高效能充填采矿在莱新铁矿的实践运用

陈 虎

(莱芜莱新铁矿有限公司，山东 济南 250000)

0 引言

莱新铁矿位于莱芜市牛泉镇境内，现隶属于鲁中矿业有限公司，一期矿量已经回采完毕，二期回采全面展开，伴随二期产能提升的要求，高效的采矿方法研究运用得到高度重视。

根据二期矿体形态特征，选取东部二期-255 m中段～-205 m中段上盘Ⅳ-1矿体线作为实践运用首采采区。经过近三年的探索优化，不断的创新发展完成了无底柱阶段空场分段凿岩嗣后充填采矿方法各种工序，成功的在生产中的实践运用，为降本增效、提升产能、安全作业、创建造现在化大矿山打下了坚实的基础。

1 Ⅳ-1矿体地质水文条件

埋深在253～442 m，海拔标高在-60～-262 m总体矿体产状，走向北东～南西，倾向西北，倾角20°左右，矿体沿长轴方向呈北凸南凹的弧形，其延展达1 146 m，剖面最大延深为356 m，一般厚度为40 m，最大厚度可达91 m。

Ⅳ-1矿体上盘围岩为大理岩，下盘为矽卡岩化闪长岩及蚀变闪长岩[1]，局部出现大理岩。矿体内部结构比较简单。矿体顶板主要为大理岩，岩溶裂隙较发育，岩溶裂隙率为0.65%，透水性能良好，是矿床主要充水岩层。经原始水文地质资料预测，此区域最大涌水量可达10万 m3/d，由于水文地质极其复杂，回采过程必须确保顶板的完整稳定性。

2 采矿方法的的论证开发

此部分矿体整体性较好，厚度大、走向长、倾角小，具备高效生产的条件。但矿体顶板大理岩裂隙发育，涌水量大，犹如一个大型的水库悬在头顶，随时都有溃坝的危险。

为安全起见，设计院前期的开采设计说明主要是采取上向进路充填采矿法。此方法生产成本高、切采比大(33 m/kt)、生产效率低(整个东部采区最大年设计能力只具备30 万t)，难以确保高效回采。为此，只有研究攻关高效的采矿方法，但必须确保回采过程中顶板的稳定稳定性。

3 长锚索护顶的攻关

3.1 长锚索长度的选择

3.1.1 空场采空区顶板蠕变理论计算

根据一期运用空场法采矿相类似的围岩条件生产观测，矿房爆破空顶后，其围岩的弹性形变是极小的，在莱新铁矿的岩体位移之中，甚至不予考虑，但塑性位移的量度随着时间的变化而变化，大多数的变化值可以利用弹、塑性理论分析。按简单的圆形空区断面由芬纳尔公式算出采空区周围塑性区半径R：

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

(1)

式中：r—空场半径;c—岩体粘聚力；α—岩体内摩擦角；p—巷道围岩的初始应力场。

根据和其它铁矿岩性相类似的实验数据，选取两组：

卸压区：r1=7.0 m；c1=33.45 kg/cm；p1=125 kg/cm；α1=27.1°

得R1=9.8 m。

压力区：r2=7.0 m；c2=41.41 kg/cm；P2=500 kg/cm；α2=29.2°

得R2=12.06 m。

3.1.2 一期采场空区实际观察统计

1)各类空场冒顶高度大约在5～10 m之间。(夕卡岩除外)

2)围岩脱落，大约3～6 m之间，其余部分仍在实体里面。

3)围岩形变部位，大约在表面以里3～12 m处。

结合理论和实际的统计结果：针对卸压区和承压区范围，选取的锚索长度15 m。

3.2 长锚索间距的选取

根据锚索承载力和最长锚索的锚固点所吊挂的岩体重量来确定锚索间距：

d=0.5(A×δt/t×r)

(2)

式中：d—锚索间距，m；A—锚索截面面积，mm2；δt—锚索材料允许拉应力，t；r—松动圈半径，m；t—岩石容量，t3。

从钢绞索拉力实验得出：锚索直径Φ15.24 mm，长度l=15 m，t=7 m，δt=25.26～27.99 t，锚索间距d为1.2 ～1.96 m。设计采取长锚索间距d为1.5 m。

3.3 注浆方式的选取

选取注浆用纯水泥注浆，水灰比0.2∶1～0.3∶1。采用专门高压注浆泵注浆终压2 MPa以上，确保锚索孔无空隙，并对周围2 m范围的围岩裂隙有一定的充填胶结加固作用。

