上向分层充填采矿法在铁山矿边角矿开采的应用

王松涛 王海伟 李公堂 唐先明

（1.河南安钢集团舞阳矿业有限责任公司；2.攀钢集团工程技术有限公司）

铁山矿在主矿体之外，在东部和上下盘都存在很多边角矿，这些矿体无法采用设计推荐的垂直深孔落矿的阶段矿房嗣后充填法开采，为了回收这部分矿石，铁山矿在-100 m 水平以上边角矿试验采用上向分层充填采矿方法，通过对边角矿的采矿试验，制定了合理的开采方案。

1 工程概况

铁山矿是舞阳矿业公司主要生产单位之一，承担着重要的生产经营任务，采用嗣后充填的地下开采方式。铁山矿矿床内分布有铁古坑、河湾、铁山庙、石门郭4 个矿段，属“鞍山式”沉积变质贫铁矿床。矿体呈北西—南东向展布，全长3.6 km，铁矿体赋存在太古界华山群铁山庙组深变质岩系含矿层带（组）内，自下而上集中分布在D1、D2、D3、D4 含矿层中。铁山矿现在开采的铁古坑矿段位于2～13 线，长1 300～1 400 m，该矿段包含 2 条矿体：D1-1 和 D2-1号矿体。D2-1 总体走向为NW—SE，倾向为SW220°～242°，矿段平均倾角为36°，由浅至深变缓，为主矿层，连续稳定；D1-1分布在主含矿层D2之下，走向长约150 m，厚2.00～9.63 m，平均为6.47 m。区内广泛发育有成矿后侵入体细粒闪长岩岩墙，其对矿体具有一定破坏作用，致使矿体内部构造复杂化。

铁山矿矿体在岩墙的切割下，产生了与主矿体相对独立的边角矿，同时矿体在9 线以东变薄，在D2主矿层之下，还有D1矿层，均无法采用垂直深孔落矿的阶段矿房法开采。其中-100 m 水平以上有边角矿约130 万t，这部分矿石的开采既能回收部分资源，又能弥补铁山矿地采生产能力的缺口，将作为研究对象进行试验开采。

由于这部分矿体南侧是露天矿西出入沟道路、上部是西排土场道路、西北侧是外委单位项目部驻地、北侧是西风井，环境复杂，需要保护的设施多。如何在保护各项设施安全稳定的前提下，安全、高效地开采这部分矿石，成为研究工作的主要内容。

2 边角矿开采方案选择

铁山矿-100 m 水平以上边角矿位于铁古坑矿段西段，铁古坑露天采场西端帮以外，属露天开采境界外的边角矿体。垂直矿体的南北向厚度约80 m，-100 m 水平沿矿体走向约130 m，向上逐渐变短，呈一上窄下宽的楔形体。

2.1 采矿方法选择

边角矿如果采用露天开采，一是西风井、项目部驻地等设施存在阻碍，二是有征地和重新办理扩帮安全生产许可证等难点，同时剥离成本较高，所以采用地下开采较合适；因地表不允许塌落，露天矿最终边帮不能有大的变形，必须把产生的空区及时充填，可以采用的采矿方法有VCR 嗣后充填采矿法、分段矿房嗣后充填采矿法、上向分层充填采矿法等多种采矿方案。对比几种采矿方案的生产能力、安全性、采掘工程量、回采率和混入率等要素，从而确定合适的采矿方法，达到安全、经济的目的。

目前舞阳矿业公司铁山矿主要采用VCR 嗣后充填采矿法，该采矿法于20 世纪70 年代初期由国际镍公司和加拿大工业有限公司共同开发，以漏斗爆破理论为基础，于1974 年首次应用于利瓦克矿［1］，我国凡口铅锌矿［2］、安庆铜矿［3］等矿山也引进该采矿法。该采矿方法生产能力大、效率高、采掘比小，但是回采率不高、混入率较大，而且一次爆破量大，安全性稍差。如在铁古坑边角矿采用该方法，由于开采距离露天采场边帮近，上部是运输道路，开采可能带来不可预知的风险。

