楚立申

（武钢资源集团大冶铁矿  湖北  黄石  435006）

摘  要：大冶铁矿矿石资源随着不断的开采日益萎缩，为提高资源利用率缓解环境压力而选择了充填采矿法。自实施充填采矿法以来取得了不错的经济效益和社会效益。延续了矿山生产寿命，保证了生产顺利进行。同时为下一步的深部开采工程总结技术数据和完善管理制度提供了重要的依据。

关键词：无底柱分段崩落法；充填采矿法；充填站；尾砂

1  前言

武钢大冶铁矿位于湖北省黄石市铁山区，是我国近代史上最早、最著名的矿山之一，已有110多年的开采历史，是武汉钢铁(集团)公司重要的矿石基地，有铁路和公路通往武汉市和黄石市，交通十分便利。

大冶铁矿东露天采场于1958年建成投产，其后经历扩帮延深和深部挖潜开采，于2001年年底闭坑由露天转入地下开采。

根据原武钢矿业公司“十一五”发展规划、大冶铁矿东采区采矿生产实际情况(目前，正在-72m水平采矿，在-84m、-96m水平进行采准施工)，东采区-180m阶段开拓工程的设计要进入实施阶段。2007年9月委托中冶长天国际工程有限责任公司承担大冶铁矿东采区-180m阶段开拓工程的设计工作。2008年5月，中冶长天国际工程有限责任公司编制并提交了《大冶铁矿东采区-180m阶段开拓工程初步设计》。

为保护大冶铁矿矿区矿山公园地表的露天边坡、防止边坡滑坡等地质灾害发生，减小尾矿库尾矿排放量及尾矿库征地数量，并为大冶铁矿深部采用充填法采矿工艺积累生产、管理经验。武钢矿业公司于2008年9月委托中冶长天国际工程有限责任公司对大冶铁矿东采区-180m阶段开拓工程按充填采矿方法进行修改设计。

大冶铁矿东露天转地下后，-180m以上矿石储量有700多万t，分-60m、-120m、-180m三个阶段开采，狮子山矿体-120m阶段以上采用无底柱分段崩落法采矿，矿体基本开采完毕。现在主要是在-180m阶段进行分段空场嗣后胶结充填采矿。采场主要有-133m水平、-146m水平、-159m水平、-171m水平，矿体中部矿块划分为305—312，采用隔一采一的方法分为矿房、矿柱。矿块宽度为15米，高度为13米左右，深度为矿体厚度。

2  充填采矿法实施的重要意义

2.1  我国地下铁矿山开采方法的发展趋势。上世纪70-80年代采用崩落法采出的铁矿石占地下铁矿总量的90%，空场法10%。主要代表：梅山铁矿、弓长岭矿铁矿、镜铁山铁矿、程潮铁矿、金山店铁矿。上世纪90年代采用崩落法采出的铁矿石占地下铁矿总量的60%，空场法30%，充填法10%。二十一世纪充填法比例达到25%，且充填采矿呈迅猛的发展趋势。

2.2  充填采矿呈迅猛的发展趋势的原因。国家和地方对征地拆迁要求更加严格，表现突出的山东、安徽等地，地下采矿不允许地表塌陷，故山东、安徽等地的地下铁矿开采基本属于充填采矿。如金岭铁矿（150万吨/年），莱钢的莱芜铁矿、白象山铁矿（规模150万吨/年）；地表有河流、铁路、公路、良田及建筑物，不允许塌陷。如南京的栖霞山矿上方是九乡河，安徽的李楼铁矿（530万吨/年）上方是良田，均采用充填法；地表不允许建尾矿库，尾矿必须处理，如安徽的若普铁矿（220万吨/年）；安全上的考虑： 防止井下泥石流，如草楼铁矿（300万吨/年）地表第四系覆盖层过厚，达120米以上。 防止自燃，如新桥硫铁矿； 防止过深出现岩爆，如冬瓜山矿；节约资源，充分利用资源。如济钢的张马屯铁矿、唐山东安铁矿等通过充填采矿，提高矿石回收率，节约资源，延长矿山寿命。

