大水矿山倾斜帷幕下采矿方法实践.pdf

S e rie s No ． 3 9 7 J u l y 2 0 0 9 金 属 矽 山 METAL MI NE 总 第 3 9 7期 2 0 0 9 年 第 7期 ．大水矿 山倾斜 帷幕下采矿方 法实践 张 勇 莱钢集团莱芜矿业有限公司 摘要为了实现大水矿山特殊条件下安全采矿， 谷家台铁矿采用近矿体顶板灰岩帷幕注浆堵水技术成功解 决了地下水难题， 在倾斜帷幕保护下应用预控顶中深孔分段充填采矿法进行矿房 回采， 对该采矿方法的采场结构 参数、 回采工艺等做了介绍 ， 生产实践证实该采矿方法较好地满足了水下采矿要求。 关键词 大水矿山帷幕注浆预控顶 充填采矿 Pr a c t i c e of M i n i n g f or I n c l i ne d Cur t a i n i n La r g e W a t e r flo w M i ne s Zh a n g Yo n g L a i S t e e l L a i w u Mi n i n g C o ． ， L t d ． A b s t r a c t T o r e a l i z e a s a f e m i n i n g i n t h e s p e c i fi c c o n d i t i o n s o f l a r g e w a t e r fl o w m i n e ， G u j i a t a i I r o n Mi n e h a s S u c c e s s f u l l y s o l v e d t h e u nd e r g r o un d wa t e r p r o b l e m by a d o p t i n g a l i me s t o n e c u r t a i n gro u t i n g o f n e a r o r e bo d y roo f ，wh i c h us e s s u b l e v e l fi l l s t o p i n g w i t h p r e c o n t r o l r o o f a n d me d i u m- l o n g h o l e u n d e r t h e p r o t e c t i o n o f i n c l i n e d c u r t a i n f o r r o o m s t o p i n g ． T h e s t o p e s t r u c t u r e p a me t e m a n d e x t r a c t i o n p r o c e s s o f t h i s mi n i n g me t h o d a r e p r e s e n t e d ．T h e p r o d u c t i o n p r a c t i c e h a s v e ri fi e d t h a t i t c a n w e l l a d a p t t h e mi n i n g u n d e r w a t e r ． Ke y wo r d s La r g e wa t e r f l o w mi n e，Cu r t a i n gro u t i ng，Pr e c o n t r o l r o o f ，F i l l s t o p i ng 谷家台铁矿 曾因突发涌水 导致 淹井 。自 2 0 0 4 年矿井恢复以来 ， 采用近矿体顶板灰岩帷幕注浆堵 水技术 ， 治水效果显著。要在注浆形成 的灰岩帷幕 保护层下进行采矿生产 ， 选用合适 的采矿方法是整 个矿 山安全生产的关键。 1 地质概况 谷家 台矿床是一大型矽卡岩型磁铁矿床 ， 矿体 赋存于闪长岩与大理岩 的接触带中， 上部为第 四系 和第三系所覆盖 ， 矿体沿走向长 2 3 0 0 m， 倾向北东 ， 倾角 1 5 。 ～ 5 5 。 ， 埋深 5 6 9 6 2 m， 平均厚度 1 4 ． 9 6 1T I ， 矿石以中细粒致密块状的磁铁矿为主 ， 粉矿分 布零 星， 硬度系数厂8～1 2 ， T F e最高含量 6 8 ． 8 7 ％ ， 平 均 4 7 ． 9 8 ％。矿体上盘为石灰岩 ， 硬度 系数f8～ 1 0 ； 下盘为闪长岩 ， 硬度系数f8～1 0 ， 局部地段为 矽卡岩， 硬度系数f 4 6 ； 矿石中伴有铜、 钴等多 种有益元素 ， 可综合 回收利用 。 矿 区地处莱芜盆地 ， 是地下水汇集之处 ， 地表有 嘶马河横穿矿体中部 ， 方下河从矿体西端通过 ， 雨季 河流流量较大。主要 2个含水层是第 四系砂砾石层 和奥陶系灰岩 ， 两含水层之间有第 三系红砂 岩隔水 层 ， 但局部有 缺失形成 “ 天窗” 。地表 含水层 通过 “ 天窗” 与矿体顶板灰岩含水层相连 ， 补给丰富。矿 床地质构造发育 ， 灰岩岩溶裂 隙发育 ， 地下水径流通 道畅通 ， 静储量大 ， 属于大水矿山。矿床最大涌水量 7 ． 5 y Y m ／ d ， 水文地质条件十分复杂。 2 开采技术条件 1 矿岩 条件 。谷家 台矿床 地表 为农 田和河 流 ， 不允许 陷落， 矿体 的主要顶板为石灰岩 ， 比较稳 固， 局部地段岩溶裂隙发育 ， 渗透性强 ， 含水丰富， 必 须进行治理 ； 主要底板为闪长岩 ， 岩石致密坚硬。局 部地段为矽卡岩 ， 有 的呈矿体夹层 出现 ， 岩石松软， 易破碎 ， 需支护 ； 矿石多为致密块状 ， 节理裂隙不发 育 ， 稳定性好 。 2 防治水方案。矿床开采的主要危害为地下 水 ， 根据抽水试验 ， 疏干水位呈平盘式下降， 波及范 围广 ， 疏干非常 困难 ， 且易在“ 天窗 ” 地段造成地面 塌陷等环境破坏问题 。为实现采矿过程中地面不塌 陷 ， 地下水不疏干 ， 周围不还水 ， 河流不改道和附近 张勇 1 9 8 0 一 ， 男 ， 莱 钢集 团 莱芜 矿 业 有 限公 司 ， 助理 工 程师 ， 2 7 1 1 0 0山东省莱芜市莱城区鲁 中西大街 7 1号 谷家 台铁矿 。 总第3 9 7期 金 属 矿 山 2 0 0 9年第 7期 村庄不搬迁的“ 五不” 方针 ， 设计 的防治水方案是近 矿体顶板灰岩注浆堵水 ， 即在 矿体 的近顶板灰岩内 通过注入水泥浆封堵填塞其岩溶裂隙， 使之形成不 透水的倾斜帷幕隔水层 ， 以保障采矿生产的安全。 3 注浆堵水及其效果。首先在阶段水平每隔 3 0 m施工框架孔 ， 然后按照 1 0 m1 0 m 的注浆网 度施工钻孔 ， 钻孑 L 深入灰岩 内垂直 于矿体 4 0 m以 上 ， 可起到探矿、 探水、 注浆堵水 3层作用 ； 第 2步在 矿体上盘边界布置扇形加密钻孔进行查缺补漏； 第 3步施工检查孔检验 1 ， 2步注浆效果 ， 最后形成盘 区注浆评价报告 ， 经审查通过后方可进行采矿。 谷家台铁矿 的注浆堵水工程 ， 已累计注入水泥 量超过 1 5万 t ， 目前井下生产采场仅有少量滴水 ， 整 个矿井排水量降至4 0 0 0 m ／ d ， 治水效果显著。 3 采矿方法的选择 谷家台铁矿采矿方法 的选择具有很强 的特殊 性。要在注浆形成的帷幕下实现安全采矿 ， 所选 的 采矿方法必须与治水方案相互匹配， 互为安全保护 ， 不能引起大的地压活动破坏采场顶板帷幕保护层。 就 目前国内、 外的采矿方法而言 ， 只有充填法能满足 要求。参照类似矿山经验和本矿曾经使用过的采矿 方法 ， 最终确定为预控顶中深孔分段充填采矿法。 预控顶中深孔分段充填采矿法的实质是先将待 采矿房的上水平顶板用浅眼爆破拉切 ， 然后用长锚 索配合喷锚网支护 ， 在确保安全的情况下 ， 用 中深孔 凿岩爆破落矿， 铲运机出矿， 采完后立 即进行接顶充 填 ， 本水平全部矿房回采完毕后再施工短斜坡道转 层回采上一 水平。