大冶铁矿崩落法转充填法过渡区开采技术研究

江 兵，吴 姗

（1.武汉钢铁集团矿业有限责任公司，武汉 430080；2.北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083；3.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083）

充填采矿法能有效地充填采空区，充分回采资源，通过固废充填技术将矿山固体废物作为内部资源进行重新利用，实现资源与环境、安全、经济协调发展的综合目标［1］。在我国，黑色矿山多以崩落法开采为主，由于崩落法具有回收率低、贫化率高，尾矿处置难、破坏环境等问题，近年来越来越多的大型黑色矿山正逐步向充填法转变，如河北钢铁石人沟铁矿、马钢和睦山铁矿、武钢大冶铁矿、程潮铁矿、金山店铁矿等，大型黑色矿山采用充填法开采将是铁矿山发展的必然趋势［2－3］。本文针对大冶铁矿崩落法转充填法开采，将其过渡区作为充填法试验矿块，采用浅孔留矿嗣后充填法回收矿石，对提高矿石回收率、降低矿石贫化率、培养工程技术人员有重要的意义。

1 矿区地质条件

大冶铁矿是我国大型铁矿山，开采历史悠久，自西向东有六大矿体，分别为铁门坎、龙洞、尖林山、象鼻山、狮子山和尖山矿体［4］。本文主要研究对象为狮子山、尖山矿体。

2003年以前一直采用露天开采，已经形成的深凹露天坑东西长约2 400m，南北宽约1 000m，为我国首批矿山公园。2003年，大冶铁矿由露天开采转为地下开采，采用的采矿方法为无底柱分段崩落法，开采对象为狮子山矿段和尖山矿段－24～－120m矿体。2009年，由无底柱分段崩落法转为分段空场嗣后胶结充填法开采，开采对象为－120～－180m阶段开采范围内矿体［5］。

2 崩落法转充填法过渡区开采方法

2.1 开采条件

大冶铁矿东采井下－120m阶段采用无底柱分段崩落法进行回采，阶段高度为60m，分段高度为12m，进路间距为10m。将崩落法最后一个分段即－108～－120m分段作为崩落法转充填法的过渡区，－96～－108m分段以21＃进路为界（图1所示），划分为东西两部分，以东为充填法试验矿块，采用浅孔留矿嗣后充填法进行回采，以西仍沿用无底柱分段崩落法进行回采。

图1 －108m分段崩落法转充填法过渡区开采采场布置Fig.1 Stope layout of transition zone from caving method to backfilling method on－108mlevel

2.2 回采工作

将充填试验矿块从21＃～34＃进路划分矿房矿柱，采用浅孔留矿嗣后胶结充填采矿法，以“隔一采一”的方式间隔开采，采矿方法如图2所示。

2.2.1 矿块布置及采准工程

回采矿房垂直矿体走向布置。根据矿山开拓系统的布置，矿房高为12m，矿块长为矿体厚度，宽度为10m；回采分层高度2～3m，留2～2.5m的空区作为上一分层回采爆破的补偿空间。

在矿体上下盘分别掘进人行通风天井，直达上水平，人员材料通过人行通风天井进出采场，切割工程以回采进路为自由面，进行拉底，拉底高度为2 m，面积与矿房一致。

2.2.2 回采及矿石搬运

图2 浅孔留矿嗣后充填法采矿方法图Fig.2 Short－hole shrinkage backfilling mining method

设计矿房回采分两步进行，先回采矿房下部矩形区，矩形区高度为12m，待下部矩型区回采完毕后，采用尾砂胶结充填，待充填体达到养护强度后，再对上部脊柱三角区进行回采，回采最大高度为6.9m。采用浅孔落矿，浅孔深度一般2～4m，孔径38～42mm，最小抵抗线一般为1.0～1.2m。凿岩设备采用7655型气腿式凿岩机，落矿顺序采用自下而上阶梯分层落矿，分层高度一般为3～4m，工作面空间高度为2.0～2.5m。随着落矿高度的不断增加，应留矿堆保证工作面空间高度。

采用电动铲运机搬运矿石，铲运机自矿房铲装矿石后搬运至溜井。由于矿房高度较高，必须保证工作面空间高度为2.0～2.5m，为钻孔爆破创造有利作业条件，需要留有矿堆，矿堆长度5～7m。每次爆破工作后，只出局部矿石，每次出矿量为爆破落矿量的30%。