2.3  铁矿山充填法的优势。（1）提高矿产资源利用率 （2）储备远景资源（3）防止地表塌陷（4）减少固体废料排放

3  无底柱分段崩落法转充填采矿法的应用与实施

3.1  矿石储量计算

根据采矿工艺要求，将矿石类型归并为富矿Fe(Fe₁、Fe₂及Fe₁⁺△、Fe₂⁺△)和贫矿Fe₃(Fe₃、Fe₃⁺△)两大类。分别计算狮子山、尖Ⅰ矿段-108m～-168m标高以上露采境界外阶段矿石量。根据采矿工艺参数和保护矿柱界线，分别计算了尖Ⅰ矿段-108m～-168m标高以上露采境界外矿块矿石量矿石量见表1。

表1  狮子山、尖山矿体-108～-168m矿石量    单位：万t

3.2  矿体地质环境

矿石主要为磁铁矿，次为赤铁矿、黄铁矿并含铜、钴、硫、金、银等多种有用组分。矿石坚硬致密，稳固性好。

矿体围岩主要为大理岩、闪长岩，其次为矽卡岩。大理岩一般致密坚硬，稳固性好，闪长岩在与矿体接触带附近受构造及蚀变影响，稳固性稍差。

矿体中常包有夹石，矿岩物理性质及品位、夹石率见地质章节。

区内水文地质条件简单，但72m以下露天采场已成深凹，汇水面积较大，雨季期间降雨量及迳流量均较大，同时水对高陡边坡的稳定有一定影响，给地下开采安全带来一定的隐患。

3.3  充填系统

3.3.1  充填材料及用量

充填材料：选择选矿厂全尾砂以及部分掘进废石作为充填料，胶结材料选择普通硅酸盐水泥。

3.3.2  充填材料需用量

1）日平均须充填体积

T——   年工作日，330d；

Z—— 采充比，取Z=1；

2）日平均充填料浆需用量

Qr=VrK₁K₂ =1065×1.05×1.25=1400(m³/d )

式中：Q_r——   日需料浆充填量，m³/d；

K₁——   流失系数，取K₁=1.05；

K₂———   沉缩比，取K₂=1.25。             

3）年平均充填料浆需用量

Q_a=Qr×330=1400×330=462000(m³/a)

式中：Q_a———   年平均充填料浆需用量，m³/a。

3.3.3  充填料配比及浓度

根据采矿方法对充填工艺的要求，尾砂充填系统应具备制造两种料浆的能力，即，加水泥和不加水泥两种料浆。灰砂比1∶4的胶结充填占比例为6%，灰砂比1∶8的胶结充填占比例为24%，非胶结充填占比例为70%。

料浆浓度以料浆不离析、不沉淀为原则，尽可能提高料浆浓度，初步确定料浆浓度为72%，最终浓度参数需经过充填试验最终确定。

3.3.4  充填设施、充填料制备及充填料输送

充填设施主要包括地面充填搅拌站、充填钻孔及输送管路等。充填料浆利用地面搅拌站制备成符合充填工艺要求的充填料浆后，通过充填管路及钻孔输送至井下，再经充填钻孔和分段平巷充入充填采场。东区最大充填倍线5.2，充填料可以自流至采空区。

充填料采用全尾砂和水泥，根据充填采场的要求，73%的采空区采用尾砂充填，不用添加水泥；27%的采空区需要采用胶结充填，需要添加水泥，灰砂比有1∶4和1∶8两种，1∶4的占3%，1∶8的占24%。充填料浆的重量浓度为68%～75%，初步定为72%，最终浓度有待充填试验后确定。

3.3.5  充填料制备的工艺流程

充填料浆采用全尾砂、水泥和水为原料进行制备。尾砂充填系统的工艺流程如下：选厂产出的全尾砂用砂泵扬送到充填搅拌站附近尾砂分配泵房的尾砂池，再由砂泵扬送到尾砂浓缩贮存装置中储存。与絮凝剂充分混合后的尾砂浆进入尾砂浓缩贮存装置后，尾砂迅速下沉成为饱和尾砂，多余的水从砂仓顶部溢流。进行尾砂充填时，先用适量高压水或气将尾砂浓缩贮存装置底部的尾砂活化，然后打开尾砂浓缩贮存装置底部阀门放砂，将砂浆送到高浓度搅拌槽与其它物料混合、搅拌。经搅拌槽搅拌均匀的合格充填料浆通过充填钻孔和坑内管路进入采场实施充填。

