陳 虎

(萊蕪萊新鐵礦有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

萊新鐵礦位于萊蕪市牛泉鎮(zhèn)境內(nèi)，現(xiàn)隸屬于魯中礦業(yè)有限公司，一期礦量已經(jīng)回采完畢，二期回采全面展開，伴隨二期產(chǎn)能提升的要求，高效的采礦方法研究運(yùn)用得到高度重視。

根據(jù)二期礦體形態(tài)特征，選取東部二期-255 m中段～-205 m中段上盤Ⅳ-1礦體線作為實(shí)踐運(yùn)用首采采區(qū)。經(jīng)過近三年的探索優(yōu)化，不斷的創(chuàng)新發(fā)展完成了無底柱階段空場分段鑿巖嗣后充填采礦方法各種工序，成功的在生產(chǎn)中的實(shí)踐運(yùn)用，為降本增效、提升產(chǎn)能、安全作業(yè)、創(chuàng)建造現(xiàn)在化大礦山打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 Ⅳ-1礦體地質(zhì)水文條件

埋深在253～442 m，海拔標(biāo)高在-60～-262 m總體礦體產(chǎn)狀，走向北東～南西，傾向西北，傾角20°左右，礦體沿長軸方向呈北凸南凹的弧形，其延展達(dá)1 146 m，剖面最大延深為356 m，一般厚度為40 m，最大厚度可達(dá)91 m。

Ⅳ-1礦體上盤圍巖為大理巖，下盤為矽卡巖化閃長巖及蝕變閃長巖[1]，局部出現(xiàn)大理巖。礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單。礦體頂板主要為大理巖，巖溶裂隙較發(fā)育，巖溶裂隙率為0.65%，透水性能良好，是礦床主要充水巖層。經(jīng)原始水文地質(zhì)資料預(yù)測，此區(qū)域最大涌水量可達(dá)10萬 m3/d，由于水文地質(zhì)極其復(fù)雜，回采過程必須確保頂板的完整穩(wěn)定性。

2 采礦方法的的論證開發(fā)

此部分礦體整體性較好，厚度大、走向長、傾角小，具備高效生產(chǎn)的條件。但礦體頂板大理巖裂隙發(fā)育，涌水量大，猶如一個大型的水庫懸在頭頂，隨時都有潰壩的危險。

為安全起見，設(shè)計(jì)院前期的開采設(shè)計(jì)說明主要是采取上向進(jìn)路充填采礦法。此方法生產(chǎn)成本高、切采比大(33 m/kt)、生產(chǎn)效率低(整個東部采區(qū)最大年設(shè)計(jì)能力只具備30 萬t)，難以確保高效回采。為此，只有研究攻關(guān)高效的采礦方法，但必須確保回采過程中頂板的穩(wěn)定穩(wěn)定性。

3 長錨索護(hù)頂?shù)墓リP(guān)

3.1 長錨索長度的選擇

3.1.1 空場采空區(qū)頂板蠕變理論計(jì)算

根據(jù)一期運(yùn)用空場法采礦相類似的圍巖條件生產(chǎn)觀測，礦房爆破空頂后，其圍巖的彈性形變是極小的，在萊新鐵礦的巖體位移之中，甚至不予考慮，但塑性位移的量度隨著時間的變化而變化，大多數(shù)的變化值可以利用彈、塑性理論分析。按簡單的圓形空區(qū)斷面由芬納爾公式算出采空區(qū)周圍塑性區(qū)半徑R：

R=r{[c×cotα+p(1-sinα)]/(c×cotα)}(1-sinα)/2sinα

(1)

式中：r—空場半徑;c—巖體粘聚力；α—巖體內(nèi)摩擦角；p—巷道圍巖的初始應(yīng)力場。

根據(jù)和其它鐵礦巖性相類似的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取兩組：

卸壓區(qū)：r1=7.0 m；c1=33.45 kg/cm；p1=125 kg/cm；α1=27.1°

得R1=9.8 m。

壓力區(qū)：r2=7.0 m；c2=41.41 kg/cm；P2=500 kg/cm；α2=29.2°

得R2=12.06 m。

3.1.2 一期采場空區(qū)實(shí)際觀察統(tǒng)計(jì)

