滿東輝 張 鵬 陳 勇 操 帥

（1.中煤第七十一工程處有限責(zé)任公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室）

在國內(nèi)金屬礦床地下開采中，中厚急傾斜礦體開采數(shù)量約占礦體開采總數(shù)的23%。目前，針對礦巖穩(wěn)固性差或圍巖應(yīng)力高的開采技術(shù)條件，大多采用分層回采的點柱式采礦法或進(jìn)路式采礦法，且進(jìn)路式采礦法在國內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛［1-3］。

進(jìn)路式采礦法的思路是將巷道掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于礦房回采。由于進(jìn)路斷面小，頂板暴露面積小，因而能夠較好地保證采場回采時的作業(yè)安全，達(dá)到回采礦巖不穩(wěn)固礦體的目的。但是由于其回采斷面小，回采工藝復(fù)雜，采場生產(chǎn)能力較其他高效采礦方法低，因而只適用于回采礦巖不穩(wěn)固、礦體變化復(fù)雜、礦石價值較高的礦體。對于此類采礦方法，王炳文等［4-5］采用數(shù)值模擬方法確定了采場進(jìn)路最佳跨度，極大提高了采場生產(chǎn)能力。

針對白象山鐵礦采礦方法礦石回采效率低、生產(chǎn)組織管理難度大和安全風(fēng)險高等問題，在原方法基礎(chǔ)上，通過查閱相關(guān)論文及對地質(zhì)條件研究，優(yōu)化礦塊設(shè)計參數(shù)，增加礦塊個數(shù)，以期提高生產(chǎn)效率、降低施工成本。

1 工程概況

白象山鐵礦年生產(chǎn)礦石200萬t，分2個項目部開采，現(xiàn)采用上向進(jìn)路嗣后充填采礦法，采場寬6 m，一步驟采高10～12 m，二步驟采高7～11 m，采場長度根據(jù)現(xiàn)場實際圍巖情況確定。在采場施工時，采場礦巖不賦存水，向下中深孔鑿巖采用SDM90TS 型鑿巖機，鑿巖時需排出較多循環(huán)水，影響安全生產(chǎn)。在7、8 盤區(qū)向下中深孔采礦時，因巖石較硬、大塊多，出現(xiàn)爆破效果不好的現(xiàn)象。公司礦石年生產(chǎn)量大，為完成每月下達(dá)的生產(chǎn)任務(wù)，需要36 個工作面進(jìn)行作業(yè)施工，圍巖較為破碎，需要錨桿、錨索掛網(wǎng)噴混凝土聯(lián)合支護(hù)。10 臺鏟運機出礦才能滿足生產(chǎn)需要，采區(qū)通風(fēng)較為困難，生產(chǎn)安全管理難度較大，為解決現(xiàn)在面臨難題，需進(jìn)行采礦方法優(yōu)化。

2 礦巖性質(zhì)

礦區(qū)節(jié)理、裂隙比較發(fā)育，基底巖層成礦前節(jié)理主要發(fā)育有20°～50°和290°～345°2 組，為鐵質(zhì)、矽質(zhì)和碳酸鹽等充填，成礦后主要發(fā)育285°組。在正長細(xì)晶巖脈中，裂隙主要以280°組較發(fā)育，且多具剪性節(jié)理，少數(shù)為張性節(jié)理。此處，伴隨背斜的形成由于各巖層巖性差異而導(dǎo)致發(fā)育層間裂隙或?qū)娱g破碎帶，尤以近背斜鞍部黃馬青組下段巖層中更為發(fā)育，裂隙或破碎帶厚度1～10 m，多為閃長巖或晚期正長細(xì)晶巖或輝綠巖充填，主要礦巖力學(xué)性質(zhì)見表1。