水泥由散装水泥车运到充填搅拌站，通过散装水泥罐车自带的压缩空气设施将水泥输送到水泥仓内储存。水泥仓顶设有仓顶收尘器。

3.4  采矿方法选择

3.4.1  第Ⅰ方案（分段空场嗣后充填采矿方法方案）

分段空场嗣后胶结充填采矿方法其矿块分矿房和矿柱。矿块沿矿体走向布置，矿块长40m，阶段高度60m，矿房、矿柱宽均为20m，采用simbaH157采矿台车凿岩，凿岩巷道分段高度12m。根据采矿方法底部结构布置，底柱为12m。采场切割工作为在矿块底部掘出矿平巷（在二步回采的矿柱利用），出矿横巷并形成底部结构，沿矿体上盘边界凿切割天井（一般一个矿块二条井）。回采顺序为自矿体上盘向下盘方向后退式回采，矿石装运采用1.9m3电动铲运机，矿块采用二步骤回采方案：先回采矿房，然后充填矿房，待相邻矿房充填体达到强度后，再回采中间矿柱。

充填材料配比及充填体强度根据充填实验报告并参照国内外类似矿山选取：矿房充填体要求有一定的强度和自立高度，取灰砂比1：8，充填体强度大于2.0MPa；矿柱充填体采用低标号胶结充填，灰砂比1：20，充填体强度达到1.0MPa；矿房和矿柱平均灰砂比为1：14。

3.4.2  第Ⅱ方案（上向水平分层胶结充填采矿方法方案）

上向水平分层胶结充填采矿方法其矿块分矿房和矿柱。矿块沿矿体走向布置，矿块长25m，阶段高度60m，矿房宽为10m，矿柱宽为15m。采用simbaH157采矿台车凿岩，ST-2D型1.9m3电动铲运机出矿，分层高度4m，回采时采用分层联络道将回采分层和分段巷道连通，先回采二个分层，即采场出矿后的空顶高度为8m，然后充填一分层高度4m再回采。采场切割工作为在矿块底部掘拉底巷道形成拉底空间，高度3～3.5m。沿矿房（矿柱）中部或合适的地方自下而上凿充填通风井（一般一个矿块二条井），作为采场回风、充填及爆破自由面。矿房或矿柱回采顺序为自下往上分层回采，分层为由中间往两边回采。矿块采用二步骤回采方案：先回采矿房，然后充填矿房，待相邻矿房充填体达到强度后，再回采中间矿柱。

充填材料配比及充填体强度根据充填实验报告并参照国内外类似矿山选取：

矿房充填体：每次充填一个分层高度4m，分层顶部浇面层0.4m，取灰砂比1：4，充填体强度大于3.0MPa，分层底部厚度3.6m，取灰砂比1：10，充填体强度达到2.0MPa。

矿柱充填体：分层顶部浇面层0.4m，取灰砂比1：4，充填体强度大于3.0MPa；分层底部厚度3.6m，取灰砂比1：20，充填体强度达到1.0MPa。

根据以上两种采矿方法的情况和其他条件作如下分析：

1）矿块生产能力和生产管理复杂性分析

分段空场嗣后胶结充填采矿法采用中深孔分段凿岩，阶段出矿，矿房（矿柱）回采完后再集中充填，矿块生产能力大，是一种高效的采矿方法。

上向水平分层胶结充填采矿法采用分层浅孔凿岩，分层出矿，然后再充填。从凿岩、出矿、充填有一个循环的过程，循环周期长；生产能力相对较小，劳动生产率较低，采场内污染较严重。同时生产矿块数多，备用矿块数量多，管理较复杂。

