预控顶上向进路充填法在白象山铁矿的应用

陈五九 刘发平 张钦礼 王 兢

(1.马钢(集团)控股有限公司姑山矿业公司；2.中南大学湖南中大设计院有限公司)



预控顶上向进路充填法在白象山铁矿的应用

陈五九1刘发平1张钦礼2王 兢2

(1.马钢(集团)控股有限公司姑山矿业公司；2.中南大学湖南中大设计院有限公司)

根据白象山铁矿矿岩稳固性差，涌水量大等开采技术条件，综合考虑技术经济效益，采用了预控顶上向进路充填法开采，将上向水平进路充填法“自下而上单分层回采”变为“自下而上双层合回采”，通过数值模拟优化了预控顶进路充填法采场结构参数，完成了采准、回采、充填工艺设计。实践表明，预控顶上向进路充填法大大提高了生产效率，降低了回采成本，按照矿山200万t/a生产能力，可节约开采成本6 770万元/a，满足了矿山安全高效生产的要求，为同类矿山开采提供了经验。

预控顶上向进路充填法 开采条件 结构参数 回采工艺 充填工艺

白象山铁矿是马钢(集团)控股有限公司姑山矿业公司的下属矿山，拥有储量丰富的优质磁铁矿资源，初步设计生产能力200万t/a，采用竖井斜坡道联合开拓，机械化盘区上向分层连续倾斜进路尾矿充填采矿法和机械化盘区点柱式上向分层充填采矿法开采[1-2]。由于矿岩稳固性较差，涌水量大且防治水工作尚未完成[3]，参考该矿业公司和睦山铁矿开采经验，确定采用预控顶上向进路充填法进行不稳固矿体回采。

1 开采技术条件分析

矿床内共圈定矿体11个，其中Ⅰ#矿体为主矿体，地质储量约占矿床总储量的98.9%，其余小矿体仅占总储量的1.1%。主矿体赋存在闪长岩与砂页岩接触带内，其形态受矿区背斜构造控制,横向呈平缓拱形，产状与围岩基本一致，两翼倾角5°～35°，在挠曲部位达35°～55°，一般为10°～30°。纵向南部南倾，与背斜倾伏角大致相同。

矿床水文地质条件和矿体形态复杂，地表有青山河流经矿区，常年有水，且水量大；矿体上部连续分布的强含水层是矿坑充水的主要含水层，向上承接第四含水层的越流补给，向下补给矿体含水层。矿区内有导水性好的F1、F2、F3断层，切割矿体顶板各岩层，直达河床和地表。

矿区节理、裂隙发育，基底岩层成矿前节理主要发育20°～50°和290°～345°两组，为铁质、矽质和碳酸盐等充填，成矿后主要发育285°节理。

主矿体基本稳定，但矿体夹石层和矿体顶底板围岩局部具有软化岩石特征，上下盘20 m范围内存在一个近矿围岩不稳定带，是影响矿山开采的主要工程地质问题。

2 预控顶上向进路充填采矿法

2.1 采矿方法特征

与普通进路充填法自下而上单分层回采[4-7]不同，预控顶上向进路充填法采用的是自下而上双层合回采，融合空场法与充填法，通过预先拉顶加固顶板、下向采矿形成较大空场、然后充填的一种采矿方法。其基本特征是：将两个分层作为一个回采单元，首先回采上分层(控顶层)，之后加固顶板，再回采下分层(回采层)，充填。本采场所有上下两层进路回采充填完毕后，再升层至上两个分层[8]。

2.2 采场结构参数优化

预控顶上向进路充填法的关键结构参数是进路宽度和高度。综合考虑进路稳定性、支护量和生产效率，确定进路宽度4 m，对回采进路高度进行优化。

2.2.1 参数优化方法

由于采场结构参数影响因素众多，且大多属于定性因素，使采场结构参数无法实现理论上的最优化。传统的模型试验及现场采矿试验均难以实现多种结构参数和回采方案的优化研究。为此，利用数值模拟软件，分析了不同高度组合(模型1、2、3进路高度分别为6，7和8 m)条件下，第二步进路回采时(由于二步采进路是在一步采进路回采完毕并充填的情况下进行回采，其安全性远较第一步采场差)顶板矿体和人工胶结矿柱的稳定性情况。