此 法适用 于 3 0 。 以上 的倾斜 矿 体。对于缓倾斜矿体 ， 上盘矿体预拉切支护效果不 理想 ， 中深孔爆破落矿后顶板需要加强支护 图 1 。 4 预控顶中深孔分段充填采矿法构成要素 1 采准切割布置。采准工程与注浆堵水工程 相结合进行布置。采用脉外斜坡道采准系统 ， 斜坡 道位于矿体下盘脉外 ， 通过联络巷道与各分段水平 相连。每个分段水平都设有 1 条脉外沿脉巷道和脉 内沿脉巷道 ， 布置 1条或 2条穿脉巷道连通作为出 矿巷道。每 5 0 m布置 1 条溜矿井， 矿房两侧布置人 行井兼作充填通风 ， 每个矿块设 1条或多条切割天 井 。转层 每个矿房的矿块全部采完接顶充填后 ， 在 上水平下盘闪长岩内施工短斜坡道抬高底板至接顶 充填体 以上 ， 通过连通巷连通下盘溜井和脉 内沿脉， 连通巷一般布置在最后一个回采矿房 内。 lI L I f r _ 一Ⅲ ．L L 一L ．L L L J- J． _ J ． J． J J- J． J J J_ J． - J - J _ J ． ． J． J． - J． _ J - J 一 - 一- _ ● ⋯一 ●●- - - J． ． J_ J． ． J一 _ J _ J． o ‘ ‘ ● _ 、 - J ． J - J ． ～ ． ● ’ ’ ． - 。 lI - J I t _ ●● ． 图 1预控 顶中深子 L 分段 充填采矿法 转层 1 一阶段运输巷道 ； 2 一脉外沿脉； 3 一脉内沿脉； 4 一穿脉巷道； 5 一 阶段斜坡道 ； 6 一矿房小斜坡道 ； 7 一溜井 ； 8 一 回风巷道 ； 9 一切割井 ； 1 0 一回柱 ； 1 1 --预拉切支护顶板 ； 1 2 一 充填体 ； 1 3 一填堵墙 2 采场结构参数。阶段高度 4 0 m， 采场沿走 向布置 ， 一般 1 5 0～ 2 0 0 m为一个盘区， 每 5 0 m为一 个大矿房 ， 矿房之间留 8 m宽间柱 ， 每个大矿房包括 5个 1 0 m宽的小矿块。结合 1 0 m1 0 m的注浆网 度 ， 矿块结构参数为 宽度 1 0 m， 分段高 1 0 m， 长度 即矿体厚度。 3 预控顶。该采矿方法要求回采前必须对顶 板进行预拉切支护。首先根据所选凿岩设备的工作 高度确定预控顶高度 ， 采用浅眼爆破进行切顶， 用光 面爆破保证顶板及两帮齐整， 在保证不与相邻巷道贯 通的条件下 ， 切顶宽度边界超 出预裂孔界限0 ． 6 m， 随 拉切进度及时进行喷锚 网支护， 锚杆网度一般 1 m 1 m， 喷浆厚度根据矿岩稳 固性确定 ， 最后施工长锚 索， 网度标准 3 m 3 m， 长度不低于 7 m， 边孔距两帮 1 ～ 2 m， 以达到控制顶板安全的目的 图2 。 5 回采工艺 1 回采顺序。每个大矿房的5个矿块从两侧 张勇 大水矿 山倾斜帷幕下采矿方法实践 2 0 0 9年第7期 下 向预裂孔 主炮孔排面 ＼ B A - A f ⋯ { I L 一 ～ l_ _ 一 t ⋯ I I 】 25 0 0 一26 0 0 2 5 【 x 】 2 0 c 函 ⋯一 图 2 单个矿块预控顶中深孔采矿 向中间推进 ， 矿块采完 1 个分段后立即接顶充填 ， 待 充填体养护好后再 回采相邻矿房， 分段 范围内每个 大矿房 的所有矿块全部采完接顶充填后 ， 再转层进 行上一分段的回采 。 2 回采设备 。中深孔凿岩采用 T一1 0 0型下 向钻，配 9 0钻头 ， 施工 下 向孔 。Y G Z 9 0型 上 向 钻 ， 配 6 5钻头 ， 施工上 向孔 。出矿采用 1 i n 。电动 铲运机。 3 凿岩爆破。为了减轻大的爆破震动对顶板 的破坏， 采用 中深孔微差逐孔爆破落矿 ， 同时为了避 免爆破对矿房两帮的影响 ， 对采矿边界进行预裂爆 破 。①预裂爆破。