1)各類空場冒頂高度大約在5～10 m之間。(夕卡巖除外)

2)圍巖脫落，大約3～6 m之間，其余部分仍在實(shí)體里面。

3)圍巖形變部位，大約在表面以里3～12 m處。

結(jié)合理論和實(shí)際的統(tǒng)計(jì)結(jié)果：針對卸壓區(qū)和承壓區(qū)范圍，選取的錨索長度15 m。

3.2 長錨索間距的選取

根據(jù)錨索承載力和最長錨索的錨固點(diǎn)所吊掛的巖體重量來確定錨索間距：

d=0.5(A×δt/t×r)

(2)

式中：d—錨索間距，m；A—錨索截面面積，mm2；δt—錨索材料允許拉應(yīng)力，t；r—松動圈半徑，m；t—巖石容量，t3。

從鋼絞索拉力實(shí)驗(yàn)得出：錨索直徑Φ15.24 mm，長度l=15 m，t=7 m，δt=25.26～27.99 t，錨索間距d為1.2 ～1.96 m。設(shè)計(jì)采取長錨索間距d為1.5 m。

3.3 注漿方式的選取

選取注漿用純水泥注漿，水灰比0.2∶1～0.3∶1。采用專門高壓注漿泵注漿終壓2 MPa以上，確保錨索孔無空隙，并對周圍2 m范圍的圍巖裂隙有一定的充填膠結(jié)加固作用。

3.4 布置方式

在待回采空區(qū)中央提前沿走向掘一條護(hù)頂巷，根據(jù)圍巖性質(zhì)不同、礦房形狀不同、地壓不同等，分別布置扇形長錨索3～6根，見圖1。

圖1 長錨索護(hù)頂布置示意圖

4 無底柱階段空場分段鑿巖嗣后充填采礦方法工藝

4.1 采準(zhǔn)設(shè)計(jì)、分段高度的確定

階段高度位50 m，根據(jù)現(xiàn)有的中深孔施工設(shè)備YGZ-90，有效施工深度為20 m以內(nèi)。設(shè)計(jì)將階段系統(tǒng)的分成三個分段鑿巖，底部平底出礦兼做第一層鑿巖分成，依次垂直對應(yīng)為第二分層、第三分層鑿巖道，最上層為護(hù)頂巷，施工長錨索護(hù)頂，及事前帷幕注漿加固堵水措施，以確保在回采過程中空區(qū)頂板的穩(wěn)定性，見圖2。

圖2 礦房采切設(shè)計(jì)示意圖

4.2 礦房的單體設(shè)計(jì)

根據(jù)萊新鐵礦初步設(shè)計(jì)說明空頂面積在600 m2以內(nèi)和實(shí)際生產(chǎn)中的探索總結(jié)，最優(yōu)礦參數(shù)選擇為礦房長40 m、寬12 m、高50 m。礦房單體設(shè)計(jì)，見圖3。

圖3 礦房單體設(shè)計(jì)示意圖

4.3 鑿巖爆破出礦

4.3.1 中深孔參數(shù)及施工

采用YGZ-90型鑿巖機(jī)，施工孔徑65 mm，單中深孔最大深度20 m。

4.3.2 布置形式

采取垂直扇形炮孔布置。邊孔角設(shè)計(jì)為30°，中深孔排排距1.6 m，孔底距孔1.6～1.9 m之間。中深孔布置設(shè)計(jì)，見下圖4。

圖4 礦房中深孔設(shè)計(jì)示意圖

4.3.3 裝藥爆破落礦

裝藥，使用BQF-100裝藥器，風(fēng)壓控制在3～4 MPa采用上向風(fēng)壓擠密裝藥,裝藥密度控制在3 kg/m,采用微差分段導(dǎo)爆管雷管起爆。每排扇孔口密集，為降低炸藥用量，控制效果，采取間隔裝藥，即相鄰孔直徑間隔2～6 m不裝藥。