模型尺寸(宽×高×长)为660 m×230 m×880 m。

2.2.2 材料参数

采用白象山铁矿初步设计中给出的矿岩力学参数，充填体力学参数取自该矿充填试验(表1)。

表1 矿岩力学参数

2.2.3 数值模拟优化结果分析

数值模拟[9-11]主要分析采空进路直接顶板及周围人工矿柱的稳定性，一旦其中任何一个组成要素不稳定，都将导致采场处于危险状态之下。由于影响顶板安全性因素多，如岩石力学性质、节理与裂隙发育情况、回采强度(暴露时间)、爆破参数、支护方式、采场结构参数等，受数值模拟技术水平限制，模拟结果并不能保证百分之百准确。因此，为安全起见，采用安全系数法进行采场顶板稳定性评价。安全系数定义为矿岩抗压强度(或抗拉强度)与顶板最大压应力(或拉应力)之比。

模拟结果见表2、表3。模型2采场和充填体的应力情况见图1。分析各图表有关数据可以看出，各模型矿体顶板最大压应力及人工矿柱最大压应力和最大拉应力均未超过各自极限抗压强度和抗拉强度值，各模型大面积呈现均匀下沉状态，最大沉降量0.8 cm，尤其是进路顶板抗拉安全系数都较高，说明充填体起到了良好的控制地表沉降作用，模型3(进路高度8 m)人工胶结矿柱的最大拉应力偏大，抗拉安全系数n1<1.15，不宜采用。从安全和经济因素分析，推荐预控顶上向进路充填法时，回采进路宽度取4 m，进路高度7 m(即各分层进路高度3.5 m)。如果在开采过程中发现部分地段稳固性较差，可适当减小采场高度至6 m。

表2 矿体直接顶板数值分析

表3 人工胶结矿柱数值分析

图1 模型2进路直接顶板拉应力效果云图

2.3 采准工艺

预控顶进路充填法进路沿矿体走向布置，根据采场结构参数优化结果，单分层进路高度3.5 m，两分层回采完毕后，进路高度达到7 m。采准工程主要包括分段平巷及分层联络道、采场斜坡道、回风巷道、溜矿井、充填回风井及泄水井等(图2)。

图2 预控顶上向进路充填法方案

(1)分段平巷。分段平巷沿矿体走向布置，负责上下若干分层的回采，断面尺寸为4 m×3.8 m。

(2)分层联络道。分层联络道布置在盘区两端，作为盘区分界线，一条通达预控顶进路采场的下部分层(回采层)，作为下部分层回采的联络道，另一条直达采场的上部分层(控顶层)，作为预控顶进路回采的联络道。分层联络道断面规格要求满足铲运机运行安全、方便，断面尺寸为4 m×3.8 m。

(3)进风泄水井。联络道尽头(矿体上盘)布置进风井，以改善各采场进路的通风效果，规格为φ2.0 m。该进风井同时兼做采场泄水井。

(4)充填回风井。充填回风井布置在矿体下盘，尺寸规格φ2.0 m。

2.4 回采工艺

(1)回采顺序。上分层(控顶层)为巷道采矿，下分层(回采层)回采时，在控顶层内以回采层联络道为自由面钻凿垂直孔崩矿。

(2)凿岩爆破。以凿岩台车为主，控顶层采用Bommer 281进口液压凿岩台车，钻凿水平炮孔，回采层采用国产气动凿岩台车，钻凿垂直下向炮孔。采用φ32 mm乳化炸药药卷，长度200 mm，每卷装药150 g。采用非电导爆管、毫秒微差雷管，CHA-300型起爆器起爆。

控顶层按普通巷道掘进方法布置炮孔，炸药单耗0.386 kg/t，炮孔崩矿量1.2 t/m；回采层回采时，在控顶层进路内钻凿下向垂直炮孔，向回采层联络道方向侧向崩矿。下向垂直炮孔深度3.5 m，炮孔距进路轮廓线取0.5 m，其他炮孔间距1.3～1.4 m，排距1.0 m，炸药单耗0.22 kg/t，炮孔崩矿量3.02 t/m。合计预控顶上向进路充填法炸药单耗0.35 kg/t，炮孔崩矿量1.41 t/m。

(3)出矿。出矿设备采用国产2 m3柴油铲运机，生产能力为200 t/(台·班)。

(4)通风。进路采场回采属于独头作业，通风效果差，需安装局部风机。根据要求，风机和启动装置安设在离掘进巷道进口10 m以外的进风侧巷道中，每次爆破结束后，将新鲜风流导入到工作面，通风时间不应少于40 min，污风沿进路出采场经充填回风天井排入上阶段回风平巷，通过回风井排至地表。

