联合控顶分步全面嗣后充填采矿构建无尾矿山

摘 要：昌邑矿业有限公司东辛庄铁矿床部分为缓倾斜复合中厚矿体，具有矿石储量大、品位低，倾角缓、矿体空间形态复杂、多层矿体平行排列、局部交互重叠、矿岩强度较低、节理裂隙发育、矿岩稳固性差的特点，选用正确合理的采矿方法极为重要。通过进行联合控顶分步全面采矿、嗣后全尾砂充填采矿方法试验，实践证明，该采矿法是解决东辛庄铁矿体的倾角缓、厚度薄、矿化边界不稳定、矿岩不稳固赋存特点的高效采矿方法，并取得了较好的技术经济效果，对类似矿山具有示范作用和推广价值。

关键词：复杂难采矿体；分步全面采矿；全尾砂充填；绿色无尾矿山

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.079

1 昌邑矿业东辛庄铁矿床地质赋存情况与开采技术条件

1.1 东辛庄铁矿床矿体地质赋存情况

东辛庄铁矿属层控沉积变质铁矿床，矿体一般由多个矿层组成，矿体呈层状、似层状，多以单斜形态，局部呈背斜形态。矿床由两个矿段组成，分别为东辛庄矿段和搭连营矿段。

东辛庄矿段共圈定16 个矿体，其中Ⅲ1、Ⅱ1 号矿体为主矿体，该矿段地质资源储量为3325.5×104t；搭连营矿段详查共圈定大小矿体3 个，其中I 号矿体为主矿体，该矿段地质资源储量为473.51×104t。两个矿区总地质资源量为3799.01×104t，平均TFe 品位28.32%、mFe 品位23.49%。

1.2 开采技术条件

对于该类型矿体开采，存在较大的技术难度，主要表现在：

（1） 矿体赋存规模小，厚度薄。根据生产勘探资料，已探明的矿区主矿体平均厚度为6～7m，属于中厚偏薄矿体，对于该类矿体的开采，由于采场回采空间的限制，大型高效率采矿设备难于直接进入采场作业。

（2） 矿岩稳固性较差。根据地质报告资料和近期所作的岩石力学试验研究结果，东辛庄矿区矿岩基本分为四个工程岩组，即磁铁黑云变粒岩、含石榴磁铁黑云变粒岩、黑云透辉变粒岩和含石榴黑云透辉变粒岩等，岩石试块强度较低，节理裂隙发育较充分，在采场回采过程中，对采场暴露顶板的大小、时间要求较高，矿体回采难度较大。

（3）矿体呈多层平行排列，且矿体间的岩石夹层厚度薄。东辛庄矿床矿体数量多，矿体中分支复合、尖灭再现常见，由于矿体或矿层间的夹石较薄，如夹层厚度在5m以下时，开采其中的一层矿体，会对相邻矿层的开采造成影响，主要表现在采场岩层稳定性、采场作业安全性和采矿效率的发挥方面。

（4）矿石品位低。初步设计中采范围（332）类储量磁铁平均品位24.6%，全铁平均品位28.06%，（333）类储量磁铁平均品位22.05%，全铁平均品位27.41%，（332+333）类储量磁铁平均品位25.47%，全铁平均品位27.59%，必须采用较低成本的采矿方法。

（5）必须对采空区进行充填。由于地表为耕地或道路，不允许产生地表塌陷，因此，采矿产生的采空区，必须实行充填采矿法开采。

东辛庄铁矿床矿体赋存数量多，矿体规模小，空间关系复杂，含铁品位低，矿岩稳固性较好，开采技术难度大，几乎集中了对采矿不利的所有因素。根据矿体的赋存情况，我们在-230中段和-270中段适宜的矿块进行了联合控顶分步全面采矿、嗣后全尾砂充填采矿方法试验，并取得了比较理想的效果。

2 采矿方法的选择

选择采矿方法的基本原则：

（1）安全环保原则。东辛庄铁矿矿岩稳固性一般，地表不许塌陷；保证采准、回采、出矿作业过程中的安全；保证地下生产采矿不会给周边的生态、环境留有安全隐患，必须实行充填采矿法开采。

（2）高效原则。生产中段个数少，开采作业的空间受到限制，必须保证较高的生产能力。

（3）低贫、损原则。减少采矿过程中的矿石损失，最大限度地利用资源。同时，控制采矿过程中废石的混入，提高出矿品位，提高资源利用率，延长矿山服务年限，提高矿山的经济指标。