舞阳矿业公司八台矿采用的主要是上向分层充填采矿方法，该采矿方法技术成熟，成本可控，但缺点是生产能力小，效率不高，受充填影响较大，组织上难度稍大。但因为铁山矿在边角矿开采的同时，露天转地下一期工程、露天转地下主体工程同时进行，一期工程生产能力逐步下降，主体工程生产能力逐步增强，边角矿只是作为两部分开采衔接期间的补充，对生产能力的影响不大。但该方法在边角矿应用的可行性、安全性和采矿方法的技术参数确定需要进行研究和试验。

分段矿房嗣后充填采矿方法生产能力和安全性均满足要求，但由于需要做出分段工程，前期投资较大，总体成本偏高，施工工期长，无法满足铁山矿尽早出矿的需求。

3 种采矿方法中，上向分层充填采矿方法安全性高、成本低，开采矿石品位高，回收率和混入率可控，对其进一步试验，以确定具体的开采方案。

2.2 开拓方案的选择

有3种开拓方案：

（1）经由露天采场的斜井开拓。从露天采场施工斜井，到达矿体，再施工沿脉巷道、采准巷道。由于经过露天采场，虽施工简单、成本低，但矿石开采从-50 m 水平开始，矿石丢失大，且经露天采场施工，需要重新设计、审批，时间长、费用高，审批难度大，可操作性差。

（2）经由露天采场的斜坡道开拓。从露天采场施工斜坡道，经矿体下盘到达矿体，再施工沿脉巷道、采准巷道的露天开口斜坡道。由于要先施工斜坡道，系统形成后才能进入采矿阶段，耗时较长，不利于尽早出矿。

（3）从-100 m 水平开口的斜坡道开拓。从一期工程-100 m 水平施工斜坡道，经矿体下盘到达露天采场底部边帮。可以先施工沿脉巷道、采准巷道，斜坡道施工和采准工程、矿石开采同时进行，系统跟随采矿水平同时或超前形成。

第3 种开拓系统主要有斜坡道、各水平石门、平硐、溜井、充填回风井等。-100 m 水平斜坡道施工至-83 m 水平后，施工石门进入采场（-83 m 水平），后沿矿体向东西2个方向施工运输巷，运输巷与各回风井贯通，然后进行采场内各条放矿溜井的施工。斜坡道按生产需要分别在-83，-73，-63，-53，-43 m 水平施工石门进入采场。本方案见矿早、出矿快，前期投入少，是最有利的方案。

本工程的采准切割工程主要为-83 m 水平矿房的切割，-83 m 水平开拓系统形成后即开始进行矿房的采准切割，首先施工两端矿房的切割巷，然后从两端向中间施工奇数号矿房，最后完成偶数号矿房切割巷道的施工。

3 采矿工艺参数

3.1 采矿方法技术参数

为使西帮矿体回采率最大化，本次设计不分中段，即至-100 m 水平开始向上回采至-40 m 上部水平，中间不再另设中段。

设计矿房宽度为9 m、高4.5 m、矿房间留3 m×3 m点柱。

沿矿体走向，采场内共布置3 条溜井，溜井规格为φ2 m、高10 m。

为解决采场内人员进出及物资材料运输，在采场矿体外沿矿体边界布置1 条斜坡道，坡度为15%（均坡），斜坡道规格为4 m×3.8 m、断面面积为14.37 m2、长594 m。

根据露天矿现场情况，在0 m 平台施工便道至上部水平平硐开拓位置处施工平硐，平硐依据充填回风井的需要布置在矿体内部。平硐规格为4 m×3.8 m，长120 m。

为解决采场通风及充填问题，在上部水平开设平巷，通过平硐将充填回风井均匀布置在采场内，共布置2条，每两条间距60 m，充填、回风井内安设安全梯作为第二安全通道，充填、回风井规格为φ2 m、高65 m。

目前，-100 m 开采水平现场巷道顶板实际高程为-93 m，开采-100 m 以上矿石可以延用-100 m 下盘沿脉巷道，将该沿脉巷道作为-100 m 中段的出矿运输巷道。