3.4 布置方式

在待回采空区中央提前沿走向掘一条护顶巷，根据围岩性质不同、矿房形状不同、地压不同等，分别布置扇形长锚索3～6根，见图1。

图1 长锚索护顶布置示意图

4 无底柱阶段空场分段凿岩嗣后充填采矿方法工艺

4.1 采准设计、分段高度的确定

阶段高度位50 m，根据现有的中深孔施工设备YGZ-90，有效施工深度为20 m以内。设计将阶段系统的分成三个分段凿岩，底部平底出矿兼做第一层凿岩分成，依次垂直对应为第二分层、第三分层凿岩道，最上层为护顶巷，施工长锚索护顶，及事前帷幕注浆加固堵水措施，以确保在回采过程中空区顶板的稳定性，见图2。

图2 矿房采切设计示意图

4.2 矿房的单体设计

根据莱新铁矿初步设计说明空顶面积在600 m2以内和实际生产中的探索总结，最优矿参数选择为矿房长40 m、宽12 m、高50 m。矿房单体设计，见图3。

图3 矿房单体设计示意图

4.3 凿岩爆破出矿

4.3.1 中深孔参数及施工

采用YGZ-90型凿岩机，施工孔径65 mm，单中深孔最大深度20 m。

4.3.2 布置形式

采取垂直扇形炮孔布置。边孔角设计为30°，中深孔排排距1.6 m，孔底距孔1.6～1.9 m之间。中深孔布置设计，见下图4。

图4 矿房中深孔设计示意图

4.3.3 装药爆破落矿

装药，使用BQF-100装药器，风压控制在3～4 MPa采用上向风压挤密装药,装药密度控制在3 kg/m,采用微差分段导爆管雷管起爆。每排扇孔口密集，为降低炸药用量，控制效果，采取间隔装药，即相邻孔直径间隔2～6 m不装药。

起爆，每分段起爆最大药量在150 kg以内。根据中深孔设计。每排中深孔在150～200 m之间。按装药密度3 kg/m。每排的炸药用量在450～600 kg。每排分3～5个段。一次爆破最多15段。

落矿，每个矿房在一端部位，首先施工2 m×2 m的切割天井，以切割井为自由面，从上分段至下分段间隔2～3排(大于3 m)的台阶式依次爆破落矿，见下图5。

图5 矿房回采落矿示意图

5 出矿方式

在矿房宽度在一侧间隔8 m，布置出矿巷，运用1.5 m3铲运机出矿装运出矿。

图6 无底柱铲车出矿底部结构示意图

6 矿房充填

6.1 充填工艺

利用工业广场的选矿厂尾砂经Φ30 m浓密池浓密后，其底流浓度为50%左右，泵送至充填站立式容积分别约为100 m3的浆池内。通过自动控制系统均匀的加入胶固剂，通过高压风搅拌造桨后，达到55%以上的充填桨液，通过充填管路自流大需要充填的空区。

6.2 充填管网布置及充填倍线

自地表布置两个充填钻孔，钻孔自地表+175 m施工至-205 m，深度380 m，-205 m中段副井石门布置内径为Φ125 mm的钢管、沿脉及回风充填巷布置内径Φ100 mm的钢编复合管。从莱新以往的充填经验可知充填倍线小于5.5。均能满足充填料浆的自流输送要求。

6.3 充填效果

全尾砂胶结充填配比1∶5～1∶8内，经28天终凝取样强度可达到1 MPa以上。在矿房顶部充填不能接顶处，在进行高压注浆接顶。对维护围岩即顶板稳定有一定的支撑作用，经对充填后的采空区周围的长期地压监测，没有地压凸显现象，说明充填取得了良好的效果。

7 结语

在二期采矿工程中研发的无底柱阶段空场分段凿岩嗣后充填采矿方法，经过经近三年的不断探索创新，设计优化。已成功采出300 万t原矿。同时此法还有个别不足之处待下步探索改进：

1)12 m矿的矿房，在铲车不能进入采空区的前提下，铲斗作业半径5 m范围内，里面还有6 m的作业盲区，按矿石自然安息角45°计算，预计每个矿房由6 000 t左右的残矿暂时无法回收。

2)高分段的矿房在一次爆破后，大块率比较大，统计达到30%左右。二次破碎消耗炸药量增大，二次破碎放炮给安全生产也造成很大的压力，爆破参数需继续改进完善。

3)每个矿房的充填时间过长，目前大约在1个月左右。充填过程中由于水汽和热量向上挥发，诱导采空区不稳定性的发生变化。需进一步提高充填效益。