“双碳”目标下倾斜厚矿体切割槽的优化设计与施工

王晓涛，齐朝鹏，郭子林，马有力，孙光华

(1.河钢集团迁安红山铁矿有限公司，河北 唐山 064409； 2.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210； 3.河北省矿山绿色智能开采技术创新中心，河北 唐山 063210)

随着“两山理论”、“双碳战略”的实施，低碳、绿色、安全、高效的充填开采技术已成为地下矿山发展的主要趋势。伴随着大型液压凿岩设备和无轨运搬设备在地下矿山的广泛应用，大规模绿色、高效开采的分段/阶段空场嗣后充填采矿法在大型地下矿山尤其是冶金矿山得到应用和推广[1-3]。运用上向/下向或竖直炮孔回采的嗣后充填采矿法回采矿体时，需要在矿房端部或中央位置布设切割井，从而完成切割槽的开凿作业，为后续大规模回采矿体提供自由面和爆破空间[4]。切割槽的形状、位置以及质量直接影响后续矿房大规模回采的正常进行，以及矿石回收率、废石贫化率等各项矿石开采技术指标[5-6]。

开采极厚矿体或者急倾斜厚矿体时，通常采用竖直深孔或上向/下向深孔落矿，矿房大规模回采前切割槽通常竖直布设[7]。倾斜厚矿体回采过程中，若继续采用竖直切割槽布设方式，尤其是垂直矿体走向布置矿房时，极易造成矿体上盘、下盘矿岩三角区域大量废石的混入，导致矿石贫化，同时使后期矿石的运输、加工等环节的能耗增大、成本增高[8]。因此，切割槽的优化与布设，能加快施工进度，降低生产成本[9]，已成为运用中深孔安全、高效回采倾斜厚矿体的关键所在[10]。

冀东地区运用分段空场嗣后充填法开采倾斜厚矿体过程中，针对上盘矿岩三角区域切割槽的布设问题，开展切割槽优化设计，并进行施工攻关。

1 工程背景

冀东地区某地下铁矿，矿体总体为一不对称的向斜构造形态，剖面矿体形态似弯月形或镰刀形。矿体走向南北，工程控制长度900 m，矿体倾角54°～81°，主要集中于54°～60°，属于倾斜矿体。

该矿采用下盘竖井开拓，阶段高度50 m，采用分段空场嗣后充填采矿法，分段高度25 m，下分段为凿岩出矿分段，上分段为凿岩分段，单个矿房宽15 m，矿房长为矿体水平厚度。在凿岩巷道内使用中深孔凿岩台车穿凿上向扇形孔，侧向崩矿。

受矿体倾角限制，若采用竖直切割槽开槽方式，在回采时废石混入率较高，造成大量矿石贫化(图1a)。因此，针对该倾斜矿体，确定合理的切割槽布设方案(图1b)直接关系到矿体回采边界的有效控制、提高矿石回收率、降低贫化率等安全、高效的回采问题。

1-切割井；2-上盘切割巷；3-堑沟拉底巷；4-下盘切割巷；5-上盘堑沟拉底巷；6-上盘围岩；7-下盘围岩图1 切割槽与矿岩体空间关系Fig.1 Spatial relationship between cutting groove and rock mass

2 倾斜厚矿体切割槽设计原则

针对该倾斜厚矿体赋存条件和采用的采矿方法，切割槽的布设优化方案应满足以下条件：

1)针对矿体赋存条件，开展切割槽优化设计，避免上盘三角区废石大量混入，确保矿石损失贫化最小，保证正常开采技术指标；

2)针对矿山现有开采技术水平，开展切割槽优化设计，确保后续安全、高效回采；

3)充分利用矿山现有掘进设备和已有采准工程，确保降低开采成本；

4)所用优选方案需考虑矿山高效回采，确保矿山产能不受影响。

该矿山矿体为倾斜矿体，利用现有凿岩设备和技术手段，考虑回采落矿时矿体上盘三角区域围岩的混入问题，切割槽设计为沿矿体倾斜方向布置(图1b)。

3 沿矿体倾角切割槽设计

以南4#穿脉一步采1#矿房为试验矿房，在充分利用现有采准工程的基础上开展沿倾斜矿体切割斜槽优化设计。南4#穿脉一步采1#矿房底部出矿结构布置在-400 m水平，分段凿岩水平布置于-375 m水平，矿房宽度15 m，矿房长度为矿体厚度。

采准切割巷道设计方案如图2所示，分别在-400 m、-375 m水平矿体上盘边界垂直于出矿巷道掘进切割巷道，巷道长度为矿房宽度。在上盘切割巷与堑沟拉底巷道交叉点，沿矿体上盘倾角布设倾斜切割井，切割井断面尺寸2.5 m×2.5 m，鉴于矿岩交界处围岩稳定性差，切割井布置在距矿岩交界线1～2 m的矿体内。在切割巷内钻凿与切割井倾角一致的上向倾斜炮孔，并以切割井为自由面分批爆破形成切割槽。

