机械化盘区下向进路胶结充填采矿法.doc

机械化盘区下向进路胶结充填采矿法在谷家台铁矿的应用与优化1王立勋,2滕济禹，3马元磊莱芜钢铁集团莱芜矿业有限公司 山东 莱芜摘要：谷家台铁矿最近几年铁矿石产量不断提高，是莱矿人和谷家台人不断学习先进矿山的先进生产经验加上自身的不断创新总结出的带有自身特色的生产模式。谷家台铁矿机械化盘区下向进路胶结充填采矿法自试验到全面应用与优化体现了莱矿人和谷家台人用于创新的精神，本文将为大家展示谷家台铁矿今年来采矿技术的发展供广大采矿人了解借鉴并为我们提出更好的建议。关键词：复杂的水文地质 采矿方法 机械化盘区 下向分层进路胶结充填采矿法 应用与优化 谷家台铁矿矿体赋存于莱芜矿山弧形背斜构造的南端，矿区地面为平原，是一大型的矽卡岩型铁矿床。已经探明矿石工业储量五千多万吨，加上深部远景储量达到八千多万吨。矿区地质、水文条件比较复杂，矿体形态多变，倾角变化在1555之间，厚度一般为530m，最薄0.5m，最厚达93m，矿体埋藏东部浅西部深，变化在50565m之间，矿区上部有嘶马河、方下河流过。第四系表土厚614m，第三系红砂岩厚15400m不等。矿体直接顶板为大理岩，底板为矽卡岩和蚀变闪长岩。开采条件可以概括为：一是矿体顶底板围岩不稳固，顶板大理岩溶洞、裂隙发育，泥质充填、富水，矿体底板闪长岩经成矿作用后形成的蚀变闪长岩或矽卡岩松软破碎，也不稳固；二是水文地质条件复杂，水压和水量是华北地区少见的，对铁矿石的开采构成巨大威胁，因此地下水防治一直是公司技术工作的重点和难点；三是随着开采深度的增加，地压也在递增。为此先后采用过：上向水平分层点柱式充填采矿法、长锚索预控顶上向分段充填采矿法、机械化盘区下向进路胶结充填采矿法。1 机械化盘区下向进路胶结充填采矿法进路形式的确定1.1 机械化盘区下向进路胶结充填采矿法是2012年2月份在谷家台西采区-50-100m2527线开始试验的新型采矿方法，初始为借鉴甘肃金川铁矿六棱体进路模式，矿房尺寸为顶底板宽5m、高6m、中间最宽处即腰部对角线宽8m，断面39m2，采用阿特拉斯BM281凿岩台车钻孔，2号岩石乳化炸药爆破落矿。开采至第3个分层矿房时总结发现：1）在谷家台矿体普遍倾角较缓和平均厚度较薄的情况下，毎分层平均完整六棱体进路较少，试验盘区矿体水平厚度35m情况下完整进路为2条，造成上下盘进路开采时矿石损失率和贫化率较大，不满足公司对谷家台铁矿矿石损失和贫化指标；）转层时总体采准工程量较大，每下降3m的高度就要设一条转层斜坡道和出矿平巷，而一个转层水平矿量有限，千吨采准比为3.92m/kt，相对较大，同时采准工程量大对围岩破坏性也大，不利于地压控制；3）谷家台矿体内由于治水和长锚索预控顶上向分段充填采矿法采准工程较多，影响了正常采矿顺序，采充循环周期比预期延长；4）六棱体断面对凿岩工凿岩水平要求较高，凿岩效率降低，两帮时常出现超欠挖现象，进而影响下一层矿房断面和采充循环周期。