王曉濤，齊朝鵬，郭子林，馬有力，孫光華

(1.河鋼集團(tuán)遷安紅山鐵礦有限公司，河北 唐山 064409； 2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210； 3.河北省礦山綠色智能開采技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 唐山 063210)

隨著“兩山理論”、“雙碳戰(zhàn)略”的實(shí)施，低碳、綠色、安全、高效的充填開采技術(shù)已成為地下礦山發(fā)展的主要趨勢。伴隨著大型液壓鑿巖設(shè)備和無軌運(yùn)搬設(shè)備在地下礦山的廣泛應(yīng)用，大規(guī)模綠色、高效開采的分段/階段空場嗣后充填采礦法在大型地下礦山尤其是冶金礦山得到應(yīng)用和推廣[1-3]。運(yùn)用上向/下向或豎直炮孔回采的嗣后充填采礦法回采礦體時(shí)，需要在礦房端部或中央位置布設(shè)切割井，從而完成切割槽的開鑿作業(yè)，為后續(xù)大規(guī)模回采礦體提供自由面和爆破空間[4]。切割槽的形狀、位置以及質(zhì)量直接影響后續(xù)礦房大規(guī)?；夭傻恼＿M(jìn)行，以及礦石回收率、廢石貧化率等各項(xiàng)礦石開采技術(shù)指標(biāo)[5-6]。

開采極厚礦體或者急傾斜厚礦體時(shí)，通常采用豎直深孔或上向/下向深孔落礦，礦房大規(guī)?；夭汕扒懈畈弁ǔＸQ直布設(shè)[7]。傾斜厚礦體回采過程中，若繼續(xù)采用豎直切割槽布設(shè)方式，尤其是垂直礦體走向布置礦房時(shí)，極易造成礦體上盤、下盤礦巖三角區(qū)域大量廢石的混入，導(dǎo)致礦石貧化，同時(shí)使后期礦石的運(yùn)輸、加工等環(huán)節(jié)的能耗增大、成本增高[8]。因此，切割槽的優(yōu)化與布設(shè)，能加快施工進(jìn)度，降低生產(chǎn)成本[9]，已成為運(yùn)用中深孔安全、高效回采傾斜厚礦體的關(guān)鍵所在[10]。

冀東地區(qū)運(yùn)用分段空場嗣后充填法開采傾斜厚礦體過程中，針對上盤礦巖三角區(qū)域切割槽的布設(shè)問題，開展切割槽優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行施工攻關(guān)。

1 工程背景

冀東地區(qū)某地下鐵礦，礦體總體為一不對稱的向斜構(gòu)造形態(tài)，剖面礦體形態(tài)似彎月形或鐮刀形。礦體走向南北，工程控制長度900 m，礦體傾角54°～81°，主要集中于54°～60°，屬于傾斜礦體。

該礦采用下盤豎井開拓，階段高度50 m，采用分段空場嗣后充填采礦法，分段高度25 m，下分段為鑿巖出礦分段，上分段為鑿巖分段，單個(gè)礦房寬15 m，礦房長為礦體水平厚度。在鑿巖巷道內(nèi)使用中深孔鑿巖臺(tái)車穿鑿上向扇形孔，側(cè)向崩礦。

受礦體傾角限制，若采用豎直切割槽開槽方式，在回采時(shí)廢石混入率較高，造成大量礦石貧化(圖1a)。因此，針對該傾斜礦體，確定合理的切割槽布設(shè)方案(圖1b)直接關(guān)系到礦體回采邊界的有效控制、提高礦石回收率、降低貧化率等安全、高效的回采問題。

1-切割井；2-上盤切割巷；3-塹溝拉底巷；4-下盤切割巷；5-上盤塹溝拉底巷；6-上盤圍巖；7-下盤圍巖圖1 切割槽與礦巖體空間關(guān)系Fig.1 Spatial relationship between cutting groove and rock mass

