垂直矿体走向布置矿房下盘中深孔回采技术研究与应用

赵 笛 杜英男 任庆伟 黄海辉

(河钢集团矿业公司石人沟铁矿，河北 遵化 064200)

0 引言

石人沟铁矿隶属于河北钢铁集团矿业有限公司，位于河北省遵化市西北10 km。该矿采矿方法为分段凿岩阶段矿房嗣后充填采矿法，矿体倾角为65°～75°，平均70°。分段高度15 m，巷道规格为4.5 m×3.8 m，凿岩设备为阿特拉斯1354、1254采矿台车。垂直矿体走向布置的矿房原回采过程中垂直凿岩巷道的中深孔排面一般在矿体下盘矿岩比值为1时停止继续穿孔施工，此法造成该类矿体下盘矿石的一定损失贫化，且在爆破后上下相邻分层形成台阶，各分层崩落的料堆流动性受阻无法滑落至底部受矿结构内而永久损失。本文针对上述问题开展技术研究，通过优化工程布置，控制爆破工艺，实现下盘矿石完全回收，并避免下盘岩石混入。

1 原下盘矿石回采方案

原下盘矿石回采时，控制下盘矿石损失贫化的方案是在穿脉凿岩巷道中布置的垂直巷道走向的中深孔排线施工至矿体下盘矿岩比值为1时停止，如图1。

(a)原中深孔排线布置示意图

(b)原设计爆破效果图

上述回采方案一是会造成一定的矿石损失和岩石混入，未能充分利用资源且增加排岩费用；二是在爆破后上下相邻分层形成台阶，各分层崩落的料堆流动性受阻无法滑落至底部受矿结构内，造成炸药单耗的上升；三是上下相邻分层的台阶处阻碍充填料浆的流动，降低了充填效率和矿房充盈度和接顶率。

2 下盘回采方案的优化

2.1 矿体下盘创新回采穿孔与爆破方案实施过程

为了从本质上克服下盘矿石的损失贫化等问题，依托石人沟铁矿-210 m中段11-4#穿M2矿房，对垂直矿体走向布置矿房下盘的中深孔布置进行研究和优化，通过在下盘布置凿岩平巷和垂直矿体走向扇形中深孔组合的方式，使下盘矿石基本全部回收，且避免了岩石混入。

具体方案为在矿体内部紧贴下盘矿岩边界布置沿矿体走向的凿岩平巷，在凿岩平巷内布置垂直矿体走向的扇形孔，扇形中深孔孔深随下盘矿体走向精准控制，见岩即停，如图2。

(a)纵剖面图

(b)横剖面图

由于下盘沿矿体走向布置的凿岩平巷内的扇形中深孔在本矿房本水平内的爆破顺序为最末，为了保证爆破作业人员能够安全装药爆破，在设计上将穿脉凿岩巷道内沿矿体走向布置的中深孔末排排线与下盘沿矿体走向布置的凿岩平巷内布置的扇形中深孔排线间预留3 m的保护层，以保护在穿脉凿岩巷道内沿矿体走向布置的中深孔排线全部爆破完毕后，下盘沿矿体走向布置的凿岩平巷不受损坏。在下盘沿矿体走向布置的凿岩平巷内向3 m保护层中间位置沿矿体走向穿凿一排垂直孔，随下盘扇形中深孔一同爆破，达到缩短下盘沿矿体走向布置的凿岩平巷内扇形中深孔爆破抵抗线和回收3 m保护层的目的。

同一分段内爆破顺序依次为，切割井、切割槽、穿脉凿岩巷道内沿矿体走向布置的中深孔排线、矿体下盘沿矿体走向布置的凿岩平巷内的扇形孔。其中，穿脉凿岩巷道内沿矿体走向布置的中深孔排线爆破后形成空区，矿体下盘沿矿体走向布置的凿岩平巷内的扇形孔以此空区为自由面进行爆破。爆后效果见图3。

