石人沟铁矿民采空区残矿回收关键技术*

杜英男 李晓东 卢宏建

（1.河钢集团矿业公司石人沟铁矿；2.华北理工大学矿业工程学院）

石人沟铁矿为露天转地下矿山，地下采矿工程分三期进行，其中一、二期工程分别于2001年和2003年开始基建，采矿方法为浅孔留矿法；三期工程于2006 年开始基建，采矿方法为分段空场嗣后充填法。自21世纪初，受矿石价格持续走高影响，石人沟铁矿周边民采活动日趋频繁，在井下形成了大量低分段采空区。随着第三期井下开拓采准工程的不断推进，这些民采空区逐渐被发现，不仅给矿山生产工作带来诸多不便，而且存在相当大的安全隐患。对已揭露采空区现场踏勘后，归纳民采活动存在如下特点：①开采极不规范，矿房间柱、点柱较少，顶板暴露面积大；②采富弃贫，矿石回收率低；③采空区交错复杂，或相互连通，或顶底板较薄；④部分空区内存在积水、毛石、尾砂、风水管路、风筒布及弃用设备设施等。

由于分段空场法具有特殊性，无法将采空区上下部的矿石回收干净。为最大程度回收矿石资源，提高矿石回收率，矿山正在探求一种更为安全可靠、经济合理的采矿方案用以回收民采空区上下部矿石［1-6］。

1 残矿回收试验区域选取

石人沟铁矿在三期工程施工过程中分别在6 个水平发现大小不等的民采空区28 处，顶板暴露面积从几百平至几千平不等。其中，在-90 m 水平M1、M4矿体内累计揭露空区9 处，本次选取较为典型的11#～13#勘探线M4矿体内的民采空区进行采矿技术研究及现场试验。

该民采空区位于-90～-75 m 水平，空区底板标高为-83.7 m，平均采高为6.5 m，宽度为12.0 m，走向长度为151.6 m，在中间部位留有1.5 m 间柱，整体暴露面积约为1 895 m2。

2 试验区域残矿回收原则与矿房划分

回收民采空区上下部矿体时应遵循以下原则：①空区在矿石回收完毕后上盘与顶板暴露面积应满足采矿设计手册要求，如表1 所示；②民采空区内原有矿柱应被充分保留；③充分利用现有巷道来降低回收费用。

M4矿体水平厚度平均为12 m，矿房走向长度为43 m，采高为51 m，回收完毕后顶板暴露面积为516 m2，上盘暴露面积为2 193 m2，满足设计要求。

3 残矿回收关键技术

石人沟铁矿一、二期工程均采用平底结构浅孔留矿法进行回采，该方法在矿山生产中技术已相当成熟。三期工程采矿方法为分段空场嗣后充填法，该回收技术经过10 余年的不断优化改进，已经具备安全高效回收矿体的能力。综合考虑民采空区顶板暴露面积和顶底板高差过大、底板坑洼不平、作业条件较差的现状，以及矿山具有进口281 型掘进台车3台、1254 型采矿台车4 台、4 m³铲运机5 台的设备条件，最终确定民采空区上部矿体采用平底结构浅孔留矿法，下部矿体采用分段空场法的联合开采技术方案。

3.1 平底结构浅孔留矿法回收方案

3.1.1 回采后爆堆体积与采空区体积核算

按正常矿房开采顺序来说，在施工前需进行采切工程设计与论证。但是，由于民采空区的存在，出现了矿体回收前已形成一定的落矿补偿空间现象。为此，在做矿房采切工程设计前应对回收区域爆堆体积与回收完毕后的采空区体积进行核算。当爆堆总体积大于采空区总体积时，应考虑通过增加采切工程的方式来满足落矿工作的正常进行；当爆堆总体积小于采空区总体积时，则不必增加采切工程，可直接进行空区内落矿工作。该试验矿房爆堆总体积与采空区总体积对比、核实如下。

（1）爆堆总体积计算公式为

式中，V1为矿石崩落后爆堆体积，m³；L为矿房走向长度，矿房实际长度为43.0 m；W为矿体水平厚度，矿体水平厚度为12.0 m；H1为矿房回收高度，矿体实际回采高度为10.2 m，为保护-60 m中段采区整体稳定，该矿房上部预留8.0 m 顶板；矿石崩落后松散系数为1.5。