2.2.3 采场通风、排险

新鲜风流由下盘人行通风天井进入采场，冲洗工作面后污风经上盘人行通风天井进入上水平回风巷道，经东回风井进入矿区回风系统。采场爆破后，可采用局扇加强通风，矿房通风完毕，即可进入矿房进行顶板的安全检查处理，对存在危险的不稳固地方要进行支护，可采用锚杆支护或锚网喷支护，视现场情况而定。

2.3 充填工艺

2.3.1 全尾砂物理性质

大冶铁矿充填站采用的全尾砂主要来自选厂，通过试验得出全尾砂的粒径累计分布曲线及其物理特性指标，如图3、表1所示。大冶铁矿全尾砂含泥量较高，属于超细尾砂，但其级配良好，适合作为充填原材料。

图3 大冶铁矿全尾砂粒级分布曲线Fig.3 Grain size distribution curve of full tailings in Daye Iron Mine

采用剪切流变仪对大冶铁矿全尾砂料浆的黏度进行了测试，采用回归法，控制剪切速率在120s内从0上升到120s－1测定不同浓度的充填料浆在不同剪切速率下的剪切应力，根据H－B模型对数据进行回归拟合，最后得出不同浓度充填料浆的动态屈服应力和黏度，如表2所示。

2.3.2 全尾砂自流输送管线布置

一般来说，充填料的输送方法有水力输送、风力输送和机械输送，目前国内外均以水力充填为主［6］。要实现充填料的自流输送，必须合理安排充填倍线，一般来说，需按式（1）计算充填倍线N：

式中：L—充填管道总长，m；H—充填管道入口及出口垂直高差，m。

当充填倍线满足下列要求时，可用自流输送：Nmax＜12（水砂自流输送）；Nmax＜8（尾砂及细砂胶结充填自流输送）［7－9］。

表1 大冶铁矿全尾砂物理性质Table 1 Physical properties of full tailings in Daye Iron Mine

表2 不同浓度料浆的流变参数Table 2 Rheological parameters of different concentrations of the slurry

大冶铁矿－108m分段水平充填管道的铺设采用部分陶瓷内衬管线，在露天坑±0m水平位置打断沿公路边缘接到－53m水平风井的正上方，然后打钻孔从风井下到－96m水平。管线总长度L约为1 600m，而高差H为270m，通过式（1），计算得到大冶铁矿－108m分段水平的充填倍线为5.9，可实现自流输送。

3 结论

1）在大冶铁矿崩落法转充填法开采过渡区域采用浅孔留矿嗣后充填法回收矿石，可实现崩落法向充填法的提前过渡，－108m分段水平采用浅孔留矿嗣后充填法累计回收铁矿石约13万t，矿石采出品位达44.5%，与无底柱分段崩落法相比，矿石回收率由80.3%提高到90.7%，贫化率由24.2%降低至7.8%，同时可以达到培养工程技术人员的目的。

2）大冶铁矿全尾砂属于超细尾砂，但其级配良好，适合作为充填原材料，通过计算得到大冶铁矿－108m分段水平的充填倍线为5.9，可实现自流输送。

［1］ 周爱民 .矿山废料胶结充填［M］.北京：冶金工业出版社，2010.

［2］ 张传信 .空场嗣后充填采矿方法在黑色金属矿山的应用前景［J］.金属矿山，2009（11）：257－260.

［3］ 李红零，吴仲雄 .我国金属矿开采技术发展趋势［J］.有色金属（矿山部分），2009，61（1）：8－10.

［4］ 程文文，宋卫东，张兴才，等 .高陡边坡下开采挂帮矿对滑体稳定性的影响［J］.煤炭学报，2011，36（3）：377－382.

［5］ 吴 姗，宋卫东，杜建华，等 .高陡边坡下充填法开采挂帮矿稳定性数值模拟与安全监测［J］.采矿与安全工程学报，2013，30（6）：874－879.

［6］ 芦世俊 .全尾砂高浓度充填料浆自流输送系统特性分析及设计［J］.有色金属（矿山部分），2010，62（2）：75－78.

［7］ 蔡嗣经 .矿山充填力学基础［M］.北京：冶金工业出版社，2009.

［8］ 龚正国 .充填料管道水力输送特性的数值分析与研究［D］.长沙：中南大学，2008.

［9］ 马黎明 .黄沙坪深部胶结充填管输系统优化研究［D］.长沙：中南大学，2012.