楚立申

（武鋼資源集團大冶鐵礦  湖北  黃石  435006）

摘  要：大冶鐵礦礦石資源隨著不斷的開采日益萎縮，為提高資源利用率緩解環境壓力而選擇了充填采礦法。自實施充填采礦法以來取得了不錯的經濟效益和社會效益。延續了礦山生產壽命，保證了生產順利進行。同時為下一步的深部開采工程總結技術數據和完善管理制度提供了重要的依據。

關鍵詞：無底柱分段崩落法；充填采礦法；充填站；尾砂

1  前言

武鋼大冶鐵礦位于湖北省黃石市鐵山區，是我國近代史上最早、最著名的礦山之一，已有110多年的開采歷史，是武漢鋼鐵(集團)公司重要的礦石基地，有鐵路和公路通往武漢市和黃石市，交通十分便利。

大冶鐵礦東露天采場于1958年建成投產，其后經歷擴幫延深和深部挖潛開采，于2001年年底閉坑由露天轉入地下開采。

根據原武鋼礦業公司“十一五”發展規劃、大冶鐵礦東采區采礦生產實際情況(目前，正在-72m水平采礦，在-84m、-96m水平進行采準施工)，東采區-180m階段開拓工程的設計要進入實施階段。2007年9月委托中冶長天國際工程有限責任公司承擔大冶鐵礦東采區-180m階段開拓工程的設計工作。2008年5月，中冶長天國際工程有限責任公司編制并提交了《大冶鐵礦東采區-180m階段開拓工程初步設計》。

為保護大冶鐵礦礦區礦山公園地表的露天邊坡、防止邊坡滑坡等地質災害發生，減小尾礦庫尾礦排放量及尾礦庫征地數量，并為大冶鐵礦深部采用充填法采礦工藝積累生產、管理經驗。武鋼礦業公司于2008年9月委托中冶長天國際工程有限責任公司對大冶鐵礦東采區-180m階段開拓工程按充填采礦方法進行修改設計。

大冶鐵礦東露天轉地下后，-180m以上礦石儲量有700多萬t，分-60m、-120m、-180m三個階段開采，獅子山礦體-120m階段以上采用無底柱分段崩落法采礦，礦體基本開采完畢。現在主要是在-180m階段進行分段空場嗣后膠結充填采礦。采場主要有-133m水平、-146m水平、-159m水平、-171m水平，礦體中部礦塊劃分為305—312，采用隔一采一的方法分為礦房、礦柱。礦塊寬度為15米，高度為13米左右，深度為礦體厚度。

2  充填采礦法實施的重要意義

2.1  我國地下鐵礦山開采方法的發展趨勢。上世紀70-80年代采用崩落法采出的鐵礦石占地下鐵礦總量的90%，空場法10%。主要代表：梅山鐵礦、弓長嶺礦鐵礦、鏡鐵山鐵礦、程潮鐵礦、金山店鐵礦。上世紀90年代采用崩落法采出的鐵礦石占地下鐵礦總量的60%，空場法30%，充填法10%。二十一世紀充填法比例達到25%，且充填采礦呈迅猛的發展趨勢。

2.2  充填采礦呈迅猛的發展趨勢的原因。國家和地方對征地拆遷要求更加嚴格，表現突出的山東、安徽等地，地下采礦不允許地表塌陷，故山東、安徽等地的地下鐵礦開采基本屬于充填采礦。如金嶺鐵礦（150萬噸/年），萊鋼的萊蕪鐵礦、白象山鐵礦（規模150萬噸/年）；地表有河流、鐵路、公路、良田及建筑物，不允許塌陷。如南京的棲霞山礦上方是九鄉河，安徽的李樓鐵礦（530萬噸/年）上方是良田，均采用充填法；地表不允許建尾礦庫，尾礦必須處理，如安徽的若普鐵礦（220萬噸/年）；安全上的考慮： 防止井下泥石流，如草樓鐵礦（300萬噸/年）地表第四系覆蓋層過厚，達120米以上。 防止自燃，如新橋硫鐵礦； 防止過深出現巖爆，如冬瓜山礦；節約資源，充分利用資源。如濟鋼的張馬屯鐵礦、唐山東安鐵礦等通過充填采礦，提高礦石回收率，節約資源，延長礦山壽命。

