挂帮矿开采低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法

刘艳章 张 群 叶义成 任贤锋 王其虎 孙永久

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.武汉钢铁集团开圣科技有限责任公司，湖北 武汉 430000)

挂帮矿开采低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法

刘艳章1张 群1叶义成1任贤锋2王其虎1孙永久2

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081；2.武汉钢铁集团开圣科技有限责任公司，湖北 武汉 430000)

残留在露天矿最终边帮上的挂帮矿赋存条件较为特殊，采用传统的地下开采方法开采挂帮矿时，露天矿最终边帮与地下采场的稳定性差、生产效率低。因此，提出低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法用于开采位于露天矿最终边帮上的挂帮矿，该方法采用低段高回采，减小围岩的暴露面积；不留底柱，采用中深孔爆破落矿，铲运机出矿，生产效率高；将矿石暂时留在采场，回采后立即充填采空区能有效限制采空区围岩的变形；预留斜顶柱，能够有效提高采空区充填效果。将该方法用于开采大冶铁矿东露天尖ⅠN挂帮矿的开采，实践结果表明：在预留采场与边坡之间的保护矿柱的情况下，该采矿方法能有效保证挂帮矿开采过程中露天矿最终边帮的稳定和采场生产安全，高效地回收残留在露天矿最终边坡上的挂帮矿。

采矿方法 铁矿 挂帮矿 安全性

在露天坑设计和生产过程中，由于地质条件、开采工艺、设备等各方面条件的限制，导致局部地段部分矿石未能开采出来而残留在露天矿最终边帮及其附近区域上，这部分矿石即为挂帮矿[1]。国内相关数据显示，我国遗留在露天矿最终边帮上的挂帮矿矿石量占总开采矿石量的5%～16%[2]。我国是一个矿产资源短缺的国家，又是一个矿产资源消耗大国，在当前矿石资源紧张的情况下回采挂帮矿能够充分回收矿产资源，缓解矿产资源紧张的局面[3]。

经过长期的露天开采，露天边坡及挂帮矿体的稳定性受到极大的扰动，再加上高陡的边坡和挂帮矿体规模较小、赋存条件复杂等，这些都使挂帮矿的安全开采成为当前采矿工作者面临着的技术难题[4-6]。当前用于露天坑边坡挂帮矿开采的方法主要有两类，一类是露天开采，一类是地下开采。采用露天开采的方法开采挂帮矿时，主要依靠扩帮强采的方式进行，扩帮强采可能将露天矿最终边帮底部支撑部分剥离，造成最终边帮局部变陡，甚至造成最终边帮滑坡，不利于矿区的安全生产。采用地下采矿法开采挂帮矿时，主要是在预留矿柱的情况下采用小尺寸的传统空场法或充填法开采。预留矿柱可承担一定的地压，以保证露天坑边坡的稳定性不受地下开采的影响[7-9]。由于挂帮矿赋存条件较为特殊，矿体规模较小，在使用预留矿柱的空场法或者充填法开采时，通常需要将传统的空场法和充填法进行改进，以达到安全、高效的挂帮矿回收目的[10-11]。因此，如何充分利用矿山现有的生产系统和设备，采用安全、高效的方法回采露天帮坡上的挂帮矿资源是目前亟待解决的问题[12-13]。

根据挂帮矿赋存的特点，本研究在总结现有采矿方法及其适用条件的基础上，改进现有的采矿方法，提出一种适用于挂矿开采的低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法[14]，并将该采矿方法应用于大冶铁矿东露天尖ⅠN挂帮矿的开采，检验其实际应用效果。

1 低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法

根据露天挂帮矿的赋存条件和矿体形状，开采时阶段高度一般为15～20 m。为了充分保证采场安全，应根据实际情况在采场靠近露天矿最终边帮的一侧预留一定厚度的保护矿柱，即使在露天矿最终边帮出现小规模岩体垮塌、滑坡的情况下，也可以充分保证采场生产安全。

低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法见图1所示。在掘进开拓工程时，开拓巷道一般垂直于露天矿最终边帮布置，通达矿体，随后在矿体下盘离矿体界线较远的围岩中布置沿脉运输巷道。

图1 低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法

1.1 采准和切割

如图1所示，开拓工程完成后，从开拓巷道中掘进阶段运输大巷，从阶段运输大巷中掘进穿脉巷道，通达待回采的矿房；矿房和矿柱间隔布置，在间柱中掘进通风人行天井，通过联络道将通风人行天井和矿房相连接，联络道的间隔为3～4 m；采准完毕后，从穿脉巷道中进行切割拉底，拉底高度为2～2.5 m，拉底宽度为矿体的厚度。

1.2 回采和充填

矿房内的回采工作从拉底空间中由下往上进行，分层高度为2～3 m，梯段工作面长度为2～4 m，高度为1.5～2 m。采用水平中深孔爆破落矿，炮孔间距为0.8～1 m，采用三角形排列。爆破落矿至矿房顶部时，将矿房顶柱预留为具有一定倾角的倾斜矿柱。每次爆破落矿后放出30%～40%体积的矿石，余下的矿石储存在采场内作为工作平台向上继续回采，待矿房回采完毕，将所有矿石全部放出，并采用铲运机出矿。矿石运出后对采空区进行充填。

