特大型地下充填采矿示范矿山的建设

岳润芳

(1.中国五矿邯邢矿业有限公司，河北 邯郸 056002;2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

·采矿工程·

特大型地下充填采矿示范矿山的建设

岳润芳1，2

(1.中国五矿邯邢矿业有限公司，河北 邯郸 056002;2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

介绍了目前国内规模最大的地下充填开采矿山，该矿山隶属五矿邯邢矿业有限公司，矿区位于安徽省霍邱县，矿山由两个矿床组成，矿石主要为镜铁矿、磁铁矿，矿体特点是走向长、延伸深、厚度大、倾角陡。根据矿床赋存条件，阐述了矿山开拓系统的选择、规模化开采的采矿方法、特大型采场结构参数及特点、开采顺序的选择、系列大型采掘设备配备、大流量充填系统的构建思考及建设、充填料桨连续与间断制备系统的选择、采场的开采、充填作业以及充填体强度的控制。该矿山将于“十二五”末完成示范矿山建设，为特大型以及未来的超大型地下矿山的提供可借鉴的经验，逐步形成我国特大型地下矿山规模化开采关键技术。

特大型 地下充填 示范矿山 建设

五矿邯邢矿业有限公司所辖安徽开发矿业采选设计规模750万t/a。于2007年开始建设，2012年初建成并投入试生产，同年12月通过国家安全总局的安全专项验收，2013年正式投入生产。750万t/a矿山项目属国家科技部“十二五”科技支撑计划课题“特大型地下矿山规模化开采关键技术”示范矿山建设内容。

1 开采技术条件

安徽开发矿业矿区位于安徽省霍邱县城西约26 km，西临105国道及商(邱)—景(德镇)高速，北距淮河34 km，矿区交通均较方便。

1.1 开采技术条件

安徽开发矿业由2个矿体组成，李楼矿体和吴集北矿体，李楼矿体走向长3 500 m。矿体埋深100 ～ 900 m，平均厚度20～50 m，矿体倾角50°～80°。矿石主要为镜铁矿、磁铁矿，地质品位(TFe)34.08%，资源量约为2.7亿t。吴集矿体走向长3 000 m，平均延深394 m，平均厚度22 m，倾角50°～70°。平均品位(TFe)29.20%，矿石主要为磁铁矿，资源量为1亿t 。两矿体合计资源量约3.7亿t，平均品位30.4%。矿体特点是走向长、延伸深、厚度大、倾角陡、构造简单。

1.2 两矿体的联合建设及优越性

李楼矿体和吴集北矿体走向基本平行，相距约仅1 km，走向、倾角、埋深等赋存条件相似，天然具备统筹设计联合开发的条件，经对联合建设和分别建设方案详细技术经济比较，选择了联合建设方案，联合建设有以下主要优点：①联合建设相对分别建设方案减少占地35.8 hm2;②联合建设可共用辅助斜坡道进出地表，井下粉矿回收系统、排水设施、无轨大型设备检修硐室、电机车检修硐室等实现共用，从而大大减少井下工程投资;③炸药库、供水、供热、机修、行政与生活福利设施共建，减少地表工程设施投资。联合建设减少建设投资2亿元，降低运行成本500万元/a，有着很好的经济效益和社会效益。

2 建设规模

从国家层面看，钢铁生产需要的铁矿石供应数量中，进口铁矿石仍然占矿石供应总量的65%。因此，在现阶段及未来，在资源条件具备的条件下，应该大幅度增加矿山的建设规模，加大建设规模，有利于快速增加国内资源的供应量，保障国民经济的安全运行。从企业的层面看，加大建设规模，有利于降低生产成本，提高盈利能力。经多方论证，安徽开发矿业建设规模为铁矿石750万t/a。大规模开采已成为一种趋势，后续一批千万吨级的矿山正在设计建设中，如河北省田兴铁矿(2 000万t/a)、马城铁矿(2 500万t/a)。

3 特大型矿山的开拓系统

3.1 分散式提升系统——主井、副井

提升系统是开拓系统的核心，也更是矿山生产的咽喉，曾做过集中提升和分散提升的比较，各有利弊。该开拓系统采用分散提升模式，设置3条规格相同的主井，配置三套相同的提升设备，每套提升能力250万t/a，组合提升铁矿石750万吨/a，分散提升便于维护保养，生产波动小，运行可靠。目前已实现集中控制，后续将逐步实现无人值守，具有很高的自动化程度。