图3 爆破后效果示意图

2.2 矿体下盘凿岩平巷位置的确定

下盘凿岩平巷的具体位置需要对矿房内各分段剖面进行分析后综合考虑确定，保证后期下盘凿岩平巷内扇形中深孔的合理设计和上下分段的顺利衔接，对下盘凿岩平巷位置进行灵活布置。一般情况下，当下盘矿体倾角小于60°时，下盘凿岩平巷在矿体内紧贴矿岩分界布置；当下盘矿体倾角大于60°时，考虑到上下分段扇形孔衔接问题，下盘凿岩平巷在矿体内距离下盘3～6 m布置。单水平下盘凿岩巷道三维图见图4。

图4 下盘凿岩巷布置示意三维图

2.3 下盘扇形孔孔网参数的确定

2.3.1 下盘扇形孔最小抵抗线的确定

中深孔落矿的最小抵抗线W，一般为钻头直径d的23～30倍，孔底距为(0.85～1.2)W。64 mm孔径最小抵抗线：

W=1.472～1.92 m

(1)

根据验现场爆破经验，取值1.6 m。

2.3.2 下盘主穿巷道垂直孔孔距的确定

孔底距需根据密集系数而定。密集系数的选取是根据经验来确定的，密集系数是孔间距(a)与最小抵抗线的比值(W)。为保证拉槽孔爆破效果，降低拉槽孔爆破后块度，减少矿石碎涨所占用的爆破空间，该矿房选取密集系数为1。

m=a/W=1

(2)

经计算，垂直孔孔底距a=1.6 m。

3 矿体下盘凿岩平巷掘进台车施工规范

为了提高石人沟铁矿井下掘进工程施工效率，避免因采切工程滞后影响下一工序，提高矿房备矿进度，符合开拓、采准和切割三级储量平衡的要求，推进矿山技术进步，特制定以下作业规范：

1)现场采矿技术人员根据掘进施工需要，向台车司机提供掘进工程的总长度和方位并协调测量技术人员提前在施工现场做好放线工作。

2)采用先探后掘的方式，探明前进方向是否有空区，避免塌方和透水事故的发生。

3)采用阿特拉斯281掘进台车进行施工，断面规格为4.5 m×3.8 m。

4)断面穿孔毕后，需安排现场技术人员和掘进爆破技术人员进行验孔，验证炮孔孔距和炮孔质量是否符合爆破作业要求。

5)翌日八点班统一安排爆破作业，四点班统一安排铲运机出料清底作业，保证下一班次阿特拉斯281台车可以正常进场作业。

6)每次爆破作业完成，有效通风半小时后，现场爆破技术人员进行验炮；现场采矿技术人员需进场对爆破效果进行评估，测量循环进尺和计算剩余工程量并对阿特拉斯281掘进台车司机进行技术交底，如炮效不好，则需提出处理方案。

7)掘进施工结束后，需对每炮数据进行汇总，对掘进工程进行评价，成本低于指标部分对台车司机和爆破技术人员进行相应的奖励，成本高于指标部分对台车司机和爆破技术人员进行相应的考核。《凿岩平巷掘进数据汇总及考核表》见表1。