起爆，每分段起爆最大藥量在150 kg以內(nèi)。根據(jù)中深孔設(shè)計(jì)。每排中深孔在150～200 m之間。按裝藥密度3 kg/m。每排的炸藥用量在450～600 kg。每排分3～5個段。一次爆破最多15段。

落礦，每個礦房在一端部位，首先施工2 m×2 m的切割天井，以切割井為自由面，從上分段至下分段間隔2～3排(大于3 m)的臺階式依次爆破落礦，見下圖5。

圖5 礦房回采落礦示意圖

5 出礦方式

在礦房寬度在一側(cè)間隔8 m，布置出礦巷，運(yùn)用1.5 m3鏟運(yùn)機(jī)出礦裝運(yùn)出礦。

圖6 無底柱鏟車出礦底部結(jié)構(gòu)示意圖

6 礦房充填

6.1 充填工藝

利用工業(yè)廣場的選礦廠尾砂經(jīng)Φ30 m濃密池濃密后，其底流濃度為50%左右，泵送至充填站立式容積分別約為100 m3的漿池內(nèi)。通過自動控制系統(tǒng)均勻的加入膠固劑，通過高壓風(fēng)攪拌造槳后，達(dá)到55%以上的充填槳液，通過充填管路自流大需要充填的空區(qū)。

6.2 充填管網(wǎng)布置及充填倍線

自地表布置兩個充填鉆孔，鉆孔自地表+175 m施工至-205 m，深度380 m，-205 m中段副井石門布置內(nèi)徑為Φ125 mm的鋼管、沿脈及回風(fēng)充填巷布置內(nèi)徑Φ100 mm的鋼編復(fù)合管。從萊新以往的充填經(jīng)驗(yàn)可知充填倍線小于5.5。均能滿足充填料漿的自流輸送要求。

6.3 充填效果

全尾砂膠結(jié)充填配比1∶5～1∶8內(nèi)，經(jīng)28天終凝取樣強(qiáng)度可達(dá)到1 MPa以上。在礦房頂部充填不能接頂處，在進(jìn)行高壓注漿接頂。對維護(hù)圍巖即頂板穩(wěn)定有一定的支撐作用，經(jīng)對充填后的采空區(qū)周圍的長期地壓監(jiān)測，沒有地壓凸顯現(xiàn)象，說明充填取得了良好的效果。

7 結(jié)語

在二期采礦工程中研發(fā)的無底柱階段空場分段鑿巖嗣后充填采礦方法，經(jīng)過經(jīng)近三年的不斷探索創(chuàng)新，設(shè)計(jì)優(yōu)化。已成功采出300 萬t原礦。同時此法還有個別不足之處待下步探索改進(jìn)：

1)12 m礦的礦房，在鏟車不能進(jìn)入采空區(qū)的前提下，鏟斗作業(yè)半徑5 m范圍內(nèi)，里面還有6 m的作業(yè)盲區(qū)，按礦石自然安息角45°計(jì)算，預(yù)計(jì)每個礦房由6 000 t左右的殘礦暫時無法回收。

2)高分段的礦房在一次爆破后，大塊率比較大，統(tǒng)計(jì)達(dá)到30%左右。二次破碎消耗炸藥量增大，二次破碎放炮給安全生產(chǎn)也造成很大的壓力，爆破參數(shù)需繼續(xù)改進(jìn)完善。

3)每個礦房的充填時間過長，目前大約在1個月左右。充填過程中由于水汽和熱量向上揮發(fā)，誘導(dǎo)采空區(qū)不穩(wěn)定性的發(fā)生變化。需進(jìn)一步提高充填效益。