主井为3条单箕斗竖井，净直径均为5.2 m，1号主井井深684 m；2号主井井深686 m；3号主井井深683 m。井下主运输水平-525 m，破碎硐室标高-568 m。采用JKM-4×6(Ⅲ)型多绳塔式提升机提升，是目前国内铁矿山最大的提升设备，配备17 m3单箕斗，载重32 t。

全矿共设3条副井，1号副井采用JKM-2.8×4(Ⅰ)E型多绳塔式提升机，塔式配置，4 m×1.45 m双层单罐笼，主要用于提升人员材料、废石，并集中负责3条主井粉矿清理，与破碎硐室及皮带道均联通；2号副井和3号副井采用JKM-2.8×6(Ⅰ)型多绳塔式提升机，塔式配置，4 m×2.2 m双层单罐笼提升，负责提升大矿车、电机车等大型设备。井下粗破碎采用3台C-140型颚式破碎机，每台破碎机对应1套提升机。开拓系统参见图1。

图1 安徽开发矿业开拓系统

3.2 大型设备的直达通道——斜坡道

井下采掘主要采用大型无轨自行设备，各种大型无轨采掘及运输设备近50台，在两矿体中间设置一条辅助斜坡道，为各种大型无轨设备提供直接上下通道，极大方便了无轨自行设备的整体上下，避免解体吊装运输、重新组装导致设备性能的下降，便于维护保养，使设备处于高效运行状态。

斜坡道净断面16.59 ～ 18.06 m2；限制坡度≤15%。从地表通达各主要水平，全长6 926 m。斜坡道穿过第四系含水沙层及古风化带地层，厚度约94 m，施工难度极大。施工难度大曾经影响到是否选择斜坡道作为直通地表通道，为此组织了专门的科技攻关组，采用高压摆喷堵水固沙技术，安全顺利完成了含水沙层地段施工。

4 规模化开采的采矿方法

4.1 采矿方法的选择

依据矿床开采技术条件、对环境保护、安全生产的要求，确定的主要开采方法为阶段空场嗣后充填采矿法。根据落矿方式不同，分2种方法：一是分段凿岩阶段空场嗣后充填法，二是大直径深孔阶段空场嗣后充填法。

通过对2种采矿方法采准工程布置、采场准备时间与采切比、凿岩爆破工艺、采场产能力、采场充填工艺、通风及巷道维护、生产组织管理等综合比较分析，选择分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法为主要采矿方法(见图2)。

图2 分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法

4.2 结构参数的确定原则及参数

特大型矿山的规模化开采，必须构建大结构参数的采场，每个采场应有足够大的矿量，配备大型高效率设备，这是特大型矿山实现规模化的基础，否则将不能实现规模化开采。

该矿采用的分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法结构参数，采场垂直矿体走向布置，采场高100 m，长为矿体水平厚度，一般为50 m，采场宽20 m，凿岩分段高25 m。在这样的结构参数下，每个采场的平均矿量达到约35万t。

采场垂直矿体走向布置时，采场的宽度与矿柱的宽度相同，一步开采时矿房两侧为矿石矿柱，二步开采时的矿房既是一步开采的矿柱，二步开采时矿房两侧为充填体矿柱。由于采场间并无专门的矿柱，因此该方法有极高的回采率。

4.3 开采的步骤及技术难点

该充填采矿法采用两步骤回采，一步开采时，矿房两侧的矿体构成矿柱。在采场端部拉切割槽，由各分层开始爆破落矿，由上至下进行，在采场底部出矿斜巷中实施集中出矿。矿房的矿石开采完毕后，马上对一步采矿房进行充填。当充填体强度达到预定强度时，开始二步开采。