运输巷道保护底柱高度确定为10 m，为保证机械设备及人员能进入采场内，根据-100 m 水平矿体分布情况确定在-100 m 水平下盘29#巷道反向位置处开设1条斜坡道，进入-83 m水平采场。

由斜坡道进入-83 m 水平采场后，沿矿体走向布置运输巷，运输巷规格为5.8 m×4.5 m。沿矿体垂直方向布置矿房，矿房宽9 m，每2个矿房间留3 m×3 m点柱，另在矿体末端可以沿矿体走向布置矿房，以便最大化回采矿石。矿房回采开始时由于矿房较宽，可以先在每个矿房中部位置打1 条切割巷（规格4.2 m×4.5 m），然后将切割巷刷大至矿房的宽度，以便矿房的回采顺利进行。

沿运输巷每隔50 m 左右布置1 条溜井，溜井与-100 m 水平已形成巷道相对应，以便减少-100 m水平开拓工程量。

斜坡道与上部水平平巷贯通，另外为加快施工速度可以在上部水平平巷施工完成后，安排斜坡道进行2个工作面的掘进。

3.2 采矿盘区的划分

经过开采试验发现，在边角矿开采中，每个矿房开采1 个分层后立即充填时，采充交叉作业频繁，封堵作业多，矿房充填占用时间长，采矿效率难以提高。经分析优化，在-100 m 水平边角矿范围内，分为3 个开采盘区，轮流开采和充填，充填时只需要在盘区之间的通道内进行封堵隔离，采充效率大为提高。由于上部矿体变短，计划每向上开采约15 m，减少1个盘区，至-53 m 水平以上合并为一个盘区，以利于提高整体采矿和充填效率。

3.3 矿房回采

矿房设计宽度为9 m，矿房间留3 m×3 m 点柱。矿房切割巷形成后-83 m 水平通过刷大切割巷的方法进行回采矿石，当采场标高升高至-80.5 m 后即可采用凿岩台车凿岩爆破压顶回采矿石，一次凿岩深度为3.5 m，压顶高度为3 m，则每炮能产生370 t 矿石。

矿房回采时随时关注露天坑与矿房对应位置，保证露天坑底与矿房间留有10 m保安矿柱。

爆下的矿石采用ST1030 型铲运机铲运至溜井内，通过溜井、放矿机装入矿车内运输至矿槽。

3.4 充 填

矿房规格为9 m×4.5 m，起拱高3.0 m，充填至压顶高度。每采完1层后，矿石溜井加高钢桶。溜井钢桶直径为2.0 m，高1.5m，利用设备井将钢桶运送至采场，采用铲运机将其运至预定位置并焊接固定。周边覆盖土工布并紧密固定。

溜井加高结束后，进行充填，充填高度为3.5 m，矿房顶部留有1 m的补偿空间，便于下次爆破落矿。

充填管路为φ133 mm 钢编复合管，单根长度为6 m。充填管路经充填回风井下设至采场布至充填区域。

4 掘进工程参数及施工

4.1 工程类型

本工程所需施工的巷道主要为运输巷、切割巷及平硐，通过测量对各巷道进行放线，并用红色油漆标示其轮廓后，采用YT-28 型风钻及凿岩台车进行凿岩，装药爆破后，用装载机装渣，对于斜坡道产生的岩石，使用汽车运输到-100 m水平充填矿房内。

本工程斜坡道及平硐开挖断面为14.37 m2，运输巷开挖断面为21.76 m2，切割巷开挖断面为17.56 m2，采取全断面一次掘进方式，使用YT-28 型风钻及凿岩台车进行凿岩。可钻凿1～2 个空心孔（φ40 mm），为掏槽眼爆破提供自由面及一定的补偿空间，提高爆破效率。空心眼周围布置掏槽眼、辅助眼及周边眼，采用直线桶形掏槽方式（或楔形掏槽方式）。