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影響礦石穩(wěn)定性主要是礦石中造泥礦物和鱗片狀礦物的含量及富集程度。影響主礦體穩(wěn)定性的軟弱夾石巖性為角巖、大理巖、閃長巖、輝綠巖、正長細(xì)晶巖和微晶高嶺石巖等。其中，角巖（石英巖）、正長細(xì)晶巖、大理巖為非常堅固至堅固級。閃長巖、金云母角巖、輝綠巖和微晶高嶺石巖具有軟化巖石性質(zhì)，是構(gòu)成主礦體局部崩解的重要因素。含礦層裂隙發(fā)育，裂隙密度7 條/m，以閉合型為主，呈細(xì)脈狀出現(xiàn)的高嶺土、金云母和綠泥石構(gòu)成主礦體軟弱結(jié)構(gòu)面。主礦體基本穩(wěn)定，但礦體夾石層和礦體頂?shù)装鍑鷰r局部具有軟化巖石特征，位于上下盤20 m 范圍內(nèi)存在一個近礦圍巖不穩(wěn)定帶，是影響礦山開采的主要工程地質(zhì)問題。

3 采礦方法優(yōu)化

3.1 采場布置

按照現(xiàn)在采場布置現(xiàn)狀，沿走向劃分盤區(qū)，盤區(qū)寬100 m，長為礦體水平寬度，盤區(qū)之間留4 m 礦柱，盤區(qū)中劃分為若干個礦塊（采場）。采場布置形式不變，靠近礦體頂板的采場仍然按照現(xiàn)在的上向進(jìn)路式采礦方法進(jìn)行采礦，由于礦體厚大，礦體內(nèi)的一步驟采場采用分段分層分條中深孔落礦嗣后充填的方法進(jìn)行采礦，回采采高17 m，采場寬度為8 m，根據(jù)采場圍巖穩(wěn)定性及采場允許暴露的面積，決定采場的長度為30 m。二步驟回采仍按照向上進(jìn)路采礦方法進(jìn)行采礦，下層采高10.2 m，上層采高為采高7.3 m。采場兩邊出礦進(jìn)路之間間距為10 m，切割橫巷規(guī)格9 m×3.6 m×3 m（長×寬×高），斷面面積為27.0 m2。切割井布置在切割橫巷內(nèi)，直徑為1.2m（圖1）。

3.2 采準(zhǔn)切割

一步驟和二步驟回采采場下層底部巷道、鑿巖巷和出礦進(jìn)路均采用三分之一三心拱，其規(guī)格斷面3.0 m×2.8 m（寬×高），斷面積為7.76 m2，出礦進(jìn)路與出礦巷呈45°。巷道掘進(jìn)時采用HPET100-100 型聚酯纖維增強塑料網(wǎng)懸掛在工作面，防護(hù)網(wǎng)與巷道規(guī)格斷面一致，網(wǎng)度為100 mm×100 mm，并使其緊貼巖面，上部用4 根等距離樹脂銷子固定，下部用3根等距離樹脂銷子固定，用K2850 型樹脂錨固劑錨固，其直徑為18 mm，錨固深度大于600 mm。一步驟回采采場鑿巖巷布置在采場中間，采用V 型塹溝受礦，出礦進(jìn)路巷道采用錨桿+錨索+拱架+錨網(wǎng)噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，采用PZ-V 型噴漿機進(jìn)行噴漿，其厚度為100 mm，強度為C25。拱架是在2 根φ18 mm 螺紋鋼兩邊、中間用口字形和之字形支架焊接而成，2根鋼筋之間的距離為100 mm，兩拱架間距離為1.2 m，拱架長度為巷道斷面長度，拱架在網(wǎng)片外邊，用3根管縫錨桿從口字形支架和網(wǎng)片穿過進(jìn)行固定拱架，網(wǎng)片用16#鐵絲雙綁扎，預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索從口字形或之字形支架處穿過。網(wǎng)片采用φ6.5 mm 冷拔螺紋鋼焊接成網(wǎng)度為120 mm×120 mm，單個網(wǎng)片1.0 m×2.0 m。預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿直徑為18 mm，長度為2.5 m，規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm。一步驟回采礦房頂板巷道、出礦巷采用注漿預(yù)應(yīng)力長錨索支護(hù)，規(guī)格與二步驟使用長錨索一樣，二步驟回采礦房兩幫充填體采用水泥卷錨桿掛網(wǎng)支護(hù)，直徑18 mm，長度2.5 m。預(yù)應(yīng)力樹脂長錨索采用蝶形錨盤，規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm，錨索長度為8.5 m，外露300～400 mm。二步驟采場分層開采，下分層開口從上分段向下斜坡施工，采完后充填擋墻砌筑在斜坡距采場口約10 m 處，保證充填充分結(jié)頂；上分層采場高度高于上分段底板500 mm，有利于采場充分結(jié)頂。在采場中部布置切割井，直徑為1.2 m，高度為14.2 m，利用反井鉆機切割。利用YGZ-90 型中孔鑿巖機鑿巖，以切割井為自由面，切割井和受礦巷為補償空間擠壓爆破形成切割槽，從出礦進(jìn)路和鑿巖巷將崩落礦石用鏟運機運至溜井。二步驟采場巷道施工開口前施工2 排預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿，錨桿直徑為18 mm，長度為2.5 m。