1-上盘切割巷；2-切割井；3-出矿横巷；4-穿脉巷道；5-下盘切割巷；6-堑沟拉底巷图2 采切方案设计图Fig.2 Design drawing of cutting scheme

4 沿矿体倾角的切割槽施工

4.1 切割井施工

采用祼井、吊挂铁梯的掘进施工法掘进切割井(图3)，施工过程中选用YT-28式气动凿岩钻机施工，炮孔直径38～42 mm，班循环炮孔深1.8～2.3 m。具体施工工序如下：1)挂第一层防坠网；2)挂第二层防坠网；3)搭设穿孔凿岩作业平台；4)搭设安装个人安全带锚杆(含人行铁梯锚杆)；5)实施掌子面凿岩作业；6)进行炮孔装药及爆破网络连线铺设；7)撤拆凿岩装药作业平台；8)保护吊挂、固定风水管绳；9)设置爆破警戒线并将爆破网路引至平巷安全地点；10)实施安全警戒并起爆。爆破后掘进切割井如图4所示。

图3 切割井施工布置图Fig.3 Construction layout of cutting well

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

4.2 切割槽施工

1)拉槽中深孔凿岩

切割井开掘后，根据矿体上盘倾角及切割井断面尺寸，在上盘切割巷内的切割斜井两侧确定拉槽空间。使用华泰CYTC76中深孔凿岩台车钻凿平行中深孔，孔径76 mm，见图5。

1-上盘切割巷；2-切割斜井；3-装矿进路；4-出矿巷道；5-下盘凿岩巷；6-堑沟拉底巷；7-倾斜平行中深孔图5 倾斜中深孔设计图Fig.5 Inclined mid-deep hole design drawing

根据最小抵抗线经验公式确定炮孔排距：

W=(23～30)d

(1)

式中：W—最小抵抗线，m；d—炮孔直径，m。

经计算，W=(1.75～2.28)m，即炮孔排距为1.75～2.28 m。

根据孔网密度经验公式确定孔底距：

a=mW

(2)

式中：a—孔底距，m；m—密集系数；W—最小抵抗线，m。

目前，根据冀东铁矿开采经验确定密集系数。保守起见密集系数取0.8，孔底距a为1.4～1.8 m。

为保证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

为保证爆破效果，采用孔底起爆方式(见图6)，选用数码电子雷管和乳化粒状铵油炸药。数码电子雷管孔外连线采用并联方式连接，雷管方向反向连接，同排分段、排间分段布置电子雷管，实现有序控制爆破。以切割井为自由面向矿房两侧边界逐排爆破拉槽，在接近出矿巷道后逐排减少装药长度，保留出矿巷道顶部安全矿柱。

图6 中深孔孔内装药结构图Fig.6 Internal charge structure of medium deep hole

3)拉槽中深孔爆破安全措施

①作业区域警戒：装药施工前，需在装药施工穿脉巷道口拉好爆破警戒带；

②清理炮孔：装药前对中深孔炮孔进行验孔及清理工作，以防孔内残留碎石卡住装药管，影响拔管速度，从而影响装药质量；

③装药：装药工作由爆破工持证进入现场作业，装药过程中需控制好拔管速度，保证装药质量，并严格控制装药长度，以减少炸药浪费；

④网路联结：起爆网路联结需专业爆破人员操作，严格按照相关技术要求，以保证起爆安全；

⑤爆破完毕后，至少通风60 min以上；

⑥通风结束经气体检测仪检测空气合格后，方可进入现场开始排险、验炮工作。

4.3 切割槽拉槽效果

南4#穿脉一步采1#矿房应用沿矿体上盘倾角的切割井拉槽工艺，切割拉槽效果良好(图7)，将矿石回采率由切割立槽的82.53%，提高至90.26%，回采率提高7.73个百分点，矿石贫化率由14.52%降低至12%，矿房增加矿石回采量约0.93万t，回采期内增加矿石回采量72.5万t，预计新增产值362.5万元，实现了良好的经济效益。

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

5 结论

优化了沿倾斜矿体倾角布置的切割槽设计方案，并在实践中进行了应用。应用实践证明，该设计方案不仅避免了回采爆破与上部所覆矿岩贯通而产生悬顶冒落的安全隐患，而且有效控制了上盘矿体的回采边界，极大降低了废石混入率，增加了矿石回收率，取得了良好的安全和经济效益，对倾斜矿体的回采具有广泛的推广应用价值。