2 傾斜厚礦體切割槽設(shè)計(jì)原則

針對該傾斜厚礦體賦存條件和采用的采礦方法，切割槽的布設(shè)優(yōu)化方案應(yīng)滿足以下條件：

1)針對礦體賦存條件，開展切割槽優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免上盤三角區(qū)廢石大量混入，確保礦石損失貧化最小，保證正常開采技術(shù)指標(biāo)；

2)針對礦山現(xiàn)有開采技術(shù)水平，開展切割槽優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保后續(xù)安全、高效回采；

3)充分利用礦山現(xiàn)有掘進(jìn)設(shè)備和已有采準(zhǔn)工程，確保降低開采成本；

4)所用優(yōu)選方案需考慮礦山高效回采，確保礦山產(chǎn)能不受影響。

該礦山礦體為傾斜礦體，利用現(xiàn)有鑿巖設(shè)備和技術(shù)手段，考慮回采落礦時(shí)礦體上盤三角區(qū)域圍巖的混入問題，切割槽設(shè)計(jì)為沿礦體傾斜方向布置(圖1b)。

3 沿礦體傾角切割槽設(shè)計(jì)

以南4#穿脈一步采1#礦房為試驗(yàn)礦房，在充分利用現(xiàn)有采準(zhǔn)工程的基礎(chǔ)上開展沿傾斜礦體切割斜槽優(yōu)化設(shè)計(jì)。南4#穿脈一步采1#礦房底部出礦結(jié)構(gòu)布置在-400 m水平，分段鑿巖水平布置于-375 m水平，礦房寬度15 m，礦房長度為礦體厚度。

采準(zhǔn)切割巷道設(shè)計(jì)方案如圖2所示，分別在-400 m、-375 m水平礦體上盤邊界垂直于出礦巷道掘進(jìn)切割巷道，巷道長度為礦房寬度。在上盤切割巷與塹溝拉底巷道交叉點(diǎn)，沿礦體上盤傾角布設(shè)傾斜切割井，切割井?dāng)嗝娉叽?.5 m×2.5 m，鑒于礦巖交界處圍巖穩(wěn)定性差，切割井布置在距礦巖交界線1～2 m的礦體內(nèi)。在切割巷內(nèi)鉆鑿與切割井傾角一致的上向傾斜炮孔，并以切割井為自由面分批爆破形成切割槽。

1-上盤切割巷；2-切割井；3-出礦橫巷；4-穿脈巷道；5-下盤切割巷；6-塹溝拉底巷圖2 采切方案設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design drawing of cutting scheme

4 沿礦體傾角的切割槽施工

4.1 切割井施工

采用祼井、吊掛鐵梯的掘進(jìn)施工法掘進(jìn)切割井(圖3)，施工過程中選用YT-28式氣動(dòng)鑿巖鉆機(jī)施工，炮孔直徑38～42 mm，班循環(huán)炮孔深1.8～2.3 m。具體施工工序如下：1)掛第一層防墜網(wǎng)；2)掛第二層防墜網(wǎng)；3)搭設(shè)穿孔鑿巖作業(yè)平臺(tái)；4)搭設(shè)安裝個(gè)人安全帶錨桿(含人行鐵梯錨桿)；5)實(shí)施掌子面鑿巖作業(yè)；6)進(jìn)行炮孔裝藥及爆破網(wǎng)絡(luò)連線鋪設(shè)；7)撤拆鑿巖裝藥作業(yè)平臺(tái)；8)保護(hù)吊掛、固定風(fēng)水管繩；9)設(shè)置爆破警戒線并將爆破網(wǎng)路引至平巷安全地點(diǎn)；10)實(shí)施安全警戒并起爆。爆破后掘進(jìn)切割井如圖4所示。

圖3 切割井施工布置圖Fig.3 Construction layout of cutting well

圖4 切割井成井效果Fig.4 Cutting well completion effect

4.2 切割槽施工

1)拉槽中深孔鑿巖

切割井開掘后，根據(jù)礦體上盤傾角及切割井?dāng)嗝娉叽?，在上盤切割巷內(nèi)的切割斜井兩側(cè)確定拉槽空間。使用華泰CYTC76中深孔鑿巖臺(tái)車鉆鑿平行中深孔，孔徑76 mm，見圖5。