因此，计算得V1=7 894.8 m³。

（2）采空区总体积计算公式为

式中，V2表示浅采完成后空区总体积，m³；H2表示浅采空区总高度，回采完毕采空区总高度为16.7 m。

因此，计算得V2=8 617.2 m³。

可知V2>V1（采空区总体积大于民采空区上部残余矿石崩落后的体积），说明民采空区上部矿石在回收落矿过程中不需要底部出料。因此，在本次采矿设计过程中不需要考虑民采空区底部增设出矿结构问题。

3.1.2 矿房采切工程设计

由于不再考虑民采空区底部出矿结构的留设，故仅在划分的矿房两端合适区域布置人行通风天井。另外，受采空区已全部扩开影响，若按常规方法将天井布置在矿房两侧间柱内，当落矿爆堆形成后，自然安息角范围内的矿石极易将天井下口堵住，导致天井失去行人通风作用。因此，考虑将矿房南北2条人行通风天井布置在矿体下盘边界线外4 m 位置，天井底部在-90 m 水平，上部与-60 m 水平原有矿房脉外巷贯通，形成上下通路，人行通风天井断面尺寸为2.0 m×1.8 m。同时，在-80，-75和-70 m水平设置分层联络道与采空区贯通，联络道尺寸为2.0 m×1.8 m。人行通风天井设计见图1。

3.2 分段空场法回收方案

中深孔矿房能否实现安全高效回收主要受3 个方面影响：一是采切工程布置是否满足回收设备运行条件，二是切割工程创造的补偿空间是否合理、达标，三是回收爆破孔网参数是否满足炸药单耗、大块率等生产指标要求。为此，仅对矿房采准工程布置、切割工程施工方式和回收爆破工艺进行简要介绍。

3.2.1 矿房采切工程设计

该试验矿房采用沿矿体走向布置，矿房走向长度为43 m，分2 个分段回收矿石（-120 和-105 m 水平），统一在矿房南侧布置切割槽。其中，在-120 m水平布置矿房底部出矿结构，即沿矿体下盘布置拉底巷，在拉底巷东侧布置脉外巷，在走向范围内均匀布置3 条倾斜状出矿进路；在-105 m 水平布置分层切割工程，即沿矿体下盘布置分层凿岩巷，空间上与-120 m 水平拉底巷相对一致，矿房所有巷道尺寸均为4.5 m×3.8 m。分段空场矿房采切工程设计见图2、图3。

3.2.2 矿房重要回采工序施工设计

目前，经过多年的研究与改进，石人沟铁矿中深孔采矿矿房的切割井、切割槽、劈漏等重要切割工程和采矿已全部采用中深孔爆破完成，且技术成熟稳定。由于矿山井下在用穿孔设备为Simba1254、1354型液压凿岩台车，钻头直径为64 mm，故所有中深孔爆破参数全部以此数据为基础，采用理论公式计算、现场试验优化的方式进行最终确定。本次试验矿房回收中，矿房切割井设计规格为2 m×2 m，采用64 mm+102 mm孔径一次爆破成井技术进行施工（图4）；切割槽孔网参数为1.2 m×1.5 m（孔距×排距），采用直孔拉槽技术施工（图5）；劈漏由分布在切割井两侧的两排扇形中深孔组成，孔底距为1.6 m，排距选为1.5 m，采用同侧分段扇形劈漏技术施工；回收爆破按照孔底距和排距均为1.8 m 的孔网参数进行施工（图6）。

矿房在现场爆破试验中选用的是河钢矿业化工分公司生产的现场混装炸药，装药结构为耦合装药，线装药密度为3.5 kg/m，使用的雷管为半秒延期塑料导爆管雷管，采用“簇联”反向连接。

4 结语

石人沟铁矿针对井下现有民采空区赋存情况，选取了-90～-75 m 水平11#～13#勘探线M4矿体内的民采空区作为研究对象，以安全为前提，以经济高效为目的，充分考虑行业规范、空区及采场现状、矿山技术与装备水平，确定了浅孔留矿法与分段空场法联合开采技术方案。最终，通过理论计算、设计及回采试验，成功实现了不出料模式下的平底结构浅孔留矿法落矿和分段空场法安全、高效一次性回收的目的，达到了预期效果，也为其他民采空区上下部矿体回收工作提供了相关依据和技术支撑。