2.3  鐵礦山充填法的優勢。（1）提高礦產資源利用率 （2）儲備遠景資源（3）防止地表塌陷（4）減少固體廢料排放

3  無底柱分段崩落法轉充填采礦法的應用與實施

3.1  礦石儲量計算

根據采礦工藝要求，將礦石類型歸并為富礦Fe(Fe₁、Fe₂及Fe₁⁺△、Fe₂⁺△)和貧礦Fe₃(Fe₃、Fe₃⁺△)兩大類。分別計算獅子山、尖Ⅰ礦段-108m～-168m標高以上露采境界外階段礦石量。根據采礦工藝參數和保護礦柱界線，分別計算了尖Ⅰ礦段-108m～-168m標高以上露采境界外礦塊礦石量礦石量見表1。

表1  獅子山、尖山礦體-108～-168m礦石量    單位：萬t

3.2  礦體地質環境

礦石主要為磁鐵礦，次為赤鐵礦、黃鐵礦并含銅、鈷、硫、金、銀等多種有用組分。礦石堅硬致密，穩固性好。

礦體圍巖主要為大理巖、閃長巖，其次為矽卡巖。大理巖一般致密堅硬，穩固性好，閃長巖在與礦體接觸帶附近受構造及蝕變影響，穩固性稍差。

礦體中常包有夾石，礦巖物理性質及品位、夾石率見地質章節。

區內水文地質條件簡單，但72m以下露天采場已成深凹，匯水面積較大，雨季期間降雨量及逕流量均較大，同時水對高陡邊坡的穩定有一定影響，給地下開采安全帶來一定的隱患。

3.3  充填系統

3.3.1  充填材料及用量

充填材料：選擇選礦廠全尾砂以及部分掘進廢石作為充填料，膠結材料選擇普通硅酸鹽水泥。

3.3.2  充填材料需用量

1）日平均須充填體積

T——   年工作日，330d；

Z—— 采充比，取Z=1；

2）日平均充填料漿需用量

Qr=VrK₁K₂ =1065×1.05×1.25=1400(m³/d )

式中：Q_r——   日需料漿充填量，m³/d；

K₁——   流失系數，取K₁=1.05；

K₂———   沉縮比，取K₂=1.25。             

3）年平均充填料漿需用量

Q_a=Qr×330=1400×330=462000(m³/a)

式中：Q_a———   年平均充填料漿需用量，m³/a。

3.3.3  充填料配比及濃度

根據采礦方法對充填工藝的要求，尾砂充填系統應具備制造兩種料漿的能力，即，加水泥和不加水泥兩種料漿。灰砂比1∶4的膠結充填占比例為6%，灰砂比1∶8的膠結充填占比例為24%，非膠結充填占比例為70%。

料漿濃度以料漿不離析、不沉淀為原則，盡可能提高料漿濃度，初步確定料漿濃度為72%，最終濃度參數需經過充填試驗最終確定。

3.3.4  充填設施、充填料制備及充填料輸送

充填設施主要包括地面充填攪拌站、充填鉆孔及輸送管路等。充填料漿利用地面攪拌站制備成符合充填工藝要求的充填料漿后，通過充填管路及鉆孔輸送至井下，再經充填鉆孔和分段平巷充入充填采場。東區最大充填倍線5.2，充填料可以自流至采空區。

充填料采用全尾砂和水泥，根據充填采場的要求，73%的采空區采用尾砂充填，不用添加水泥；27%的采空區需要采用膠結充填，需要添加水泥，灰砂比有1∶4和1∶8兩種，1∶4的占3%，1∶8的占24%。充填料漿的重量濃度為68%～75%，初步定為72%，最終濃度有待充填試驗后確定。