图1：-50m-65m六棱体进路矿房设计26线剖面图1.2 经公司和谷家台铁矿技术人员讨论并领导审核后决定，对进路采矿方法进行优化，进路断面改变为5x5m的矩形进路，并在东采区的-16m水平1924线和西采区的-100m水平2931线两个地点做为首采层进行试验，经3个月的试验后总结发现：1）矩形进路矿房布置方式灵活，东采区的-16m水平1924线盘区矿体厚度和倾角变化较大，最厚处2530m，薄处24m，倾角2842，薄处1条沿脉进路可以全部采出矿石，厚处根据矿体边界的变化灵活布置穿沿脉进路；2）在沿脉上、下盘进路采矿时可以在顶板可控安全宽度内自由控制进路岩石侧的断面形状，最大限度的降低了矿石损失率和品化率；3）采准工程量降低，千吨采准比为2.46m/kt，利于地压控制；4）产量稳定，较六棱体矿房未降还略有提升。图1：-16m水平1923线矩形进路矿房布置平面图结论：六棱体进路矿房不适用于谷家台铁矿的矿体条件和生产条件，矩形进路矿房做为机械化盘区下向进路胶结充填采矿法的标准矿房在谷家台各生产盘区全面展开。2 谷家台铁矿机械化盘区下向矩形进路胶结充填采矿法标准工序2.1 采场布置2.1.1 以地质钻孔揭露的矿岩稳定性，确定采准工程布置在矿体上盘或者下盘。沿矿体走向每100m设一条溜井，采切工程包括分段平巷、转层斜坡道、出矿平巷、溜井、充填回风井、泄水天井。2.1.2 将矿体划分为盘区，以盘区为回采单元组织生产。中段高度50m，沿矿体走向每100200m划分为一个盘区，分层高度5m,进路长度5075m，矿房按以下3个原则进行布置：1）矿体厚度30m内且矿体内原有采准巷道较少的情况下沿矿体走向布置矿房，上下两分层矿房中线相错半个矿房的距离；2）矿体厚度30m以上时上下两层矿房采用穿沿脉交错布置；3）分段水平矿体内原有采准巷道较多时所处分层矿房沿原有采准巷道灵活布置，但该分层的上下两分层矿房的布置采用前两条矿房布置原则。（a）薄矿体中矿房布置示意图；（b）厚矿体中矿房布置示意图1-分段沿脉；2-中段运输巷；3-转层斜坡道；4-出矿平巷；5-沿脉进路；6-溜井；7-溜井平巷；8-充填通风井；9-沿脉出矿平巷；10-穿脉进路图3：谷家台铁矿在薄、厚矿体中的进路矿房布置方式2.2 回采工作回采工作自上而下逐个分层进行，回采方式为“隔一采一”（最低要求，可根据现场实际，生产计划确定回采顺序），一般情况下进路间沿穿、沿脉出矿平巷从一端开始顺序间隔回采。采用BM281凿岩台车凿岩，严格按设计标高进行回采，回采过程中，严格控制断面尺寸，要及时标注中腰线，腰线标注方式为连续腰线，同一水平分层进路底板标高误差控制在5cm以内，两侧超挖小于20cm。每一分层从下盘外沿脉位置开始向上盘矿体方向根据设计施工分层联络道（平巷及斜坡道）和穿（沿）脉出矿平巷，然后按矿房回采顺序进行采矿。落矿采用阿特拉斯BM281凿岩台车，43mm凿岩台车钻头钻凿孔径45mm的水平孔，孔深3.33.9m（根据不同盘区矿石物理性质确定），顶部及两帮采用光面爆破使采场的顶板尽量平整。矿房出矿采用电动铲运机，矿岩通过溜矿井到达下部运输中段大巷。回采结束后，扒平采场底部，铺设钢筋网、衍架等吊挂支护，封堵、充填管道架设等充填准备工作，然后开始充填。