急倾斜厚大矿体采矿方法的选择

魏晓明 李长洪 张立新

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100093;2.邯邢冶金矿山管理局安徽开发矿业有限公司，安徽六安237426)

随着我国埋藏浅、品位低的铁矿石资源日趋减少，开发埋藏深、品位低的铁矿石资源已经成为当务之急［1-2］。近期开发的矿山多是厚大的急倾斜矿床，国内外针对厚大的急倾斜矿体和极厚矿体采用的采矿方法主要有:大直径深孔崩矿采矿法，无底柱分段崩落法，上向分层充填采矿法等等。而对于地表需严格保护或矿体上部顶板不允许破坏的矿床开采如建筑物下开采、村庄农田下开采一般采用充填采矿法或空场嗣后充填法。

李楼铁矿位于安徽省西部霍邱县，行政区划属霍邱县冯井乡。矿床开采范围内基本平坦，略有坡度，地形南高北低，西高东低。地形标高一般为35～50 m。矿床开采范围内地表基本为农田，矿床开采尽量不要破坏农田。李楼矿体为沉积变质矿床，矿床矿带长3.4 km，宽0.25～0.4 km。据现有探矿工程揭露，李楼铁矿床共有6个矿体，其中Ⅰ号矿体为主矿体，占全矿床资源储量的85.83%;其次为Ⅱ和Ⅲ号矿体。Ⅰ号矿体平均真厚度48.2 m，属于厚大矿体;Ⅱ、Ⅲ号矿体平均真厚度分别为11.05、12.4 m，属于中厚矿体。矿体走向近南北，上部倾向西，倾角65°～75°，中部(－500 m上下)近乎直立，深部(－500 m以下)向东倒转，倾角72°～88°，属于急倾斜矿体。

本研究通过李楼铁矿采矿方法选择的工程实例，并对其生产中应用的高分段凿岩空场嗣后充填法和高阶段侧向崩矿嗣后充填法进行比较，探讨厚大的急倾斜矿体采矿方法的选择。

1 李楼铁矿采矿方法初选

1.1 采矿方法选择原则

根据李楼铁矿的开采技术条件及水文地质条件，结合李楼铁矿开采实际，采矿方法选择需解决的问题:①地表村庄民宅、农田不受破坏，公路不改道，地表不能塌陷;②要求生产能力大，能实现大规模开采，达到530万t/a的生产能力;③因矿体上部为破碎风化带，节理裂隙发育，岩石破碎极不稳固，裂隙渗水漏水现象严重，所选用的采矿方法应能保护矿体上部破碎风化带，不能破坏顶板稳固性以及防止破碎风化带裂隙水渗水补给;④采切工程量小，采矿准备时间短，投产达产快;⑤要求采矿方法适应性好，资源回收率较高、贫化较小;⑥先考虑－425 m中段F1矿体的开采，兼顾其他矿体的开采。

1.2 采矿方法初选

从李楼铁矿矿体赋存形态和矿岩稳固性看，仅仅是为了采矿崩落法、空场法、充填法均可采用。如果采用崩落法回采，矿体上部第四系黏土层和流砂含水层将被破坏，地下水和黏土的混合物涌入坑内，还将加大矿石的贫化损失指标，直接威胁到矿山生产安全，严重破坏地表。若用空场法回采，当矿柱留的少时，不能永久支撑空区，只能在短时间内保证矿体上部第四系黏土层和流砂含水层不被破坏。同时，在大规模开采过程中积累的大量采空区，因矿柱破坏引发大的地压活动，地下水涌入井下，产生强大的空区冲击波，造成严重的生产安全问题。当留的矿柱多时，矿石损失大，根据李楼铁矿矿岩稳固性，为了保持采空区的永久稳定，矿石回收率约57%，损失率约43%。因此，李楼铁矿不适宜采用崩落法和空场法采矿。

李楼铁矿矿石中金属矿物主要为镜铁矿，其次为赤铁矿和磁铁矿，矿石品位较低。而且矿山要求生产效率高，生产能力大，李楼铁矿生产能力为 530万t/a，每天的生产能力为16 kt以上，为国内生产能力最大的地下金属矿山。若采用充填法类似采矿方法，采矿生产效率和生产能力受条件制约，采矿成本高，企业经济效益差。从对地表和破碎风化层的保护而言，采空区需要充填;从对生产效率，生产能力和企业经济效益而言，适宜采用空场法采矿。根据李楼铁矿的开采技术条件，水文工程地质条件，工程现状，矿山生产和发展需要及其特殊要求，依据国内外大型矿山大规模开采的经验，适宜采用阶段矿房嗣后充填采矿法。该法是将矿块划分为矿房矿柱，在整个矿房或矿柱中分段或阶段凿岩崩矿回采。先采矿房，矿房空区充填后再采矿柱，随后充填矿柱采空区。该方法要求凿岩、崩矿和出矿作业都是在专用的凿岩巷或凿岩硐室内进行，作业人员和设备都不进入采空区。回采矿房时矿柱和围岩可维护回采空间，回采矿柱时利用充填体和围岩来维护回采空间。