放矿溜井、回风井规格均为φ2.0 m，放矿溜井高度为10 m，回风井高度为65 m。放矿溜井高度低，采用人工自下而上反掘施工，一次成型。回风井高度较高，首先采用反掘钻机施工φ1.2 m 天井，再刷大至设计断面。

4.2 爆破参数的选择

根据地勘资料，巷道围岩主要为特坚石，坚固性系数f=8～12，故根据经验及相关资料取单位炸药消耗量 q=2.4 kg/m3［4］。爆眼直径 d=40 mm，钻孔深度 L=2 m。

计算炮眼数N有2种公式，选择较大数：

式中，S 为巷道断面积，m2；η 为炮眼利用率 0.9；Ly为药卷长度，200 mm；Δ 为装药系数0.7；G 为每个药卷重量，0.215 kg。

经计算，确定炮眼数N=43个。

最小抵抗线W=（30～35）d［5］=1 200～1 400 mm，取W=1.3 m。

炮眼超深h1=（0.15～0.35）W=0.195～0.455 m，取h1=0.4 m。则钻孔深h=2.4 m。

单个炮眼装药量Qy=（Δ×L×G）/Ly=1.80 kg；每排炮总装药量Q=qSLη=65.02 kg。

采用人工装药，根据经验及相关资料确定填塞长度，取不小于0.8 m，填塞料为含一定水分的砂土混合料。

起爆网路采用非电毫秒雷管爆破，用电雷管起爆。起爆顺序按所圈定范围分段，从内向外顺序起爆。

4.3 防 尘

由于钻进速度较快，钻一个2.4 m 深孔从开眼口到钻孔完毕，只需15 min 时间，快速钻进将产生很多粉尘。采用高压水防尘方式，高压水通过钻头喷洒到眼底，将眼底润湿，同时将逸出粉尘捕捉，达到防尘目的。

炸药爆破时，体积将增大1 000 倍，产生浓烈炮烟，爆轰波将岩体破碎，粉尘笼罩整个掌子面，放炮后最初几分钟粉尘浓度超国标约40 倍，且持续时间长，是造成矽肺的主要原因。为尽量缩短放炮后等待时间，达到快速防尘目的，决定采用风水混合喷雾防尘。风压力取 5 kg/cm2，水压力取 3～4.5 kg/cm2，耗水12 L/min，自制鸭嘴式喷雾器，喷雾器正对作业面，距掌子面10 m，采用人工控制，闸门设在距掌子面30 m 以外。通过喷雾措施，可在炮响后5 min 将掌子面粉尘浓度降至2 mg/m3左右，约10 min达标后，人员进入掌子面作业。

机械装渣时粉尘浓度一般在国标的15 倍左右，采用人工洒水防尘，向爆堆洒水，冲洗作业面后20 m岩帮，达到防尘目的。

4.4 支 护

现场具体支护形式主要以素喷射混凝土为主，厚度为100 mm，破碎段采用喷锚支护或喷锚网联合支护方式。支护类型根据开挖揭露围岩的实际情况，现场确定支护方式。

4.5 通 风

斜坡道、平硐及运输巷施工，采用压入式通风，硐口15 m外安装轴流式通风机将风送至工作面。

切割巷施工在通风井贯通前，采用混合式通风，斜坡道硐口外安装轴流式通风机将风送至工作面，工作面通风机将污风送至洞口外部。通风井贯通后，-20 m 平硐处安装主通风井，采用抽出式通风方式，新鲜风流由主斜坡道、-100 m 水平下盘沿脉巷道、3#斜坡道、斜坡道联道进入矿房，冲洗工作面，污风从1#、2#充填回风井经-20 m平硐抽出排至地表。

5 结 论

铁山矿区-100 m 水平边角矿开采中以上向分层充填采矿法展开试验，对回采盘区的划分、矿房的布置及采准切割巷道的施工等做了细致规划，确保了-100 m 水平边角矿在满足爆破振动、回采率及回采周期等各方要求的前提下顺利进行回采，形成了1套适用于边角矿的回采工艺，可在国内同类矿山边角矿的回采中进行推广，具有良好的技术可行性和经济适用性。