一个矿房开采完毕后，两侧矿柱垂直暴露高度100 m，平均长度达50 m，侧向暴露面积将达到5 000 m2。矿柱承受着自重、顶底板上下盘围岩的压力及采场开采后形成的应力、采场落矿爆破的冲击力等复杂多重作用力，尤其是二步开采时，矿房两侧由充填体构成矿柱，100 m高的充填体矿柱的强度及稳定性，能否经受采场落矿爆破的冲击振动，直接关系着二步开采能否顺利进行，是该采矿方法面临的最大技术难题。目前，已顺利完成了几个采场的一步开采，二步开采将在今年年底开始进行。

4.4 采场工程的另一个结构特点

从采场的内部结构看，每一水平的分段的凿岩巷的布置，极像无底柱崩落法的进路。在剖面上看，上下重叠布置，而非交错布置。这使得采场较上水平的凿岩巷形成后，并不需要采场的工程全部施工完，即可在上部开始采准掘进、凿岩爆破、形成出矿能力，这种结构非常有利于新建矿山生产能力的快速形成。见图3。

5 开采范围及由下而上的开采顺序

5.1 开采范围

设计开采范围为-200 m以下，-700 m以上矿体。在这个区间共有矿石储量近3亿t。按年产量750万t/a计算，可满足矿山服务年限30 a。

由于矿床开采深度比较大，服务年限比较长，设计经过技术经济比较后推荐采用分期开采的方案。一期开采-200～-500 m标高之间的矿体，矿石储量2.4亿t，占矿体总储量的80%；二期开采-500～-700 m区段矿石储量0.6亿t，结合矿床深部勘探程度较低的未探明储量，经过深部补勘后，再做统一的开发利用。

5.2 特大型矿山的开采顺序

垂直方向上的开采顺序有两种，一是由上而下方向的传统开采顺序(见图4)：由于距离地表较近，开拓准备工程量较少，可以很快进入矿体，有利于快速形成生产能力，但也存在弊端：首先很快面临地表建筑保护、第四纪含水层的保护、矿体开采顶柱的预留问题，其次下部中段与上部中段充填体的接顶难于保证，由此引发的充填体的永久稳定性问题更难于解决，在100 m高中段、特大结构参数采场的开采中，这些问题显得更加突出。二是由下而上的开采顺序(见图5)：由于首采中段距离地表较深，矿体开采部位以上矿体将全部起到顶柱的作用，地表建筑、第四纪含水层更容易获得保护；上部中段的作业在下部中段充填体之上，接顶更容易保证，充填体的整体性更好，有利于其永久的稳定。但也存在弊端：开拓系统准备工程量稍多，形成生产能力稍慢。两者相比由下而上更安全更可靠。实际生产中段开采顺序为由下而上，见图5。

图4 由上而下的充填开采顺序

水平方向上的开采顺序，采用沿矿体走向从矿床中央向两翼推进。采场按照20 m宽连续布置，不区分矿房矿柱。采场分二步回采，一步开采时隔一采一，采场开采完毕后马上进行充填，未采动的采场作为一步开采采场的矿柱。二步开采时，两侧一步开采的充填体作为二步开采采场的矿柱，采后充填尾砂胶结充填料的平均灰砂比平均为1∶5，充填体强度达到2 MPa以上，充填体胶结强度达到上述强度后，方可回采二步开采采场。

图5 由下而上的充填开采顺序

6 大型化设备的配备

为实现特大型矿山规模化开采需要，实现750万t/a的矿石生产规模，主要采掘装备采用国外先进的设备，总体装备水平在各工艺环节上都达到了国内最先进水平。

掘进凿岩采用瑞典Atlas公司的Boomer281型液压凿岩台车进行巷道掘进；回采爆破深孔凿岩采用瑞典Atlas的Simba1354液压凿岩台车、炮孔直径76 mm；采用芬兰Sandvek公司Toro1400E电运铲运机和Toro1400D出矿(斗容6 m3)。采用TORO301型3 m3柴油铲运机配MT2010型载重20 t井下卡车出碴；采用Robolt-06型锚杆台车、Scamec撬毛台车和PZ-5A型混凝土喷浆机进行巷道支护；天井采用φ2 m天井钻机钻进；采用 MT2010 井下卡车(20 t)进行物料运输。