2）对资源利用程度上分析

分段空场嗣后胶结充填采矿法采用底部结构，矿柱损失大。

上向水平分层胶结充填法的贫化损失率较小，故Ⅱ方案采出品位稍高，在资源利用程度方面Ⅰ方案较方案Ⅱ差。

3）对露天采场边坡保护的技术可行性分析

能否保住露天边坡取决于充填法的施工质量、接顶情况。采用分段空场嗣后胶结充填法，由于嗣后集中充填，充填作业及充填体脱水相对较困难，常存在充填质量问题。

上向水平分层胶结充填采矿法采用分层充填，充填体强度高，容易控制充填体质量。

故保护露天边坡的可靠性Ⅰ方案较方案Ⅱ差。

4）从经济上分析

Ⅱ方案要求充填体强度高，综合直接充填成本较Ⅰ方案高7.26元，说明在经济上以Ⅰ方案较优。

5）从采矿方法安全性分析

分段空场嗣后胶结充填采矿法采用底部结构出矿，作业安全；而上向水平分层胶结充填采矿法在暴露顶板下作业，安全性相对较差。

3.4.3  根据以上分析， 虽然分段空场嗣后胶结充填采矿法在资源利用和充填质量控制方面较上向水平分层胶结充填采矿法差，但是只要采取以下措施：

1）改进爆破落矿技术，使空场顶部整齐；

2）采取强制接顶措施；

3）合理安排充填顺序；

4）采用先进的溢流和渗流脱水系统，使充填体充分脱水。

充分保证充填体的质量和强度，Ⅰ方案具有作业安全，工艺简单，生产效率高，生产能力大等优势。故东采区-180m中段开采采用分段空场嗣后胶结充填采矿法，即第Ⅰ方案。

3.5  采矿方法的构成要素

分段空场嗣后胶结充填采矿法：分段空场嗣后胶结充填采矿方法其矿块分矿房和矿柱。矿块沿矿体走向布置，矿块长40m，阶段高度60m，矿房、矿柱宽均为20m，采用simbaH157采矿台车凿岩，凿岩巷道分段高度12m。根据采矿方法底部结构布置，底柱为12m。采场切割工作为在矿块底部掘出矿平巷（在二步回采的矿柱利用），出矿横巷并形成底部结构，沿矿体上盘边界凿顺路切割天井（一般一个矿块二条井）。采矿方法布置形式及标准矿块的主要技术经济指标详见12.17006105.013.2-14；各分段平巷位于矿体下盘，与分段联络道、矿岩溜井、进风天井相通；阶段斜坡道（纵坡i=12～15%）与各分段平巷相通，作设备、材料和人员通道之用。

采场通风：新风主要由-120m平硐口进入， 经-120m阶段平巷、-120m～-180m进风井、-180m阶段平巷、采场进风井进入采场；污风经回风联络道、上阶段回风平巷及-132m回风平巷、-120m～ -132m回风天井、-120m回风平巷、-50～-120m总回风井、-50m回风平巷入总回风系统。

-120m分段保护矿柱等-120m～-168m矿体开采充填后，考虑采用无底柱分段崩落法回收。

3.6  矿石损失率及废石混入率。选择的矿石损失率为：10%，废石混入率为：8%

3.7  回采工作

3.7.1  回采工艺

对矿块来说回采顺序是自下而上，分段内回采顺序是由里而外后退式回采；矿房开采完毕后，再回采矿柱。在各水平巷道中用Boomer 104型液压凿岩台车水平浅孔掘进，回采是采用Simba H157液压采矿凿岩台车钻凿上向扇形中深孔，孔径为60～65mm，孔深10～16m，排距为1.5～1.8m左右，孔底距为2.0～2.5m。采用2号岩石炸药，用BQF-100型装药器装药，采用非电起爆系统起爆，每次爆破2～3排炮孔。

装药采用BQF-100型装药器装药，装入岩石炸药。为避免孔口段药量过于集中，相邻炮孔的装药位置和填塞长度应不相同。起爆采用导爆管、非电雷管、导爆索复式起爆。

采场通风除尘：班末爆破，采场配备JK58-1N04型局扇，新鲜风流由采场进风天井进入采场，将污风抽入阶段回风天井入上阶段回风巷。为防止粉尘污染，出矿前应在爆堆洒水降尘。