（4）低成本原则。矿床矿石品位较低，通过降低吨矿综合生产成本，才能获取较好经济效益。

（5）工艺简单。采用简单的生产工艺，有利于提高管理效率，被矿山生产工人所接受和熟练掌握。

根据矿体的赋存情况和开采技术条件，通过多方案技术经济比较，我们选择了联合控顶分步全面采矿、嗣后全尾砂充填采矿方法进行试验。

3 试验采场采矿方法实施方案

3.1 试验采场地质概况

试验采场位于-230m中段122线～121线之间和-270m中段104线～105线之间的矿体。矿层磁铁黑云变粒岩，其稳定性较好，矿体厚度为5～7米，-230中段平均厚度5米，-270中段平均厚度4米；全铁平均品位28%，磁铁22%，矿石比重3.32t/m3，围岩比重2.78t/m3，硬度系数矿石f=8；围岩f=7～10，松散系数约1.65。

首先进行了二个采场的回采工业试验，分别是位于-230m中段122线～121线之间的DX122-121采场和-270m中段104线～105线之间的DX104-105采场。试验采场地质储量如表1所示。

3.2 联合控顶分步全面采矿、嗣后全尾砂充填采矿法基本特征和构成要素

3.2.1 联合控顶分步全面采矿、嗣后全尾砂充填采矿法基本特征

（1）采场划分矿房和矿柱，先采矿房，后采矿柱；

（2）一步采为进路回采，顶板暴露面积相对较小，回采作业安全。进路回采结束后，再后退式回采间柱；

（3）整个采场回采结束，用全尾砂进行充填；

（4）一步采时，采场通风为独头巷道型，通风效果较差。

3.2.2 矿房布置及构成要素

矿房的长轴方向可沿走向布置、沿倾斜布置或沿伪倾斜布置，以适应所采用的运搬设备。

采场的长度一般为40～60米，矿房的宽度为40～50米，进路的宽度为4～6米，进路高度为3～4米。矿房之间留3米左右的连续间柱。

3.2.3 试验矿块采准、切割工程布置

首先在矿块走向一端掘进斜坡道连接上下分段平巷，其次在穿脉运输平巷中施工放矿溜井和充填井与脉内斜坡道和上个中段贯通，再次在斜坡道上部施工上水平分段巷，形成采场出矿、行人、通风、充填通道。

为了减少工程量，天井一般布置在主要穿脉附近。采矿法方案如图1所示。

3.2.4 回采工艺

（1）回采顺序

采准切割工作完成后，即可开始采场回采。先采一步采进路，对顶板用管缝式金属锚杆和金属网联合支护后，二步后采退式间隔回采矿柱。回采作业自施工脉内出矿上山开始，先按8m左右间距自出矿上山沿矿体走向用进路方式回采矿体至采场另一端，回采进路宽为4m左右，高为矿体全厚，当矿体厚度大于4m时，则先回采3.5m左右厚度，然后压顶至矿体上盘边界后，再对顶板实行锚杆、金属网联合支护，然后再后退式间隔回采间柱，从初始回采进路开始，向采场边界顺序推进。最后用密闭墙封闭与外界相通的进路和通道，用管道输送地表充填站全尾（非胶结）砂浆分次充填至接顶。

（2）采场落矿

进路回采用YT-27型气腿式凿岩机和“一”字型钎头凿岩，钎杆长度为2.5m，炮孔直径38～40mm，平均深度2.2米，二步采炮孔距充填体≥0.7m。光面爆破孔距为0.6m，光爆层厚度为0.7m，炮孔线装药密度为0.25kg/m。采用非电导爆管半秒差远程电子起爆系统起爆。

（3）采场出矿和二次破碎

回采进路宽为4m，控顶高度为3.5～4m，回采步距为2.2m，每次落矿体积约为27m3，每循环落矿量约为90t。每次落下矿石由斗容为1.0m3铲运机搬运至采场出矿溜井中，溜至中段运输水平装车运出或在运输平巷中直接装车。由于矿体节理裂隙充分发育，矿体较破碎，爆破块度一般较细且均匀，在出矿过程中出现的少量大块，一般集中在工作面用人工破碎后清除。

