材料：選擇選礦廠全尾砂以及部分掘進廢石作為充填料，膠結(jié)材料選擇普通硅酸鹽水泥。

3.3.2  充填材料需用量

1）日平均須充填體積

T——   年工作日，330d；

Z—— 采充比，取Z=1；

2）日平均充填料漿需用量

Qr=VrK₁K₂ =1065×1.05×1.25=1400(m³/d )

式中：Q_r——   日需料漿充填量，m³/d；

K₁——   流失系數(shù)，取K₁=1.05；

K₂———   沉縮比，取K₂=1.25。             

3）年平均充填料漿需用量

Q_a=Qr×330=1400×330=462000(m³/a)

式中：Q_a———   年平均充填料漿需用量，m³/a。

3.3.3  充填料配比及濃度

根據(jù)采礦方法對充填工藝的要求，尾砂充填系統(tǒng)應(yīng)具備制造兩種料漿的能力，即，加水泥和不加水泥兩種料漿?；疑氨?∶4的膠結(jié)充填占比例為6%，灰砂比1∶8的膠結(jié)充填占比例為24%，非膠結(jié)充填占比例為70%。

料漿濃度以料漿不離析、不沉淀為原則，盡可能提高料漿濃度，初步確定料漿濃度為72%，最終濃度參數(shù)需經(jīng)過充填試驗最終確定。

3.3.4  充填設(shè)施、充填料制備及充填料輸送

充填設(shè)施主要包括地面充填攪拌站、充填鉆孔及輸送管路等。充填料漿利用地面攪拌站制備成符合充填工藝要求的充填料漿后，通過充填管路及鉆孔輸送至井下，再經(jīng)充填鉆孔和分段平巷充入充填采場。東區(qū)最大充填倍線5.2，充填料可以自流至采空區(qū)。

充填料采用全尾砂和水泥，根據(jù)充填采場的要求，73%的采空區(qū)采用尾砂充填，不用添加水泥；27%的采空區(qū)需要采用膠結(jié)充填，需要添加水泥，灰砂比有1∶4和1∶8兩種，1∶4的占3%，1∶8的占24%。充填料漿的重量濃度為68%～75%，初步定為72%，最終濃度有待充填試驗后確定。

3.3.5  充填料制備的工藝流程

充填料漿采用全尾砂、水泥和水為原料進行制備。尾砂充填系統(tǒng)的工藝流程如下：選廠產(chǎn)出的全尾砂用砂泵揚送到充填攪拌站附近尾砂分配泵房的尾砂池，再由砂泵揚送到尾砂濃縮貯存裝置中儲存。與絮凝劑充分混合后的尾砂漿進入尾砂濃縮貯存裝置后，尾砂迅速下沉成為飽和尾砂，多余的水從砂倉頂部溢流。進行尾砂充填時，先用適量高壓水或氣將尾砂濃縮貯存裝置底部的尾砂活化，然后打開尾砂濃縮貯存裝置底部閥門放砂，將砂漿送到高濃度攪拌槽與其它物料混合、攪拌。經(jīng)攪拌槽攪拌均勻的合格充填料漿通過充填鉆孔和坑內(nèi)管路進入采場實施充填。

水泥由散裝水泥車運到充填攪拌站，通過散裝水泥罐車自帶的壓縮空氣設(shè)施將水泥輸送到水泥倉內(nèi)儲存。水泥倉頂設(shè)有倉頂收塵器。

3.4  采礦方法選擇

3.4.1  第Ⅰ方案（分段空場嗣后充填采礦方法方案）

分段空場嗣后膠結(jié)充填采礦方法其礦塊分礦房和礦柱。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長40m，階段高度60m，礦房、礦柱寬均為20m，采用simbaH157采礦臺車鑿巖，鑿巖巷道分段高度12m。根據(jù)采礦方法底部結(jié)構(gòu)布置，底柱為12m。采場切割工作為在礦塊底部掘出礦平巷（在二步回采的礦柱利用），出礦橫巷并形成底部結(jié)構(gòu)，沿礦體上盤邊界鑿切割天井（一般一個礦塊二條井）?；夭身樞驗樽缘V體上盤向下盤方向后退式回采，礦石裝運采用1.9m3電動鏟運機，礦塊采用二步驟回采方案：先回采礦房，然后充填礦房，待相鄰礦房充填體達到強度后，再回采中間礦柱。