3.3.5  充填料制備的工藝流程

充填料漿采用全尾砂、水泥和水為原料進行制備。尾砂充填系統的工藝流程如下：選廠產出的全尾砂用砂泵揚送到充填攪拌站附近尾砂分配泵房的尾砂池，再由砂泵揚送到尾砂濃縮貯存裝置中儲存。與絮凝劑充分混合后的尾砂漿進入尾砂濃縮貯存裝置后，尾砂迅速下沉成為飽和尾砂，多余的水從砂倉頂部溢流。進行尾砂充填時，先用適量高壓水或氣將尾砂濃縮貯存裝置底部的尾砂活化，然后打開尾砂濃縮貯存裝置底部閥門放砂，將砂漿送到高濃度攪拌槽與其它物料混合、攪拌。經攪拌槽攪拌均勻的合格充填料漿通過充填鉆孔和坑內管路進入采場實施充填。

水泥由散裝水泥車運到充填攪拌站，通過散裝水泥罐車自帶的壓縮空氣設施將水泥輸送到水泥倉內儲存。水泥倉頂設有倉頂收塵器。

3.4  采礦方法選擇

3.4.1  第Ⅰ方案（分段空場嗣后充填采礦方法方案）

分段空場嗣后膠結充填采礦方法其礦塊分礦房和礦柱。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長40m，階段高度60m，礦房、礦柱寬均為20m，采用simbaH157采礦臺車鑿巖，鑿巖巷道分段高度12m。根據采礦方法底部結構布置，底柱為12m。采場切割工作為在礦塊底部掘出礦平巷（在二步回采的礦柱利用），出礦橫巷并形成底部結構，沿礦體上盤邊界鑿切割天井（一般一個礦塊二條井）。回采順序為自礦體上盤向下盤方向后退式回采，礦石裝運采用1.9m3電動鏟運機，礦塊采用二步驟回采方案：先回采礦房，然后充填礦房，待相鄰礦房充填體達到強度后，再回采中間礦柱。

充填材料配比及充填體強度根據充填實驗報告并參照國內外類似礦山選取：礦房充填體要求有一定的強度和自立高度，取灰砂比1：8，充填體強度大于2.0MPa；礦柱充填體采用低標號膠結充填，灰砂比1：20，充填體強度達到1.0MPa；礦房和礦柱平均灰砂比為1：14。

3.4.2  第Ⅱ方案（上向水平分層膠結充填采礦方法方案）

上向水平分層膠結充填采礦方法其礦塊分礦房和礦柱。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長25m，階段高度60m，礦房寬為10m，礦柱寬為15m。采用simbaH157采礦臺車鑿巖，ST-2D型1.9m3電動鏟運機出礦，分層高度4m，回采時采用分層聯絡道將回采分層和分段巷道連通，先回采二個分層，即采場出礦后的空頂高度為8m，然后充填一分層高度4m再回采。采場切割工作為在礦塊底部掘拉底巷道形成拉底空間，高度3～3.5m。沿礦房（礦柱）中部或合適的地方自下而上鑿充填通風井（一般一個礦塊二條井），作為采場回風、充填及爆破自由面。礦房或礦柱回采順序為自下往上分層回采，分層為由中間往兩邊回采。礦塊采用二步驟回采方案：先回采礦房，然后充填礦房，待相鄰礦房充填體達到強度后，再回采中間礦柱。

充填材料配比及充填體強度根據充填實驗報告并參照國內外類似礦山選取：

礦房充填體：每次充填一個分層高度4m，分層頂部澆面層0.4m，取灰砂比1：4，充填體強度大于3.0MPa，分層底部厚度3.6m，取灰砂比1：10，充填體強度達到2.0MPa。

礦柱充填體：分層頂部澆面層0.4m，取灰砂比1：4，充填體強度大于3.0MPa；分層底部厚度3.6m，取灰砂比1：20，充填體強度達到1.0MPa。

根據以上兩種采礦方法的情況和其他條件作如下分析：

1）礦塊生產能力和生產管理復雜性分析

分段空場嗣后膠結充填采礦法采用中深孔分段鑿巖，階段出礦，礦房（礦柱）回采完后再集中充填，礦塊生產能力大，是一種高效的采礦方法。

上向水平分層膠結充填采礦法采用分層淺孔鑿巖，分層出礦，然后再充填。從鑿巖、出礦、充填有一個循環的過程，循環周期長；生產能力相對較小，勞動生產率較低，采場內污染較嚴重。同時生產礦塊數多，備用礦塊數量多，管理較復雜。