2.5 充填工艺

为尽可能缩短进路暴露时间，进路回采结束后应尽快充填。为了防止淋浆后料浆沉缩造成接顶不充分，采用两道充填管，其中一道用于最后的接顶充填。为防止充填引流水和洗管水进入进路采场，于充填挡墙外安装放水三通阀排水，以提高充填体硬化速度和强度，最后在进路入口处构筑挡墙，由于充填体高度4 m，侧压较大，采用砖弧形充填挡墙(图3)。砌筑挡墙厚度0.5 m，并留设排水管口和充填观察窗。同时，在挡墙两侧与巷道接触处用水泥砂浆密闭，以防跑砂。

图3 砖弧形充填挡墙

3 应用效果评价

采用预控顶上向进路充填法，回采进路由原设计的4.5 m×4.0 m扩大为4.0 m×7.0 m，后逐步将进路宽度扩大为6 m，最终形成6.0 m×7.0 m的回采进路。

(1)由于控顶层提供了充足的爆破自由面，回采层爆破效率大大提高，炸药单耗由0.4 kg/t降为0.35 kg/t，仅炸药降低费用1 200万元。

(2)工资成本平均9.5元/t，采用预控顶技术后，由于工效提高，人工成本降低30%，节约人工成本费用570万元。

(3)普通进路充填法支护成本50元/t，预控顶技术回采层基本不需支护，支护成本降低为30元/t，节约成本4 000万元。

(4)采用预控顶技术后，仅需在回采层构筑充填挡墙，充填成本降低5元/t，按200万t产能计算，节约充填成本1 000万元。

综上，预控顶上向进路充填法与原设计的普通上向进路充填法相比，生产效率大大提高，成本明显降低，年节约费用6 770万元。

4 结 论

白象山铁矿是国内著名的大水矿山，水文地质条件复杂，矿岩稳固性较差，通过应用预控顶技术，极大地改善了普通上向进路充填法生产效率低，作业成本高的弊端，保证了作业安全，为破碎矿体安全高效回采提供了一个成功的案例。

(1)采用预控顶技术，将上向水平进路充填法自下而上单分层回采变为自下而上双层合回采，提高了进路充填采矿法生产效率，降低了回采成本。

(2)利用数值模拟方法，优化和确定了预控顶上向进路充填采矿法的结构参数，确定单分层进路高度3.5 m，两个分层回采完成后分层高度7 m，为生产提供了可靠的参数优化方法。

(3)预控顶上向进路充填法，不仅解决了白象山铁矿在裂隙涌水量较大的地段，以及矿岩破碎地段回采作业安全，提高了该矿现阶段产量，而且大大降低了回采作业成本，年节约开采成本6 770万元，经济效益显著。

[1] 于常先,邱云胜,王禄海.机械化盘区上向高分层宽进路充填采矿法在三山岛金矿的研究与应用[C]∥第九届全国采矿学术会议.昆明：中国核学会，中国煤炭学会，中国地质学会等，2012(9)：110.

[2] 艾纯起,刘洪战.盘区机械化宽进路充填采矿法在河西金矿的应用[J].黄金,2014(5):35-38.

[3] 徐 恒,王贻明,艾纯明,等.顶板破碎富水矿山的机械化上向水平分层充填采矿法[J].金属矿山,2015(3):32-35.

[4] 张雄天,张国胜,赵永峰,等.上向进路充填法进路回采顺序的优化研究[J].矿业研究与开发,2016(1):5-9.

[5] 徐 飞,何治良,褚洪涛,等.上向进路充填法在“三下”矿体开采中的应用[J].有色金属：矿山部分,2013(5):24-27.

[6] 艾纯起,李公章.上向进路充填法在残矿回收中的应用[J].中国矿山工程,2014(3):44-46.

[7] 熊国雄,赵雄文,卢 波,等.上向水平进路充填法在铜绿山矿的应用[J].现代矿业,2012(11):4-6.

[8] 张钦礼.一种预控顶上向进路充填采矿法：中国，ZL201310125403.4[P].2015-07-10.

[9] 张连恒.MSG铁矿采场参数优化[J].中国矿山工程,2010(8):16-18.

[10] 王洪武,吴爱祥.基于GA模糊可靠度的采场结构参数优化设计[J].武汉理工大学学报,2010(5):89-92.

[11] 张桃元.锡矿山铅锌矿采场结构参数优化[J].中国矿山工程,2010(1):9-13.

2016-07-15)

陈五九(1969—)，男，矿长，高级工程师，243000 安徽省马鞍山市当涂县太白镇。