3.3 鑿巖爆破

一步驟采場切割橫巷內(nèi)布置豎直孔，在施工切割井的情況下，孔徑為65 mm。不施工切割井時，需要爆破拉井，孔徑為80 mm。切割橫巷內(nèi)孔距為500～1 000 mm，排距為1 000 mm，正常排為扇形孔，孔徑為65 mm，排距為1.4～1.5 m（圖2）。采用YGZ-90型鑿巖機進(jìn)行鑿巖，切割橫巷內(nèi)采用孔徑為65 mm鑿巖時，豎直孔不穿透頂部，留500 mm 厚度，采用孔徑為80 mm鑿巖時，穿透頂板。根據(jù)礦巖特性和使用條件確定爆破參數(shù)。采用YGZ-90 型中孔鑿巖機鑿上向扇形中深孔，炮孔直徑65 mm，排距為1.4 m，孔距為1.2～2.0 m。使用粒狀銨油炸藥，用BQF-100 型裝藥器裝藥，非電毫秒雷管多排微差爆破，單響控制炸藥量為400 kg，炮孔延米平均崩礦量4～6 t，炮孔利用率按照95%考慮，回采炸藥單耗0.39 kg/t，采場出礦大塊率3%～5%。二步驟礦房寬度為6.0～8.0 m，礦房分2 層，下部采高為10.2 m，上部采高為7.3 m。開采下層礦房前，將鄰近采場的礦倒?jié)M下部2.7 m 巷道內(nèi)，才能進(jìn)行礦房開采，先施工下層礦房上部高3.5 m，寬度為礦房的寬度，采用五分之一三心拱。使用YT-28 型氣動鑿巖機鑿巖，上部施工完成后，再施工下層礦房留下來的礦。上層礦房高度為7.3 m，施工上層礦房上部高3.5 m，頂部中點高出分段底板500 mm，寬度為礦房的寬度8 m，采用五分之一三心拱，施工完成采場長度后，再施工剩余3.8 m厚的礦。

3.4 采場通風(fēng)和出礦

一般在采場爆破以后進(jìn)行加強通風(fēng)3～5 h，出礦作業(yè)采用斗容3.0，4.0 m3的國產(chǎn)柴油鏟運機，在采場口附近裝礦，由運輸?shù)V車運至礦石溜礦井，經(jīng)破碎后用箕斗提升到地表，運距100～300 m。對開采的中深孔采場，采用搶采、搶出、搶充的措施，集中2 個采場出礦，出完礦后立即充填。每采場生產(chǎn)能力一般可達(dá)1 000 t/d，每個項目部設(shè)置4 個開采的采場和2 個備采采場，就能保證完成出礦任務(wù)。

3.5 充填作業(yè)

一步驟中深孔落礦采場內(nèi)礦石出完后，從上分段架設(shè)充填管到采場口，采場底部出礦進(jìn)路砌筑充填擋墻，擋墻可采用370 mm 厚磚墻，安裝濾水管，噴射混凝土厚度為5 mm，墻外鋪設(shè)14#的槽鋼，間隔200～300 mm，外邊用φ32 mm 圓鋼將工字鋼和槽鋼固定，圓鋼錨固長度不小于1.0 m，工字鋼間隔700～1 200 mm，充填濃度60%～65%，采用灰砂比1∶6～1∶8進(jìn)行充填（圖3）。待充填體達(dá)到凝固期后，將槽鋼和工字鋼拆除后進(jìn)行下一道充填擋墻利用。一步驟回采的采場充填高于底板水平面500 mm，二步驟回采的采場擋墻采用厚度為600 mm 的鋼筋混凝土擋墻，且二步驟回采采場充填時，將充填管和出氣管固定在頂板的最高處，兩者的距離不小于5.0 m，排氣孔出漿后停止充填，使得每個采場充填完全結(jié)頂，避免采場開采時周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。充填體達(dá)到養(yǎng)護(hù)期后，可對采場下1 個分條進(jìn)行開采，直至整個采場采礦充填完成。

