和睦山铁矿最终水平开采技术研究

朱文龙 李国平

（安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司）

和睦山铁矿后和睦山矿段应用无底柱崩落与诱导冒落相结合的采矿方法［1-4］，目前已回采至-275，-287.5 m分段，采准工作已基本施工完毕。由于后和睦山矿段自-250 m分段以下东、西端部矿体逐渐萎缩，上盘矿体倾角逐渐增大且中间矿体红矿增多，矿体的赋存状态更加复杂，对矿石回采有一定影响。特别是-300 m分段是最后一个回采分段，矿体位于和睦山铁矿-300 m水平运输大巷（实际标高-296 m）附近，最终水平的回采有一定难度。

针对后和睦山矿段最终水平的矿石回采，对-300 m分段矿体赋存状态、地压活动规律进行研究，确定合理的开采方案，确保开采工作安全高效。

1 矿体赋存状况研究

和睦山铁矿早期地质资料不够充分，部分勘探数据无法准确反映后和睦山矿段矿体的变化情况。归集、分析后和睦山矿段已采分段的回采情况与矿体赋存状态［5-7］，在现有地质资料的基础之上，结合实际回采情况，修正后和睦山矿段的勘探剖面图（图1）。

根据修正后的地质剖面图，后和睦山矿段-250 m以下矿体的赋存状况主要有以下几个特点。

（1）后和睦山-250 m及其以下水平位于16~17勘探线，上盘局部矿体呈现凸出体形状，增加了采准布置及矿石回采难度。

（2）根据17~18勘探线剖面图，后和睦山-250 m及其以下水平上盘矿体倾角逐渐增大，且赤铁矿侵入较多，导致中部可利用矿体逐渐缩小。目前已揭露最大矿体厚度为-250 m分段63 m，-262.5 m分段48 m，-275 m分段35 m，-287.5 m分段27 m。

（3）后和睦山-250 m以下东、西端部矿体逐渐尖灭，无法垂直矿体走向布置进路，极大程度降底端部矿体的矿石回收率。

综合分析修正后的地质剖面图，根据后和睦山矿段-250 m以下矿体的赋存特点，圈定-300 m分段矿体界限，为-300 m水平矿段开采提供指导。

2 上、下盘地压分布规律研究

2.1 上盘地压分布规律

后和睦山矿体顶板围岩向上依次为周冲村组灰岩、泥灰岩、黄马青组砂、页岩。-250 m水平以下靠近上盘矿体逐渐过渡为赤铁矿，近矿围岩主要是闪长玢岩，远矿围岩主要是完整的闪长岩。根据和睦山铁矿地质资料，上盘矿岩的物理力学性质见表1。

后和睦山矿段-250 m水平以下矿体倾角为50°~65°，属倾斜矿体，随着采深的不断增加，上盘围岩将呈现出一个倒三角形状的楔形体［8-10］，简化后其形态如图2所示。

考虑后和睦山矿段已回采至-300 m水平，忽略上部采空区散体的支撑作用，楔形体作用于后和睦山最终水平上盘矿岩单位长度的附加力ΔT可表示为

式中，H为巷道顶板埋深，300 m；γ为上覆岩层容重，26.05 kN/m³；α为矿体上盘倾角，58°；λ为应力集中系数，0.1。

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经计算，ΔT=73.26 MPa。在上述计算的附加力作用下，若后和睦山矿段-300 m分段上盘沿脉运输巷道布置于近矿围岩位置，巷道开挖之后都会发生变形，由于上盘矿体赤铁矿与粉状磁铁矿界限无法明确圈定。且上盘运输巷道需保留至该分段矿石回采结束，因此，上盘运输巷道需在远矿围岩位置进行开拓。结合后和睦山矿段-200 m以上分段外脉巷道的变形状况及施工经验，上盘运输巷道需布置于上盘矿体界限外5.0~8.0 m。

2.2 下盘地压分布规律

后和睦山矿体底板围岩依次为灰岩、大理岩、闪长岩，底板以下有一层半坚硬为主、少量软弱的岩层，其厚度为5.83~6.2 m，该层以下即为新鲜、坚硬、完整的闪长岩，属坚硬、稳定级。下盘近矿围岩蚀变闪长玢岩，内含蒙脱石等黏土类矿物，遇水易崩解，远矿围岩主要是完整闪长岩。根据和睦山铁矿地质资料，下盘矿岩的物理力学性质见表2。

?