充填材料配比及充填體強度根據(jù)充填實驗報告并參照國內(nèi)外類似礦山選?。旱V房充填體要求有一定的強度和自立高度，取灰砂比1：8，充填體強度大于2.0MPa；礦柱充填體采用低標號膠結(jié)充填，灰砂比1：20，充填體強度達到1.0MPa；礦房和礦柱平均灰砂比為1：14。

3.4.2  第Ⅱ方案（上向水平分層膠結(jié)充填采礦方法方案）

上向水平分層膠結(jié)充填采礦方法其礦塊分礦房和礦柱。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長25m，階段高度60m，礦房寬為10m，礦柱寬為15m。采用simbaH157采礦臺車鑿巖，ST-2D型1.9m3電動鏟運機出礦，分層高度4m，回采時采用分層聯(lián)絡(luò)道將回采分層和分段巷道連通，先回采二個分層，即采場出礦后的空頂高度為8m，然后充填一分層高度4m再回采。采場切割工作為在礦塊底部掘拉底巷道形成拉底空間，高度3～3.5m。沿礦房（礦柱）中部或合適的地方自下而上鑿充填通風(fēng)井（一般一個礦塊二條井），作為采場回風(fēng)、充填及爆破自由面。礦房或礦柱回采順序為自下往上分層回采，分層為由中間往兩邊回采。礦塊采用二步驟回采方案：先回采礦房，然后充填礦房，待相鄰礦房充填體達到強度后，再回采中間礦柱。

充填材料配比及充填體強度根據(jù)充填實驗報告并參照國內(nèi)外類似礦山選?。?/span>

礦房充填體：每次充填一個分層高度4m，分層頂部澆面層0.4m，取灰砂比1：4，充填體強度大于3.0MPa，分層底部厚度3.6m，取灰砂比1：10，充填體強度達到2.0MPa。

礦柱充填體：分層頂部澆面層0.4m，取灰砂比1：4，充填體強度大于3.0MPa；分層底部厚度3.6m，取灰砂比1：20，充填體強度達到1.0MPa。

根據(jù)以上兩種采礦方法的情況和其他條件作如下分析：

1）礦塊生產(chǎn)能力和生產(chǎn)管理復(fù)雜性分析

分段空場嗣后膠結(jié)充填采礦法采用中深孔分段鑿巖，階段出礦，礦房（礦柱）回采完后再集中充填，礦塊生產(chǎn)能力大，是一種高效的采礦方法。

上向水平分層膠結(jié)充填采礦法采用分層淺孔鑿巖，分層出礦，然后再充填。從鑿巖、出礦、充填有一個循環(huán)的過程，循環(huán)周期長；生產(chǎn)能力相對較小，勞動生產(chǎn)率較低，采場內(nèi)污染較嚴重。同時生產(chǎn)礦塊數(shù)多，備用礦塊數(shù)量多，管理較復(fù)雜。

2）對資源利用程度上分析

分段空場嗣后膠結(jié)充填采礦法采用底部結(jié)構(gòu)，礦柱損失大。

上向水平分層膠結(jié)充填法的貧化損失率較小，故Ⅱ方案采出品位稍高，在資源利用程度方面Ⅰ方案較方案Ⅱ差。

3）對露天采場邊坡保護的技術(shù)可行性分析

能否保住露天邊坡取決于充填法的施工質(zhì)量、接頂情況。采用分段空場嗣后膠結(jié)充填法，由于嗣后集中充填，充填作業(yè)及充填體脫水相對較困難，常存在充填質(zhì)量問題。

上向水平分層膠結(jié)充填采礦法采用分層充填，充填體強度高，容易控制充填體質(zhì)量。

故保護露天邊坡的可靠性Ⅰ方案較方案Ⅱ差。

4）從經(jīng)濟上分析

Ⅱ方案要求充填體強度高，綜合直接充填成本較Ⅰ方案高7.26元，說明在經(jīng)濟上以Ⅰ方案較優(yōu)。

5）從采礦方法安全性分析

分段空場嗣后膠結(jié)充填采礦法采用底部結(jié)構(gòu)出礦，作業(yè)安全；而上向水平分層膠結(jié)充填采礦法在暴露頂板下作業(yè)，安全性相對較差。