3.6 采場支護(hù)措施

由于礦巖較為破碎，一步驟采場底部巷道和采場頂部巷道在掘進(jìn)時，采用錨、索、噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。在制作的長為8.1 m拱架上布設(shè)5～7個φ18～22 mm 螺紋鋼錨桿，長度2.5 m（圖4）。在每個采場頂板選用φ17.8 mm×8.5 m 長錨索進(jìn)行支護(hù)，外露0.3～0.5 m，長錨索排距為3.0 m，每排5根鋼絞索支護(hù)，注漿時，注漿水灰比為0.45，排氣孔漏漿后，方能停止注漿。網(wǎng)片長為2.0 m，寬為1.05 m，采用φ6.5 mm 冷拔二級螺紋鋼焊接成網(wǎng)度為150 mm×100 mm 單個網(wǎng)片，網(wǎng)片之間用鐵絲扎緊；噴射強度C25 混凝土，厚度為100 mm。二步驟回采采場支護(hù)仍然采用現(xiàn)用的支護(hù)方式，φ18 mm 預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿，采用蝶形錨盤，規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm。φ17.8 mm預(yù)應(yīng)力樹脂鋼絞索，長為6.0 m，外露0.3～0.4 m，采用蝶形錨盤，規(guī)格300mm×300 mm×16 mm，錨固劑為K2850型樹脂錨固劑。下層礦房的上部掘進(jìn)采用全斷面支護(hù)，充填體內(nèi)為φ18 mm×2.5 m 螺紋鋼錨桿掛網(wǎng)支護(hù)，采用水泥卷錨固劑錨固。

3.7 優(yōu)化效果分析

一步驟采場采用高效的中深孔采礦，切槽利用擠壓爆破技術(shù)，提高了采礦效率、礦石的大塊率、出礦效率，降低了炸藥單耗、噸礦成本；鑿巖巷、出礦巷斷面變小，施工強度小，施工較為安全，采礦落礦高度15 m、寬度8 m，施工人員不在采場內(nèi)作業(yè)，安全風(fēng)險小；生產(chǎn)工作面由原來的36 個減至20 個，大大地減輕生產(chǎn)管理組織壓力，降低了安全風(fēng)險，減輕生產(chǎn)管理組織壓力，便于生產(chǎn)管理，可以集中采場出礦，4個采場能夠滿足出礦需求。

4 結(jié) 論

（1）礦石中造泥礦物和鱗片狀礦物的含量及富集程度影響礦體穩(wěn)定性。閃長巖、金云母角巖、輝綠巖和微晶高嶺石巖有軟化巖石性質(zhì)，是構(gòu)成主礦體局部崩解的重要因素。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造、裂隙較為發(fā)育，影響礦房的開采。

（2）在礦巖較為破碎的情況，利用錨桿、錨索、單層拱架和錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，進(jìn)行采場高效、經(jīng)濟、安全開采。

（3）一步驟采場采用高效的中深孔采礦，切槽利用擠壓爆破技術(shù)，鑿巖巷、出礦巷斷面變小，施工強度小，施工較為安全。每次采用微差控制爆破，落礦3 000～8 000 t，能滿足生產(chǎn)的需要，又便于采場管理，采礦效率高，炸藥單耗降低，大塊率少，出礦效率高，安全風(fēng)險小。

（4）采場充填能夠充分結(jié)頂，避免在采礦時出現(xiàn)應(yīng)力較為集中的現(xiàn)象，利用鋼材支撐充填擋墻，能夠保證擋墻的穩(wěn)固性，又能回收循環(huán)利用，減少擋墻成本，提高施工效率。

（5）通過采礦方法優(yōu)化減少了施工工作面，大大地減輕生產(chǎn)管理組織壓力，便于生產(chǎn)管理，降低了生產(chǎn)、管理、安全上投入費用，有助于生產(chǎn)區(qū)通風(fēng)管理，改善通風(fēng)條件，降低安全了風(fēng)險。