后和睦山矿段深部没有发现明显的构造应力迹象，可认为开拓工程主要受重力场作用。以后和睦山矿段埋深300 m巷道为例，下盘围岩主要为页岩、灰岩，容重为28.1 kN/m³。在重力场作用下，巷道表层围岩的受力状态见图3［11-12］。

顶板围岩主要受到水平压力T的作用，两帮围岩主要受到垂直压力R的作用。根据力系平衡原理，可得关系式

整理得

式中，T为巷道顶板围岩所受水平压应力，kN/m2；R为巷道两帮围岩所受垂直压应力，kN/m2；h为巷道高度，3.5 m；l为巷道宽度的一半，2.0 m；q为垂直压应力，q=γH，其中，γ为上覆岩层容重，28.1 kN/m³；H为巷道顶板埋深，300 m。

经计算，R=16.86 MPa，T=4.82 MPa。

两帮的垂直压应力已经超过后和睦山矿段-300 m分段下盘近矿围岩的平均抗压强度，因此后和睦山矿段最终水平靠近下盘的沿脉巷道应布置在远矿围岩区域，结合回采经验，下盘运输巷道需布置于下盘矿体界限外8.0~12 m。

3 最终水平开采方案

后和睦山矿段最终水平采矿方法沿用无底柱分段崩落法［13-15］，阶段高度为12.5 m，沿脉运输巷道为4.0 m×3.5 m（宽×高）的三心拱形，回采进路为3.7 m×3.5 m（宽×高）的三心拱形，回采进路垂直矿体走向布置。采用无轨电动铲运机进行出矿，经过格筛倒入主溜井。

根据后和睦山矿段-300 m分段矿体赋存状况及上、下盘应力分布规律，制定后和睦山矿段-300 m分段采准设计及回采方案。

3.1 上盘运输、下盘回采

结合上盘地压分布规律分析结果，上盘运输巷道需布置在远矿围岩区域，布置于上盘矿体界限外5~8 m处（图4）。其他采准设施布置如下。

（1）采准巷道。由-287.5 m平巷掘进斜坡道至-300 m水平，然后通过3#回采进路掘进上盘运输巷道，贯通进路后，由下盘往上盘退采。

（2）采区出矿。斜坡道开口处贯通1#主溜井，矿石由铲运机运至主溜井，由振动放矿机放至-300 m矿车。

（3）采区通风。新鲜风流由13#进路与-300 m运输巷道贯通处进入，循环采区后由斜坡道出去。

（4）采区排水。在13#进路与-300 m运输巷道贯通处设置水仓，采区积水进入水仓，由水泵抽送至-300 m水沟。

3.2 下盘运输、上盘回采

结合下盘地压分布规律分析结果，下盘运输巷道需布置在远矿围岩区域，即下盘矿体界限外8~12 m处（图5）。其他采准设施布置如下。

（1）采准巷道。由-287.5 m平巷掘进斜坡道至-300 m水平，沿矿体外侧10 m处掘进下盘运输巷道，贯通进路后，由上盘往下盘退采。

（2）采区出矿。斜坡道开口处贯通1#主溜井，矿石由铲运机运至主溜井，由振动放矿机放至-300 m矿车。

（3）采区通风。新鲜风流由13#进路与-300 m运输巷道贯通处进入，循环采区后由斜坡道出去。

（4）采区排水。在13#进路与-300 m运输巷道贯通处设置水仓，采区积水进入水仓，由水泵抽送至-300 m水沟。

3.3 方案选择

针对以上2种开采方案，通过矿石回采、出矿、通风及排水等方面的对比分析，方案1上盘运输巷道位于矿体附近，受楔形地压影响，巷道稳定性较差且矿石难以充分回收。斜坡道与上盘运输巷道由进路贯通，服务期限较长，后期维护困难。方案2中下盘运输巷道布置在矿体外侧10 m处，巷道稳固性相对较好。由于下盘矿石相对于上盘储量较多，该方案由上盘往下盘退采，可较好地回收下盘矿石。

综上所述，结合安全、经济和技术等相关因素，最终确定下盘运输、上盘回采作为后和睦山矿段最终水平的回采设计方案。

4 结语

针对后和睦山-250 m以下矿体赋存状况较为复杂，以及-300 m水平矿体的回采难度较大的问题，通过修正后和睦山矿段勘探剖面图，研究、分析后和睦山矿体上、下盘围岩地压的分布规律，确定下盘运输、上盘回采的开采方案，极大程度地保障了后和睦山矿段最终水平矿石的安全高效回采，延长了后和睦山矿段的回采期限。