3.4.3  根據(jù)以上分析， 雖然分段空場嗣后膠結(jié)充填采礦法在資源利用和充填質(zhì)量控制方面較上向水平分層膠結(jié)充填采礦法差，但是只要采取以下措施：

1）改進爆破落礦技術(shù)，使空場頂部整齊；

2）采取強制接頂措施；

3）合理安排充填順序；

4）采用先進的溢流和滲流脫水系統(tǒng)，使充填體充分脫水。

充分保證充填體的質(zhì)量和強度，Ⅰ方案具有作業(yè)安全，工藝簡單，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)能力大等優(yōu)勢。故東采區(qū)-180m中段開采采用分段空場嗣后膠結(jié)充填采礦法，即第Ⅰ方案。

3.5  采礦方法的構(gòu)成要素

分段空場嗣后膠結(jié)充填采礦法：分段空場嗣后膠結(jié)充填采礦方法其礦塊分礦房和礦柱。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長40m，階段高度60m，礦房、礦柱寬均為20m，采用simbaH157采礦臺車鑿巖，鑿巖巷道分段高度12m。根據(jù)采礦方法底部結(jié)構(gòu)布置，底柱為12m。采場切割工作為在礦塊底部掘出礦平巷（在二步回采的礦柱利用），出礦橫巷并形成底部結(jié)構(gòu)，沿礦體上盤邊界鑿順路切割天井（一般一個礦塊二條井）。采礦方法布置形式及標準礦塊的主要技術(shù)經(jīng)濟指標詳見12.17006105.013.2-14；各分段平巷位于礦體下盤，與分段聯(lián)絡(luò)道、礦巖溜井、進風(fēng)天井相通；階段斜坡道（縱坡i=12～15%）與各分段平巷相通，作設(shè)備、材料和人員通道之用。

采場通風(fēng)：新風(fēng)主要由-120m平硐口進入， 經(jīng)-120m階段平巷、-120m～-180m進風(fēng)井、-180m階段平巷、采場進風(fēng)井進入采場；污風(fēng)經(jīng)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)道、上階段回風(fēng)平巷及-132m回風(fēng)平巷、-120m～ -132m回風(fēng)天井、-120m回風(fēng)平巷、-50～-120m總回風(fēng)井、-50m回風(fēng)平巷入總回風(fēng)系統(tǒng)。

-120m分段保護礦柱等-120m～-168m礦體開采充填后，考慮采用無底柱分段崩落法回收。

3.6  礦石損失率及廢石混入率。選擇的礦石損失率為：10%，廢石混入率為：8%

3.7  回采工作

3.7.1  回采工藝

對礦塊來說回采順序是自下而上，分段內(nèi)回采順序是由里而外后退式回采；礦房開采完畢后，再回采礦柱。在各水平巷道中用Boomer 104型液壓鑿巖臺車水平淺孔掘進，回采是采用Simba H157液壓采礦鑿巖臺車鉆鑿上向扇形中深孔，孔徑為60～65mm，孔深10～16m，排距為1.5～1.8m左右，孔底距為2.0～2.5m。采用2號巖石炸藥，用BQF-100型裝藥器裝藥，采用非電起爆系統(tǒng)起爆，每次爆破2～3排炮孔。

裝藥采用BQF-100型裝藥器裝藥，裝入巖石炸藥。為避免孔口段藥量過于集中，相鄰炮孔的裝藥位置和填塞長度應(yīng)不相同。起爆采用導(dǎo)爆管、非電雷管、導(dǎo)爆索復(fù)式起爆。

采場通風(fēng)除塵：班末爆破，采場配備JK58-1N04型局扇，新鮮風(fēng)流由采場進風(fēng)天井進入采場，將污風(fēng)抽入階段回風(fēng)天井入上階段回風(fēng)巷。為防止粉塵污染，出礦前應(yīng)在爆堆灑水降塵。

3.7.2  采場出礦與運搬

回采出礦采用ST -2D型1.9m³電動鏟運機鏟運，經(jīng)出礦平巷及溜井聯(lián)絡(luò)道，將鏟裝的礦石倒入礦石溜井，溜放至階段水平，經(jīng)振動放礦機裝礦車運至車場。設(shè)計配置TORO151型柴油鏟運機，除作為掘進裝渣外，另作為采場部分材料運搬及采礦鑿巖臺車轉(zhuǎn)段的牽引等。