3.7.2  采场出矿与运搬

回采出矿采用ST -2D型1.9m³电动铲运机铲运，经出矿平巷及溜井联络道，将铲装的矿石倒入矿石溜井，溜放至阶段水平，经振动放矿机装矿车运至车场。设计配置TORO151型柴油铲运机，除作为掘进装渣外，另作为采场部分材料运搬及采矿凿岩台车转段的牵引等。

铲运机生产能力按13～14万t/a，采出原矿块度为0～450mm。大于450mm矿岩，采用7655型浅孔凿岩机打眼，岩石炸药爆破，集中在班末进行。

3.7.3  采空区和顶板管理

对矿岩不稳固的地段巷道，可采用管缝式锚杆或加金属网加强支护。在采空区的顶点可布置若干测点，以观测顶板下沉情况，同时利用现有的地压监测仪器，监测矿柱和井巷的地压情况，一旦发现危险信号应及时处理

3.8  采切工作

3.8.1  采准切割工作

采准切割工作包括：分段平巷，出矿联络道，在矿房（矿柱）内掘出矿平巷、出矿横巷、装矿平巷，顺路切割天井等。

标准采矿方法的综合掘采比为50m/万t或496.6m3/万t；采切带矿比10.2%；采切带岩比6.6%。

3.8.2  掘进工作队

原矿规模30万t/a,掘进巷道按50m/万t·原矿计，年需1500m左右。设计取掘进队综合效率130～140m/队.月，正常生产时，需要1个掘进队工作。水平巷道掘进队采用Boomer 104型掘进台车打眼，硝铵炸药爆破，TORO151 1.5m3（柴油）铲运机装渣。垂直井巷（天溜井）掘进队配YSP-45凿岩机打向上炮眼，销铵炸药爆破，MG-100锚固钻机打吊罐孔，天井吊罐由YJD-3B游动绞车提升，特别指出MG-100锚固钻孔还可为矿山将来采用天井钻机（一次成井、分段成井法）创造条件。该钻机采用矿用移动机螺杆空压机配套。掘进天井底部出渣亦采用柴油铲运机进行。

4  结论

4.1  经济效益：

2016年车间东区技术经济指标分析：

按照两种不同的采矿方法进行比较，分段空场嗣后胶结充填采矿法比无底柱分段崩落法多采出矿石金属量14632吨，铁精矿22511吨。

2016年国产铁矿石（65%）价格平均为530.79元/吨，大冶铁矿精矿（65%）生产成本为384.62元/吨。创造经济效益为（MTP法计算，实施管理成果增产铁精矿2.2511万吨，投入费用没有增加）：

说明 ：管理成果的实施没有增加费用，仅有产量的增加。

图10.2016年铁矿石价格走势图

4.2  社会效益

充填采矿是国家大力推行的采矿方法，优势也非常明显。即防止了地表塌陷提高了矿产资源利用率减少了固体材料排放，也对环境改善有很大的帮助。

4.3  实际运用过程中及时解决了部分存在的困难

大冶铁矿作为武钢资源集团采用充填采矿法的首家单位，在实施过程中遇到了诸多困难。如：尾砂沉降时间长、充填挡墙滤水不佳、部分地段矿石贫化较大、造浆浓度不均衡、尾砂管堵塞、小区域交叉作业生产协调困难、溶洞断裂带漏浆、大空场顶板安全管理难度大、规章制度不完善等困难。大冶铁矿组织全矿技术、安全、生产部门多方协调，组织专家论证克服了以上难题，使大冶铁矿分段空场嗣后胶结充填法顺利实施。即保证了矿石安全可靠的回采同时各项生产技术经济指标显著的提高，也大大降低了原采矿方法带来的地表塌陷、尾矿库增容、环境破坏严重的问题。 

参考文献

[1]  惠鸿斌.迅速将科技研究成果转化为生产力[J].西安建筑科技大学学报，第28卷，第3期.

[2]  周爱民.矿山废料胶结充填.2006.2.

[3]  蔡嗣经，王洪江.现代充填理论与技术. 2012.2.

[4]  中冶长天国际工程有限责任公司.钢矿业有限责任公司大冶铁矿东采区-180m阶段开拓工程初步设计.2008.12.