2）對資源利用程度上分析

分段空場嗣后膠結充填采礦法采用底部結構，礦柱損失大。

上向水平分層膠結充填法的貧化損失率較小，故Ⅱ方案采出品位稍高，在資源利用程度方面Ⅰ方案較方案Ⅱ差。

3）對露天采場邊坡保護的技術可行性分析

能否保住露天邊坡取決于充填法的施工質量、接頂情況。采用分段空場嗣后膠結充填法，由于嗣后集中充填，充填作業及充填體脫水相對較困難，常存在充填質量問題。

上向水平分層膠結充填采礦法采用分層充填，充填體強度高，容易控制充填體質量。

故保護露天邊坡的可靠性Ⅰ方案較方案Ⅱ差。

4）從經濟上分析

Ⅱ方案要求充填體強度高，綜合直接充填成本較Ⅰ方案高7.26元，說明在經濟上以Ⅰ方案較優。

5）從采礦方法安全性分析

分段空場嗣后膠結充填采礦法采用底部結構出礦，作業安全；而上向水平分層膠結充填采礦法在暴露頂板下作業，安全性相對較差。

3.4.3  根據以上分析， 雖然分段空場嗣后膠結充填采礦法在資源利用和充填質量控制方面較上向水平分層膠結充填采礦法差，但是只要采取以下措施：

1）改進爆破落礦技術，使空場頂部整齊；

2）采取強制接頂措施；

3）合理安排充填順序；

4）采用先進的溢流和滲流脫水系統，使充填體充分脫水。

充分保證充填體的質量和強度，Ⅰ方案具有作業安全，工藝簡單，生產效率高，生產能力大等優勢。故東采區-180m中段開采采用分段空場嗣后膠結充填采礦法，即第Ⅰ方案。

3.5  采礦方法的構成要素

分段空場嗣后膠結充填采礦法：分段空場嗣后膠結充填采礦方法其礦塊分礦房和礦柱。礦塊沿礦體走向布置，礦塊長40m，階段高度60m，礦房、礦柱寬均為20m，采用simbaH157采礦臺車鑿巖，鑿巖巷道分段高度12m。根據采礦方法底部結構布置，底柱為12m。采場切割工作為在礦塊底部掘出礦平巷（在二步回采的礦柱利用），出礦橫巷并形成底部結構，沿礦體上盤邊界鑿順路切割天井（一般一個礦塊二條井）。采礦方法布置形式及標準礦塊的主要技術經濟指標詳見12.17006105.013.2-14；各分段平巷位于礦體下盤，與分段聯絡道、礦巖溜井、進風天井相通；階段斜坡道（縱坡i=12～15%）與各分段平巷相通，作設備、材料和人員通道之用。

采場通風：新風主要由-120m平硐口進入， 經-120m階段平巷、-120m～-180m進風井、-180m階段平巷、采場進風井進入采場；污風經回風聯絡道、上階段回風平巷及-132m回風平巷、-120m～ -132m回風天井、-120m回風平巷、-50～-120m總回風井、-50m回風平巷入總回風系統。

-120m分段保護礦柱等-120m～-168m礦體開采充填后，考慮采用無底柱分段崩落法回收。

3.6  礦石損失率及廢石混入率。選擇的礦石損失率為：10%，廢石混入率為：8%

3.7  回采工作

3.7.1  回采工藝

對礦塊來說回采順序是自下而上，分段內回采順序是由里而外后退式回采；礦房開采完畢后，再回采礦柱。在各水平巷道中用Boomer 104型液壓鑿巖臺車水平淺孔掘進，回采是采用Simba H157液壓采礦鑿巖臺車鉆鑿上向扇形中深孔，孔徑為60～65mm，孔深10～16m，排距為1.5～1.8m左右，孔底距為2.0～2.5m。采用2號巖石炸藥，用BQF-100型裝藥器裝藥，采用非電起爆系統起爆，每次爆破2～3排炮孔。

裝藥采用BQF-100型裝藥器裝藥，裝入巖石炸藥。為避免孔口段藥量過于集中，相鄰炮孔的裝藥位置和填塞長度應不相同。起爆采用導爆管、非電雷管、導爆索復式起爆。

采場通風除塵：班末爆破，采場配備JK58-1N04型局扇，新鮮風流由采場進風天井進入采場，將污風抽入階段回風天井入上階段回風巷。為防止粉塵污染，出礦前應在爆堆灑水降塵。