鏟運機生產(chǎn)能力按13～14萬t/a，采出原礦塊度為0～450mm。大于450mm礦巖，采用7655型淺孔鑿巖機打眼，巖石炸藥爆破，集中在班末進行。

3.7.3  采空區(qū)和頂板管理

對礦巖不穩(wěn)固的地段巷道，可采用管縫式錨桿或加金屬網(wǎng)加強支護。在采空區(qū)的頂點可布置若干測點，以觀測頂板下沉情況，同時利用現(xiàn)有的地壓監(jiān)測儀器，監(jiān)測礦柱和井巷的地壓情況，一旦發(fā)現(xiàn)危險信號應(yīng)及時處理

3.8  采切工作

3.8.1  采準切割工作

采準切割工作包括：分段平巷，出礦聯(lián)絡(luò)道，在礦房（礦柱）內(nèi)掘出礦平巷、出礦橫巷、裝礦平巷，順路切割天井等。

標準采礦方法的綜合掘采比為50m/萬t或496.6m3/萬t；采切帶礦比10.2%；采切帶巖比6.6%。

3.8.2  掘進工作隊

原礦規(guī)模30萬t/a,掘進巷道按50m/萬t·原礦計，年需1500m左右。設(shè)計取掘進隊綜合效率130～140m/隊.月，正常生產(chǎn)時，需要1個掘進隊工作。水平巷道掘進隊采用Boomer 104型掘進臺車打眼，硝銨炸藥爆破，TORO151 1.5m3（柴油）鏟運機裝渣。垂直井巷（天溜井）掘進隊配YSP-45鑿巖機打向上炮眼，銷銨炸藥爆破，MG-100錨固鉆機打吊罐孔，天井吊罐由YJD-3B游動絞車提升，特別指出MG-100錨固鉆孔還可為礦山將來采用天井鉆機（一次成井、分段成井法）創(chuàng)造條件。該鉆機采用礦用移動機螺桿空壓機配套。掘進天井底部出渣亦采用柴油鏟運機進行。

4  結(jié)論

4.1  經(jīng)濟效益：

2016年車間東區(qū)技術(shù)經(jīng)濟指標分析：

按照兩種不同的采礦方法進行比較，分段空場嗣后膠結(jié)充填采礦法比無底柱分段崩落法多采出礦石金屬量14632噸，鐵精礦22511噸。

2016年國產(chǎn)鐵礦石（65%）價格平均為530.79元/噸，大冶鐵礦精礦（65%）生產(chǎn)成本為384.62元/噸。創(chuàng)造經(jīng)濟效益為（MTP法計算，實施管理成果增產(chǎn)鐵精礦2.2511萬噸，投入費用沒有增加）：

說明 ：管理成果的實施沒有增加費用，僅有產(chǎn)量的增加。

圖10.2016年鐵礦石價格走勢圖

4.2  社會效益

充填采礦是國家大力推行的采礦方法，優(yōu)勢也非常明顯。即防止了地表塌陷提高了礦產(chǎn)資源利用率減少了固體材料排放，也對環(huán)境改善有很大的幫助。

4.3  實際運用過程中及時解決了部分存在的困難

大冶鐵礦作為武鋼資源集團采用充填采礦法的首家單位，在實施過程中遇到了諸多困難。如：尾砂沉降時間長、充填擋墻濾水不佳、部分地段礦石貧化較大、造漿濃度不均衡、尾砂管堵塞、小區(qū)域交叉作業(yè)生產(chǎn)協(xié)調(diào)困難、溶洞斷裂帶漏漿、大空場頂板安全管理難度大、規(guī)章制度不完善等困難。大冶鐵礦組織全礦技術(shù)、安全、生產(chǎn)部門多方協(xié)調(diào)，組織專家論證克服了以上難題，使大冶鐵礦分段空場嗣后膠結(jié)充填法順利實施。即保證了礦石安全可靠的回采同時各項生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟指標顯著的提高，也大大降低了原采礦方法帶來的地表塌陷、尾礦庫增容、環(huán)境破壞嚴重的問題。 

參考文獻

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