主要采用 西9 0的下向孔 ， 孔间距 0 ． 81 m， 不耦合装药 ， 连续装填 西3 2 IT l m的 2 岩 石乳化炸药， 孑 L 底 1 m加倍装药， 孔内敷设导爆索及 一 发毫秒塑料导爆管雷管， 炸药及导爆索用黑胶布 绑在竹片上， 4～ 5孔一组超前相邻的主炮孔起爆， 孔 口堵塞长度 1～1 ． 2 m② 主炮孔爆破 。凿 9 0 m m下向孔 ， 排距 2 m， 孔距 2～2 ． 5 m， 主炮孔 的边 孔距预裂孔 或充填 体 0 ． 5～1 m。炸药药卷 7 5 m m， 长 0 ． 4 I n ， 重 2 k g 。孔底距下分段底板 0 ． 6～ 0 ． 8 m， 孔口堵塞 1 ～1 ． 2 m 。孔内敷设导爆索及 1 发毫秒导爆管雷管 ， 采用孔外延时逐孔起爆。③较 缓矿体的上盘 三角矿 ， 凿 6 5 mm 的上 向平行孔 ， 排距 1 ． 2 in， 孔 间距 I ． 5～2 m， 交错 布置到 回采边 界 ， 不再预裂 ， 孔深施 工至上盘岩石 ； 拉槽排距 I ． 0 m， 孔间距 i ． 2 n l ； 孔 口堵塞 1 ． 0一I ． 4 1 11 。炸药药卷 5 0 m m， 长 0 ． 4 II l ， 重 1 k g 。上下盘的三角残余矿 根据现场情况 ， 在适当时候用浅孔 回采 。④爆破 网 路。各孔内均敷设 1发毫秒塑料导爆管雷管及导爆 索， 采用孔外延时逐孔起爆技术 ， 按照先预裂 、 后拉 槽 、 最后主炮孔爆破的顺序形成起爆网路。 4 出矿 。采用 1 m 电动铲运机 出矿 ， 每个分 段水平穿脉巷道和沿脉巷道作为出矿通道 ， 阶段水 平铲运机平底装车， 副中段水平运至溜井 中电耙装 车。铲运机最大运距 7 5 I％ 1 ， 工效为 1 0 0 t ／ 台班。 5 通风。风流经斜坡道 、 人行通风井 、 各水平 沿脉巷道、 穿脉巷道进入工作面 ， 然后经切割井排入 上水平回风巷道， 局部地段安设辅扇加强通风。 6 充填 。为保证采场顶板和注浆 隔水层不发 生沉降断裂变形 ， 每个矿块出完矿后立 即进行接顶 充填。充填前先将矿块所有 出口垒墙封堵 ， 墙上 留 有滤水 口和滤水管。采用全尾砂胶结充填 ， 胶 固粉 与选矿尾砂以 I 8的比例混合后 接顶比例I 4 ， 用渣浆泵从地表充填站经充填管路输送至采空区， 接顶时充填管道 自上部切割井进入， 确保接顶效果 。 充填后需养护 7 d以上 ， 相邻 的矿块方可爆破 。 7 主要经济技术指标 。采矿方法主要技术经 济指标见表 I 。 表 I 采矿方法主要技术经济指标 名 称 指 标 矿石损失率／ ％ 矿石贫化率／ ％ 采 出矿石 品位／ ％ 炸药单耗／ k g ／ t 雷管单耗／ 个／ t 采矿直接成本／ 元／ t 其 中 深孔落矿／ 元／ t 铲运机 出矿／ 元／ t 充填／ 元／ t 支J g ／ 元／ t 6 结论 谷家台铁矿应用预控顶中深孔分段充填采矿法 31 耋 o。 插 卜 7 c； 总第 3 9 7期 金 属 矿 山 2 0 0 9年第 7期 已回采铁矿石近百万吨， 通过运用光纤传感技术对 已采矿房顶板帷幕层进行连续动态监测 地压、 岩 移、 温度等 ， 未发现有大的沉降变形 ， 现场跟踪观 察无涌水等异常现象。预控顶及预裂爆破措施保障 了出矿安全 ， 预拉切及 中深孔微差逐孔爆破落矿方 式减轻了大爆破对顶板帷幕的破坏 ， 接顶充填体与 其包裹着的间柱相互结合对矿体顶板及上盘围岩实 施有效支撑 ， 从而避免 了帷幕保护层的断裂破坏 ， 较 好地满足了大水矿山倾斜帷幕下的采矿要求 。 参考文献 [ 2] 张省军 ， 唐春安 ， 王在泉 ．矿山注浆堵水帷幕稳定性监测方法 的研究与进展[ J ] ．金属矿山， 2 0 0 8 9 8 4 - 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