3.7.2  采場出礦與運搬

回采出礦采用ST -2D型1.9m³電動鏟運機鏟運，經出礦平巷及溜井聯絡道，將鏟裝的礦石倒入礦石溜井，溜放至階段水平，經振動放礦機裝礦車運至車場。設計配置TORO151型柴油鏟運機，除作為掘進裝渣外，另作為采場部分材料運搬及采礦鑿巖臺車轉段的牽引等。

鏟運機生產能力按13～14萬t/a，采出原礦塊度為0～450mm。大于450mm礦巖，采用7655型淺孔鑿巖機打眼，巖石炸藥爆破，集中在班末進行。

3.7.3  采空區和頂板管理

對礦巖不穩固的地段巷道，可采用管縫式錨桿或加金屬網加強支護。在采空區的頂點可布置若干測點，以觀測頂板下沉情況，同時利用現有的地壓監測儀器，監測礦柱和井巷的地壓情況，一旦發現危險信號應及時處理

3.8  采切工作

3.8.1  采準切割工作

采準切割工作包括：分段平巷，出礦聯絡道，在礦房（礦柱）內掘出礦平巷、出礦橫巷、裝礦平巷，順路切割天井等。

標準采礦方法的綜合掘采比為50m/萬t或496.6m3/萬t；采切帶礦比10.2%；采切帶巖比6.6%。

3.8.2  掘進工作隊

原礦規模30萬t/a,掘進巷道按50m/萬t·原礦計，年需1500m左右。設計取掘進隊綜合效率130～140m/隊.月，正常生產時，需要1個掘進隊工作。水平巷道掘進隊采用Boomer 104型掘進臺車打眼，硝銨炸藥爆破，TORO151 1.5m3（柴油）鏟運機裝渣。垂直井巷（天溜井）掘進隊配YSP-45鑿巖機打向上炮眼，銷銨炸藥爆破，MG-100錨固鉆機打吊罐孔，天井吊罐由YJD-3B游動絞車提升，特別指出MG-100錨固鉆孔還可為礦山將來采用天井鉆機（一次成井、分段成井法）創造條件。該鉆機采用礦用移動機螺桿空壓機配套。掘進天井底部出渣亦采用柴油鏟運機進行。

4  結論

4.1  經濟效益：

2016年車間東區技術經濟指標分析：

按照兩種不同的采礦方法進行比較，分段空場嗣后膠結充填采礦法比無底柱分段崩落法多采出礦石金屬量14632噸，鐵精礦22511噸。

2016年國產鐵礦石（65%）價格平均為530.79元/噸，大冶鐵礦精礦（65%）生產成本為384.62元/噸。創造經濟效益為（MTP法計算，實施管理成果增產鐵精礦2.2511萬噸，投入費用沒有增加）：

說明 ：管理成果的實施沒有增加費用，僅有產量的增加。

圖10.2016年鐵礦石價格走勢圖

4.2  社會效益

充填采礦是國家大力推行的采礦方法，優勢也非常明顯。即防止了地表塌陷提高了礦產資源利用率減少了固體材料排放，也對環境改善有很大的幫助。

4.3  實際運用過程中及時解決了部分存在的困難

大冶鐵礦作為武鋼資源集團采用充填采礦法的首家單位，在實施過程中遇到了諸多困難。如：尾砂沉降時間長、充填擋墻濾水不佳、部分地段礦石貧化較大、造漿濃度不均衡、尾砂管堵塞、小區域交叉作業生產協調困難、溶洞斷裂帶漏漿、大空場頂板安全管理難度大、規章制度不完善等困難。大冶鐵礦組織全礦技術、安全、生產部門多方協調，組織專家論證克服了以上難題，使大冶鐵礦分段空場嗣后膠結充填法順利實施。即保證了礦石安全可靠的回采同時各項生產技術經濟指標顯著的提高，也大大降低了原采礦方法帶來的地表塌陷、尾礦庫增容、環境破壞嚴重的問題。 

參考文獻

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