2.3 人工假顶和封堵充填2.3.1 人工假顶谷家台铁矿使用的是全尾砂高水速凝胶结材料充填，在2014年2月份之前，谷家台充填尾砂有两个来源：业庄选矿厂所选弱磁矿尾砂的一部分和马庄选矿厂所选磁铁矿尾砂的一部分，业庄选矿厂和马庄选矿厂所有尾砂产量刚能满足莱芜矿业公司三个生产矿区的采空区充填能力，而业庄选矿厂所产出尾砂供应业庄铁矿和谷家台铁矿的采空区充填。业庄选矿厂尾砂含有一定量的泥沙，造成充填体强度满足不了充填体做为直接顶板的要求，为安全起见，谷家台铁矿每条矩形进路采空后都要进行人工铺设25cm厚的混凝土作为下一层矿房的假顶。首先对采空区现场按腰线清理平整，在现场清理完毕以后，沿第一分层矿房从里向外排距为1m间距为1.5m打吊挂锚杆，每排3根锚杆，每条锚杆头部套上用10mm的圆钢做成的钩子。吊挂锚杆固定完毕以后，然后沿矿房方向从里向外平铺一层塑料膜，在铺一段塑料膜后在塑料膜上用10mm的螺纹钢按30mm300mm的网度铺设钢筋网，用10mm圆钢作为吊筋连接钢筋网和吊挂锚杆，连接方式均为铰接，要求连接完成后的吊筋笔直无弯曲以满足承重条件，最后在钢筋网上铺设25cm厚的混凝土在铺设金属网时，将吊环预埋至碎矿石中，以备下一层进路充填吊筋连接之用，上部吊环找不着时需补打吊挂锚杆；横向钢筋两头均比矿房超出0.5m的长度用来和相邻进路连接，相邻进路将钢筋网铰接在一起，使整个分层钢筋网形成一个整体。2.3.2 封堵充填先在进路顶板吊挂好充填管路，然后在进路口用空心砖垒封堵墙，形状为内圆弧形，厚度40cm，地基要挖至硬岩且用混凝土铺底，内部空心用混凝土填实，水泥砂浆抹面，墙上部预留观察口，内侧安装好滤水笼子和排水管，为增加稳固性，在外侧垒一到两个垛子，凝固23天后充填。3 谷家台铁矿在机械化盘区下向矩形进路胶结充填采矿法应用中对各工序的优化3.1 矿房落矿爆破方式的优化谷家台铁矿矿石矿物主要为磁铁矿，磁铁矿为中细粒、半自形结构，块状构造，矿体内矽卡岩夹层发育，矿石结构较为致密，TFe平均47.98%，体重3.74t/m3。初始进路矿房爆破设计43mm凿岩台车钻头钻凿孔径45mm，钻凿孔深为3.9m，采用2号岩石乳化炸药不耦合装药，非电导爆管起爆。采用桶形直眼掏槽，掏槽孔与辅助孔连续装药38mm药卷，周边孔实行光面爆破，32mm药卷间隔装药。进路采矿初期，矿房每遍炮进尺平均2.6m，全深钻凿孔深3.9m炮孔利用率仅为67%，影响了产量的提升和凿岩工效的浪费。为此谷家台铁矿经过反复摸索和改进，总结出了提高单循环进尺和炮孔利用率方法：改进掏槽设计和缩短钻凿孔深。为BM281凿岩台车配备75钻头，掏槽孔由1（中心孔装药）-6（不装药）-6（装药）共13个孔孔径45mm的小孔模式改变为1（中心大孔不装药）-6（3大孔不装药3小孔装药，大孔小孔间隔布置）-6（小孔装药）模式，同时钻凿孔深调整为掏槽3.5m、辅助孔和周边孔3.3m，1个多月后单炮平均循环进尺达到3m，平均炮眼利用率达到88%,提高了产量且降低了凿岩工效的浪费。图4为掏槽方式改变前后示意图。（a）调整前1（中心孔装药）-6（不装药）-6（装药）小孔模式（b）调整后1（中心大孔不装药）-6（3大孔不装药3小孔装药，大孔小孔间隔布置）-6（小孔装药）模式图4：掏槽方式改变前后示意图3.2 顶板安全控制的优化2014年2月谷家台200万吨选矿厂正式投入运营，所产尾砂能同时满足谷家台铁矿和马庄铁矿的充填需求，谷家台铁矿充填体质量大幅度提高，已经满足充填体做为直接顶板的条件，谷家台铁矿积极改变铺网工艺和去除人工假顶铺设这一工序。