表1 凿岩平巷掘进数据汇总及考核表

4 矿体下盘扇形中深孔采矿台车施工规范

为了精准控制矿体下盘扇形孔的孔深和角度，使中深孔炮孔合理均匀分布，降低下盘矿石的损失率、贫化率和中深孔爆破炸药单耗，特制定以下作业规范：

1)采用阿特拉斯1254采矿台车进行施工，穿孔深度为3～22 m。

2)现场采矿技术人员需提前带领阿特拉斯1254采矿台车司机熟悉施工现场，进行矿房设计交底，确认现场安全，画好穿孔排线。

3)现场采矿技术人员根据地质工作人员提供的矿体剖面图分析矿体下盘的赋存形态，并做出相应的经济合理的扇形中深孔设计初稿。

4)现场采矿技术人员以下盘扇形中深孔设计初稿为参考，在下盘凿岩平巷的南、中、北三个位置各选取三个角度进行探孔，并填写《矿体下盘探孔记录表》，如表2。

表2 矿体下盘探孔记录表

5)阿特拉斯1254采矿台车司机根据探矿点及探矿设计图进行采矿台车局部探矿工作，并严格按现场实际情况进行记录反馈。

6)现场采矿技术人员根据阿特拉斯1254采矿台车司机反馈的《矿体下盘探孔记录表》，结合实际情况对下盘矿体剖面图进行修正。

7)下盘矿体剖面图修正后，采矿技术人员根据修正结果对矿体下盘扇形中深孔重新设计，当矿体下盘南、中、北赋存形态变化较大时，有必要作精细设计，即每排扇形孔单独做一个设计。

8)现场采矿技术人员将修改后设计上交主管领导审核，确认无误后将《采矿台车中深孔作业记录表》下发阿特拉斯1254采矿台车司机进行穿孔。

9)现场操作人员严格根据设计进行穿孔，对穿孔过程中发现的矿岩情况变化及时准确的填写到《采矿台车中深孔作业记录表》，并及时反馈给现场采矿技术人员，如表3。

表3 采矿作业区采矿台车中深孔作业记录表

10)穿孔工作结束后，阿特拉斯1254采矿台车司机将《采矿台车中深孔作业记录表》上交现场采矿技术人员存档。

5 矿体下盘扇形中深孔的爆破方式

采用控制爆破的方式，具体表现为通过控制数码雷管延时爆破的时间长度，使矿体下盘扇形中深孔同排孔间爆破顺序由垂直孔向下开始逐渐延后，使得爆破方向为垂直矿体走向的上盘方向，让下盘垂直矿体走向布置的扇形孔爆破飞石抛掷到已爆破完的延矿体走向布置的排线所形成的空区中，剩余未被抛掷的矿石，被爆破破碎后，形成矿石料堆，堆在下盘位置，等下一分段矿体下盘扇形孔爆破后落入下一分段，达到被回收的目的,如表5所示。

图5 爆破方向示意图

根据矿体内下盘扇形孔具体的穿孔情况，当孔深小于10 m时，在孔底布置一个起爆弹；当孔深超过10 m时，在孔中间和孔底各布置一个起爆弹，保证爆轰波的有效传导；当矿体下盘倾角较缓，下盘扇形孔数目较多时，采用逐孔起爆和V型爆破结合的方式，增强爆轰波在自由面间的反射作用，提高矿石的破碎效果，确保矿体按设计要求顺利剥落。

6 现场实验爆破情况

石人沟铁矿通过该矿三期工程采区-210 m中段11-4#穿M2矿房开展工业试验，爆破后形成空区，人员无法进入，未将被完全揭露的矿体下盘全貌拍摄出来，只拍摄部分爆破效果照片，如图6。

(a) 爆破后下盘效果图(俯视图) (b)爆破后下盘效果图(正视图)图6 现场爆破效果图

通过现场出矿过程跟踪和对爆破后矿体下盘现场观察，-210 m中段11-4#穿M2矿房一是空区下盘坡面平滑，各分段下盘矿石均落入底部受矿结构；二是基本实现了下盘矿石的全部回收，下盘围岩保留完好基本未造成矿石贫化；三是通过后期充填工作验证，平滑的下盘坡面保证了该矿房空区充填料浆较好的流动性，上向充填成功接顶，充盈度良好。

综上，本文所述方案达到了预期目的，解决了垂直矿体走向布置矿房下盘矿石损失贫化的问题。

7 结语

通过在下盘凿岩巷道钻凿扇形中深孔实现了对垂直矿体走向布置矿房下盘矿石的全部回收，同时避免了非必要岩石混入。在提高矿产资源的利用率，保护矿山远景资源的同时，提高了原矿质量，有效控制了矿石损失贫化率。