（4）采场顶板管理

试验采场采用分步进路回采和嗣后充填工艺，在一步骤进路回采时，顶板暴露面宽度为进路宽度4.0m左右，待二步间柱间隔回采后，进路顶板间相互连通，形成点柱支撑下的大暴露面。经岩石力学试验和计算机数值模拟分析计算，在试验矿岩物理力学特性和试验回采工艺条件下，采场顶板的最大暴露面积为200～300m2，即暴露面跨度大时取小值，跨度小时取大值。在采场回采过程中，一步骤进路回采时的顶板暴露面较狭长，有利于顶板稳定；而在二步骤间柱间隔回采后，各分散的狭长顶板连成一片较宽大的暴露面，此时依赖顶板岩体的自身强度无法支撑较高的顶板应力，因此，须对顶板进行支护加固方可保持稳定，特别是岩体较为破碎的局部区域。

采场暴露顶板采用锚杆联合支护或锚杆金属网联合支护，护顶锚杆采用管缝式金属锚杆，长为2.2m，锚固网度为1.0×1.5m，对于局部构造破坏或岩体特别松软区段，则视情况增加金属网或工程塑料网护顶，以防止岩石冒落。

回采试验表明，矿石点柱、金属锚杆和局部金属网对顶板的支护作用明显。

（5）采场安全及通风

安全：采场作业人员必须严格遵守《金属非金属矿山安全规程》、《爆破安全规程》和公司的相关安全规定，严禁违章作业。

通风：采场采矿时采用局扇强制通风，局扇应有完善的保护装置。中段的新鲜风流自主副井进入-270m中段运输大巷，通过辅助斜坡道进入采场，流经工作面后，污风经采场附近的通风天井流到-230m中段回风巷，z最后由风井排到地表。

（6）采场充填及脱水

①充填砂浆经管路自副井进入-230m中段主运大巷，再经穿脉从采场充填井流至采场空区；充填采用全尾砂充填或毛石充填，全尾砂时充填浓度应达到70%以上。

②回采完毕进路，在进路口处用木板、原木架设挡墙，木板厚度4～5cm，每块木板之间留2公分空隙，内侧铺设土工布作滤水层，出矿巷与木挡墙的间隙要用土工布封严，防止漏浆、跑砂现象发生。充填管为φ108mm的塑料，沿充填天井进入采场。

③采场内充填必须接顶。充填可3次进行，第一层充完，停8个小时，再进行第二层充填。若发现接顶不足时采用喷浆、填充充填杂物等措施补充接顶，未接顶空间较大时，要进行第3次充填。

④充填泄水。为防止充填泄水污染巷道，须在充填木板挡墙外5m处架设0.5m高的二道挡墙

（7）采场作业制度

采用“三班一倒”工作制，回采包括凿岩、爆破、通风、出矿、撬顶、支护和充填等作业。

3.2.5 试验采场主要技术经济指标

联合控顶分步全面采矿、嗣后全尾砂充填采矿法回采试验技术指标，如表5所示。

4 经济效益

工业试验结束后，将该采矿方法陆续在其它采场推广应用，至2013年3月份，利用联合控顶分步全面采矿、嗣后全尾砂充填采矿方法已采出矿石30万吨，平均出矿品位为22.2%，65%的铁精矿粉产量为7.5万吨，工业价值为890万元，实现利润188万元。

5 绿色无尾矿山建设

矿山尾矿将采用井下充填的方式进行处理；增加尾矿干排设施，干抛废石和部分湿抛粗粒废石当做石子卖给有关单位，用做工程材料。采用联合控顶分步全面采矿、嗣后全尾砂充填采矿方法采矿，昌邑铁矿尾矿产出率与井下充填采空区尾砂材料消耗基本平衡，可以不建尾矿库，实现绿色无尾矿山建设。

6 结语

联合控顶分步全面采矿、嗣后全尾砂充填采矿方法是开采昌邑矿业有限公司东辛庄矿区缓倾斜复杂中厚矿体的一种高效率、低成本、安全性好的采矿方法，它有效解决了东辛庄贫铁矿体开采中的矿体规模小、倾角缓、矿体和上盘围岩稳固性较差等一系列关键技术难题，已在矿山得到推广和应用，并取得了显著的技术经济效果，对类似矿山具有示范作用和推广价值。

参考文献：

[1]采矿设计手册.中国建筑工业出版社，1989年.

[2]解世俊.金属矿床地下开采.冶金工业出版社，1979年.

作者简介：曲发科，助理采矿工程师、初级爆破工程师，主要从事：采矿方法研究。