新钢筋网铺设工艺：首先对采空区现场按腰线清理平整，在现场清理完毕以后，沿第一分层矿房从里向外排距为1m间距为1.5m打吊挂锚杆，每排3根锚杆，每条锚杆头部套上用10mm的圆钢做成的钩子。吊挂锚杆固定完毕以后，然后沿进路矿房由内向外方向在每组吊挂锚杆位置横向铺设金属三角桁架。金属桁架采用10mm圆钢加工并焊接，长度为巷道底宽，底筋按吊挂密度焊接吊环，吊环长度100mm。三角架采用10mm圆钢加工成等边三角形，边长120mm，同一桁架上三角架间距1500mm和吊环可以焊接在一个位置，三角架、桁架及吊环采用焊接的方式固定。 在铺金属桁架时，将吊环预埋至碎矿石中，以备下一层进路充填吊筋连接之用，待金属桁架铺设好后在上面铺钢筋网，钢筋网用6.5mm圆钢焊接加工，长度为5.3m，宽度1.7m，网度200200mm2，网片与网片之间采用铰接的方式相连。钢筋网铺设好后，用10mm圆钢作为吊筋连接三角桁架和吊挂锚杆，连接方式均为铰接，要求连接完成后的吊筋笔直无弯曲以满足承重条件，上部吊环找不着时需补打吊挂锚杆；钢筋网在靠帮的地方要多余出0.3m的宽度，相邻进路将钢筋网铰接在一起，使整个分层钢筋网形成一个整体。图5：三角桁架结构示意图3.3 出矿方式的优化每当自分段水平向上或向下转层而矿石溜井在分段外沿脉下盘时，为避免电动铲运机铲矿时空重车在转层斜坡道反复上行或下行而造成的铲矿时间过长和电能的大量损耗，矿区决定采用架设桥式过路的形式直接用出矿平巷连接出矿点和矿石溜井，过路架设方法如下：用4根200*200mm的H型钢计算好铲运机轮距两两并合一起放在铲运机轮胎的行走路线上做为主支撑，两头架设在预挖好的外沿脉顶帮（向上转层）或外沿脉挖断处（向下转层）的凹槽中，再用150*150mm的H型钢做为横梁连接两侧的H型钢，采用焊接的方式间距1m，上铺6mm的花纹钢板，这样过路的桥面就形成了，过路两侧用角钢设好围栏防止铲车或行人坠落即可。4 谷家台铁矿的主要技术经济指标莱芜矿业有限公司谷家台铁矿采用机械化盘区下向进路胶结充填采矿法采矿贫化率为10.10%，矿石回采率95%，矿石采出品味42.26%，矿石生产能力85万吨，2013年工人劳动生产率为773.2t/人a，2014年上半年采出原矿成本208.52元/t。5 结语任何采矿方法都不是一成不变的。随着生产的进行，会出现更多的新情况、新问题，这也给采矿工作者提出了更高的要求。但只要按照科学的方法，实事求是，就一定会在变化着的生产实践中找到一种最适宜于自身技术经济条件和矿床条件的采矿方法，为企业创造更好的经济效益。参考文献; 1 亓俊峰，何治亭，马继业充填采矿技术世界铁矿生产技术，2004年10月2 李云关于优化谷家台矿采矿法方案的探讨莱钢科技1989年第3期3 白忠民，王怀佳新型胶结材料充填采空区的研究与实践西部探矿工程，2002年第5期4 解世俊金属矿床地下开采（第2版）北京：冶金工业出版社，2