掘进和回采全面实现无轨化，且以电动设备为主，井下窄轨铁矿运输采用20 t电机车牵引10 m3底侧卸式矿车。

在采矿自动化方面，今年将购进遥控铲运机，在采场集中出矿后，对集聚在采场底部位置矿石，由遥控铲运机进行辅助出矿，避免百米高空区造成的可能安全事故，提高矿石回采率。

7 大流量的充填系统构建及运行

7.1 大流量充填系统的构建

矿石生产规模达到750万t /a，年工作天数330 d时，每年充填体积量达到223.3万m3，日平均充填体积量6 768 m3。

充填系统采用高浓度全尾砂结构流胶结充填、立式砂仓储料、压气造浆、自流输送工艺，胶凝材料为水泥或胶固粉。

在矿体走向方向，间隔布置3座独立的充填站，这样分散布置充填站，可有效减少料桨输送管线的长度，更容易满足自流输送充填倍线的要求。

每座充填站有4个圆形立式砂仓，仓体直径15 m，高度10 m，2个砂仓组成一个充填系列，单系列充填制备能力180 m3/h，一次最大连续充填量2 000 m3，充填料浆浓度70%～72%，满足每日最大充填量的需要，均采用钢结构以满足快速建设的需要。

7.2 充填料桨连续与间断制备系统的选择

充填站从料桨的制备过程看，有两种模式，一种是连续造浆模式，一种是间断造浆模式。影响充填站正常作业有两个方面：一是尾矿的供应，在选矿厂或尾矿输送环节出现故障时，会影响充填站的料桨不能连续制备。二是充填料的井下充填，在井下充填环节出故障和无空区可充时，会影响充填站的料桨连续排放。充分考虑到选厂及井下的影响，选择间断造浆间断充填模式，选厂出现故障时，储备在料仓内的充填料可继续对井下进行充填作业，井下没有空区充填时，选厂的尾矿依然可以向充填站的空仓供料，保证选厂生产的连续运行。间断充填模式使得采矿、选矿、充填各工序的生产更容易协调组织。

7.3 采场充填作业

采场矿石开采完毕后，首先对出矿进路、各分层凿岩巷用封堵墙封堵，便可以开始充填。充填工程布置在采场顶部，对采场进行多点下料充填，保证充填料充分接顶，由于采用全尾沙结构流充填，充填到采场的料桨离析的水并不太多，无需传统的脱水井，在采场内敷设2条脱水管，将水排出即可。充填体顶部和底部强度要求相对较高，充填料按照不同部位可采用1∶4、1∶6、1∶8，平均灰砂比1∶5，强度达到2.15 MPa以上，二步开采矿块充填采用较低配比的尾砂胶结充填。

8 结 语

安徽开发矿业750万t/a矿山系统主体工程于2011年底建成，2013年将达到530万t/a，预计2015年达到750万t/ a设计规模，特大型地下矿山的规模化开采正在一步一步得到实现，期待开采过程中遇到的重大技术难题逐步获得解决，为特大型以及未来的超大型地下矿山的提供可借鉴的经验，形成我国特大型地下矿山规模化开采关键技术。

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(责任编辑 石海林)

Construction of an Extra-large Underground Mine Model with Filling Mining Method

Yue Runfang1，2

(1.MinmetalsHanxingMiningCo.，Ltd.，Handan056002，China;2.SchoolofResourcesandCivilEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)

The largest scale underground mine with filling mining method at present in China is introduced.This mine is under Minmetals Hanxing Mining Co.,Ltd.and it is located in Huoqiu County，Anhui Province.There are two ore deposits of magnetite and specularite in the mine.The ore-body is characterized with long strike，wide extension，large thickness and high inclination.According to the occurrence of the ore deposit，such issues are described as the choice of the development system，the mining method for large scale stoping，the structural parameters and characters of extra-large stope，the selection of mining sequence，the option of extra large mining equipments，the deliberation and construction of large scale filling systems，the choice of continuous and intermittent preparation system for filling pulps，and the control of the mining，the filling，and the strength of the filling body.The mine will be completed at the end of 12th Five-year Plan of China to be a model project.It provides experiences for extra large and super large underground mining for the future and forms the key technique for extra-large underground mine in China.

Extra large，Underground filling，Model mine，Construction

2013-01-21

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号:2013BAB02B04)。

岳润芳(1955—)，男，总工程师，教授级高级工程师。

TD212，TD853

A

1001-1250(2014)-04-001-05