李楼铁矿建设工程初步设计中，－425 m中段、－325 m中段为一期开采主运输中段，－400、－300 m为出矿水平，斜坡道按25 m段高设有分段联络道。因此，根据崩矿炮孔深度的不同，空场嗣后充填采矿法分为25 m高分段上向扇形孔空场嗣后充填法与高阶段侧向崩矿嗣后充填法。

2 李楼铁矿采矿方法比较

2.1 25m高分段上向扇形孔空场嗣后充填法

25 m高分段上向扇形孔空场嗣后充填法将矿体划分为矿房矿柱，中间不留间柱，分两步骤连续回采。沿矿房高度75 m内划分为2个分段进行凿岩，在凿岩进路内凿上向扇形孔，以端部切割槽为自由面逐排爆破，空场利用矿柱或充填体支撑围岩，形成在阶段空场下出矿，矿房矿石出完后，立即进行充填［3-5］。25 m高分段上向扇形孔空场嗣后充填法典型方案见图1。

2.2 高阶段侧向崩矿嗣后充填法

高阶段侧向崩矿嗣后充填法将矿体划分为矿房矿柱，中间不留间柱，分两步骤连续回采。凿岩集中在一个水平进行，在凿岩硐室内布置下向平行深孔，采场底部进行切割拉底;采场上盘靠近端部开切割井，下向深孔以切割井为自由面，形成切割槽，周边深孔再以切割槽为自由面全阶段逐排爆破，崩落矿石在底部结构进行集中出矿［6-7］。高阶段侧向崩矿嗣后充填法典型方案见图2。

图1 25 m高分段上向扇形孔空场嗣后充填法Fig.1 25 m high sublevel upwards fan-shaped open stoping with subsequent filling method

图2 高阶段侧向崩矿嗣后充填法Fig.2 The high stage lateral caving stoping with subsequent filling method

2.3 采矿方法方案技术分析

通过以上对2个采矿方法的述评，根据李楼铁矿－425 m中段矿体开采技术条件及工程现状，对25 m高分段上向扇形孔空场采矿嗣后充填法、高阶段侧向崩矿嗣后充填法进行技术分析得出:

(1)高阶段侧向崩矿嗣后充填采矿法采用大直径深孔侧向崩矿、效率高、采场生产能力大，一次崩矿量可达3.2万t;25 m高分段上向扇形孔空场采矿嗣后充填采矿法采用上向孔分排爆破，一次崩矿量最大为1.8 万 t。

(2)高阶段侧向崩矿嗣后充填采矿法采用多排孔阶段一次爆破，可减少采场爆破次数，提高出矿效率;25 m高分段上向扇形孔空场采矿嗣后充填采矿法一次爆破2～3排，爆破量小，采场爆破次数多，大大影响采场出矿时间。

(3)高阶段侧向崩矿嗣后充填采矿法不设分段，凿岩集中在上中段凿岩硐室内进行，采准工程量少，采切比小，中段达产时间短;25 m高分段上向扇形孔空场采矿嗣后充填采矿法凿岩在分段内进行，需设凿岩分段，一般需增设1～2分段，分段采准工程及辅助措施工程量大，采切比高，中段达产时间长。

(4)高阶段侧向崩矿嗣后充填采矿法工艺技术成熟，已在国内外许多矿山使用，如安庆铜矿、冬瓜山铜矿、草楼铁矿、澳大利亚芒特艾矿、加拿大LEVACK镍矿，已形成系统的技术和经验;25 m高分段上向扇形孔空场嗣后充填采矿法国内尚无先例，尤其是上向深孔装药技术及装备还只停留在试验研究阶段。

(5)高阶段侧向崩矿嗣后充填采矿法充填只需要在－400 m分段修筑挡墙，充填料浆充填面超过充填挡墙最高点后，一次充填高度控制在2 m以上，采场充填周期短;25 m高分段上向扇形孔空场采矿嗣后充填法需要在－400、－375、－350 m三个分段内修筑充填挡墙，充填工程大，同时充填体通过各个分段挡墙时不宜过快，采场充填时间长［8］。

通过对高阶段侧向崩矿嗣后充填法与25 m高分段上向扇形孔空场嗣后充填采矿法进行技术比较，前者具有效率高、采场生产能力大、采准工程量少、采切比小、工艺技术成熟、采场充填周期短。25 m高分段上向扇形孔空场嗣后充填法机动灵活、爆破工艺简单、易于处理哑炮、拒爆、岩墙等问题，也具有较高的效率和采场生产能力。

3 结论

(1)李楼铁矿矿体回采以高阶段侧向崩矿嗣后充填法为主，25 m高分段上向扇形孔空场采矿嗣后充填法和浅孔留矿法为辅。李楼铁矿Ⅰ矿体平均厚度达45 m，矿体倾角65°以上，应优先考虑采用高阶段侧向崩矿嗣后充填法;矿体厚度较小，距离Ⅰ矿体较远的Ⅱ、III矿体可采用浅孔留矿法进行回采。

(2)大直径深孔崩矿嗣后充填法与分段空场嗣后充填法为厚大的急倾斜矿体和极厚矿体开采的有效方法，能实现安全、高效、大规模生产。随着凿岩设备、装药设备、爆破器材的发展，大孔穿爆，高分段或阶段凿岩在矿山中的应用越来越广泛。

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