与传统的采矿方法相比，该采矿方法在开采过程中围岩的最大暴露面积比传统采矿法低50%以上，能够有效提高采场的安全性；不留底部结构，采用中深孔爆破落矿，铲运机出矿，具有生产效率高的特点；将爆破落下矿石体积的60%～70%堆积在矿房内形成矿石堆，用以暂时支撑两帮围岩，并作为继续向上回采的工作平台，可以暂时保障采场的稳定性，当回采结束后立即采用高强度充填料充填采空区，以限制采空区围岩的变形，以达到控制围岩崩落和地表下沉的目的，使回采工作的安全得到保障；回采过程中只留少量支撑矿柱，能尽可能多地回收矿石，矿石回收率高。

2 工程应用

2.1 工程概况

武钢大冶铁矿是我国著名的铁矿山，是武钢重要的矿石来源之一[15-16]。大冶铁矿分为露天开采和地下开采2部分，目前露天开采基本结束，遗留下来的露天坑重建为黄石国家矿山公园。

大冶铁矿露天开采结束后，留下了大量的优质挂帮矿，经过二期扩帮延深强采，大部分残留矿石得以充分回收，但是依然有部分矿石遗留在露天矿边帮上，例如东露天尖ⅠN挂帮矿，在MICROMINE软件中实现大冶铁矿露天矿最终边帮和东露天尖ⅠN矿体挂帮矿的3维可视化，如图2、图3所示。

图2 尖ⅠN矿体挂帮矿俯视图

大冶铁矿东露天尖ⅠN挂帮矿体分布在30～32线北帮，赋存标高在-120～-180 m之间，走向长160～270 m，水平厚度为10～15 m，形状为条带。东露天尖ⅠN挂帮矿的地质储量为49.45万t。其中，Fe1矿石量为48.37万t，Fe1-Δ矿石量为1.08万t。

图3 尖ⅠN矿体挂帮矿侧视图

根据大冶铁矿东露天尖ⅠN挂帮矿矿体赋存现状可知，东露天尖ⅠN挂帮矿位于大冶铁矿东采深凹露天坑高边坡下，露天高边坡产状N89°E/SE1°，倾角∠43°；矿体伸入高边坡内部，一面临空，另一面被断层错断。矿体有近50 m长区域在F9断层错动范围内，滑体下部的矿体支撑上部欲滑岩体，部分地段采取了锚杆固定抗滑措施。围岩为蚀变闪长岩，近矿闪长岩由于强烈蚀变及节理裂隙较发育，强度较低，稳定性差。边坡的稳定性、F9断层的稳定性、采空区的稳定性均是开采过程中影响安全的重要隐患。同时挂帮矿赋存区域边坡角为65°～70°，无理想作业空间和作业平台。因此，大冶铁矿东露天尖ⅠN挂帮矿的开采环境复杂，开采难度大，安全隐患多。

2.2 挂帮矿开采

根据矿山实际情况，将低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法应用于大冶铁矿东露天尖ⅠN挂帮矿的开采，有针对性地应用该采矿方法进行挂帮矿的开采，如图4所示。

大冶铁矿东露天坑底部标高约为-156 m，尖ⅠN挂帮矿各开采水平分别为-148、-156、-170 m水平，其中-156 m水平以上的矿体赋存在露天边坡上，为了充分保证安全，在采场靠近边坡的一面预留8 m厚的保护矿柱。

采准工程主要有穿脉巷道、穿脉联络道、出矿巷道、斜坡道等。由于挂帮矿赋存边坡无理想的作业空间和作业平台，无法直接掘进平硐通达-148 m以上矿体，因此在露天边帮底部掘进倾斜穿脉至-148 m水平，倾斜穿脉尺寸为2.8 m×2.5 m，再从倾斜穿脉中掘进出矿巷道通达矿体，出矿巷道尺寸为2.8 m×2.5 m，倾斜穿脉通过联络道相连，联络道尺寸为2.8 m×2.5 m，联络道水平标高为-148 m水平，倾斜穿脉布置在间柱中，间柱宽8 m，间柱将矿体切割为矿房，矿房长为20 m，宽为矿体厚度；对于-156～-148 m之间的矿体，从露天边帮底部掘进平硐穿过矿体到达矿体下盘，随后在矿体下盘掘进沿脉运输巷道，平硐和沿脉运输巷道尺寸为2.8 m×2.5 m；对于露天坑最低标高以下的矿体，可通过掘进斜坡道通达开采水平，随后掘进穿脉通达矿体，斜坡道和穿脉的尺寸均为2.8 m×2.5 m。