1-上盤切割巷；2-切割斜井；3-裝礦進(jìn)路；4-出礦巷道；5-下盤鑿巖巷；6-塹溝拉底巷；7-傾斜平行中深孔圖5 傾斜中深孔設(shè)計(jì)圖Fig.5 Inclined mid-deep hole design drawing

根據(jù)最小抵抗線經(jīng)驗(yàn)公式確定炮孔排距：

W=(23～30)d

(1)

式中：W—最小抵抗線，m；d—炮孔直徑，m。

經(jīng)計(jì)算，W=(1.75～2.28)m，即炮孔排距為1.75～2.28 m。

根據(jù)孔網(wǎng)密度經(jīng)驗(yàn)公式確定孔底距：

a=mW

(2)

式中：a—孔底距，m；m—密集系數(shù)；W—最小抵抗線，m。

目前，根據(jù)冀東鐵礦開采經(jīng)驗(yàn)確定密集系數(shù)。保守起見密集系數(shù)取0.8，孔底距a為1.4～1.8 m。

為保證拉槽效果炮孔排距取1.5 m，孔底距取0.8 m。

2)切割斜槽拉槽爆破

為保證爆破效果，采用孔底起爆方式(見圖6)，選用數(shù)碼電子雷管和乳化粒狀銨油炸藥。數(shù)碼電子雷管孔外連線采用并聯(lián)方式連接，雷管方向反向連接，同排分段、排間分段布置電子雷管，實(shí)現(xiàn)有序控制爆破。以切割井為自由面向礦房兩側(cè)邊界逐排爆破拉槽，在接近出礦巷道后逐排減少裝藥長度，保留出礦巷道頂部安全礦柱。

圖6 中深孔孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Internal charge structure of medium deep hole

3)拉槽中深孔爆破安全措施

①作業(yè)區(qū)域警戒：裝藥施工前，需在裝藥施工穿脈巷道口拉好爆破警戒帶；

②清理炮孔：裝藥前對中深孔炮孔進(jìn)行驗(yàn)孔及清理工作，以防孔內(nèi)殘留碎石卡住裝藥管，影響拔管速度，從而影響裝藥質(zhì)量；

③裝藥：裝藥工作由爆破工持證進(jìn)入現(xiàn)場作業(yè)，裝藥過程中需控制好拔管速度，保證裝藥質(zhì)量，并嚴(yán)格控制裝藥長度，以減少炸藥浪費(fèi)；

④網(wǎng)路聯(lián)結(jié)：起爆網(wǎng)路聯(lián)結(jié)需專業(yè)爆破人員操作，嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)要求，以保證起爆安全；

⑤爆破完畢后，至少通風(fēng)60 min以上；

⑥通風(fēng)結(jié)束經(jīng)氣體檢測儀檢測空氣合格后，方可進(jìn)入現(xiàn)場開始排險(xiǎn)、驗(yàn)炮工作。

4.3 切割槽拉槽效果

南4#穿脈一步采1#礦房應(yīng)用沿礦體上盤傾角的切割井拉槽工藝，切割拉槽效果良好(圖7)，將礦石回采率由切割立槽的82.53%，提高至90.26%，回采率提高7.73個(gè)百分點(diǎn)，礦石貧化率由14.52%降低至12%，礦房增加礦石回采量約0.93萬t，回采期內(nèi)增加礦石回采量72.5萬t，預(yù)計(jì)新增產(chǎn)值362.5萬元，實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 切割斜槽拉槽效果圖Fig.7 Effect diagram of cutting chute and pulling groove

5 結(jié)論

優(yōu)化了沿傾斜礦體傾角布置的切割槽設(shè)計(jì)方案，并在實(shí)踐中進(jìn)行了應(yīng)用。應(yīng)用實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)方案不僅避免了回采爆破與上部所覆礦巖貫通而產(chǎn)生懸頂冒落的安全隱患，而且有效控制了上盤礦體的回采邊界，極大降低了廢石混入率，增加了礦石回收率，取得了良好的安全和經(jīng)濟(jì)效益，對傾斜礦體的回采具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。