图4 开采尖ⅠN挂帮矿示意

由于部分采准巷道掘进通过F9错动区域，考虑断层中破碎带、错位区域以及充填在破碎带中的破碎岩石的影响，需要对该部分巷道加强支护，掘进时可采用插板支护该段巷道。

回采工作总体由上往下进行，在每一阶段中由下往上回采。通过对穿脉巷道进行刷帮形成回采工作面，采用中深孔凿岩爆破、踩碴打眼，炮孔为水平炮孔，炮孔的间距为0.9 m，炮孔排列方式为三角形排列，炮孔直径为75 mm，孔深7 m，每次爆破落下的矿石量可达560 t。矿石分两步骤分别放出，即局部出矿和大量出矿。局部出矿时每次运出每次崩落矿石的30%左右，剩余矿石暂时留在矿房内，作为继续向上回采的工作平台，当矿房回采结束后，进行大量放矿，随后立即充填采空区，充填方式为全尾砂胶结充填。开采过程中预留的矿柱作为支撑采场的永久矿柱，不回采。

矿石经铲运机出矿，随后由汽车从出矿巷道、穿脉、斜坡道等运输至露天坑底部，最后由露天坑内运至地表。

尖ⅠN挂帮矿的开采对大冶铁矿东露天边坡的稳定性产生扰动，特别是该挂帮矿的开采使F9断层以及滑体破碎带面临着崩塌、滑坡的威胁。在开采的过程中，为了及时了解边坡的变形情况，预测边坡变形趋势，对露天边坡进行了位移监测，从2005年至2009年间的监测数据显示，大冶铁矿东露天边坡的变形属于收敛变形，X向最大变形位移值为16 mm，随后变形位移值逐渐趋于平缓，达到了稳定状态，说明该采矿方法开采尖ⅠN挂帮矿能够保证最终边帮的稳定。

根据该区域的地质条件、矿体埋藏条件以及采矿方法等因素综合分析，采用低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法开采大冶铁矿东露天尖ⅠN挂帮矿，从2004—2009年共回收矿石45.87万t，回收率约为82.3%，共创直接经济效益1.6亿元。

3 结 论

(1)采用传统的地下开采方法开采挂帮矿时，露天矿最终边帮与地下采场的稳定性差、生产效率低，为此提出了适用于开采挂帮矿的低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法。

(2)低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法能够充分利用围岩自身的稳定性，并且可及时封闭采空区以保障安全。采用低段高回采，减小采空区围岩的暴露面积，增强了采空区的稳定性；采用中深孔爆破落矿，不留底柱，采用铲运机出矿，具有爆破落矿效率高，出矿效率高，机械化程度高的特点；每次落矿后将部分矿石暂时留在矿房内，可暂时支撑采场两帮围岩，能够有效限制采场两帮围岩的变形；矿石运出后，立即充填采空区，可以及时、有效地处理采空区。将该方法用于开采大冶铁矿东露天尖ⅠN挂帮矿，该采矿方法保证了黄石国家矿山公园中大冶铁矿东露天最终边帮安全、稳定的同时高效地回收了大冶铁矿东露天尖ⅠN挂帮矿的矿石。

(3)理论分析与工程实践表明，低段高无底柱留矿嗣后充填采矿法具有采场稳定性好、生产效率高的优点，适合开采残留在露天矿最终边帮上的挂帮矿，值得推广。

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(责任编辑 石海林)

PillarlessOre-remainingSubsequentFillMiningwithLowStageHeightApplicabletotheExploitationofHangingWallOre

Liu Yanzhang1Zhang Qun1Ye Yicheng1Ren Xianfeng2Wang Qihu1Sun Yongjiu2

(1.SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，China；2.WISCOKaishengScience&TechnologyCo.，Ltd.，Wuhan430000，China)

The traditional underground mining methods to exploit the hanging wall ore on the slope of the open pit usually result in poor stability and low efficiency of the final slope and the underground stope because of the special occurrence conditions of the hanging wall ore in the open pit.Then，the pillarless ore-remaining subsequent fill mining with low stage height is put forward to exploit the hanging wall ore on the final slope of the open pit.This method shortens the height of the stages in order to reduce the exposure area of the stope.It has a higher efficiency by obligating no bottom pillar and blasting with deep hole and transporting the ore with scrapers.And by using this method，the deformation of the rock mass is limited temporarily with partial ore remaining in the stope and filling the goaf.In this method，the top inclined pillars are designed to improve the filling effect.This method was put into the exploitation of JianⅠN hanging wall ore of the east open pit in Daye Iron Mine.The application result showed that it guaranteed the stability of the final slope and the safe exploitation of the hanging wall ore at the stope，and effectively recovered the ores on the final slope of open pit under the conditions of keeping the safety pillars between reserved stope and the slope.

Mining method，Iron mine，Hanging wall ore，Safety

2014-08-13

国家自然科学基金面上项目(编号：51074115)，“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2011BAA05B03)。

刘艳章(1969—)，男，教授，博士。

TD853

A

1001-1250(2014)-12-040-05