特大型地下充填采礦系統(tǒng)建設(shè)與生產(chǎn)實(shí)踐

特大型(750萬t/a)地下充填采礦系統(tǒng)

建設(shè)與生產(chǎn)實(shí)踐2五礦邯邢礦業(yè)有限公司所屬的安徽開發(fā)礦業(yè)，采選規(guī)模750萬t/a,產(chǎn)品為鐵精礦，國家科技支撐計(jì)劃課題依托基地，這是公司的主體建筑3

目 錄

特大型地下充填開采礦山的展望3礦山基本情況介紹1國內(nèi)鐵礦規(guī)模最大的充填系統(tǒng)241.1

地理位置礦區(qū)交通位置圖安徽省霍邱縣51.2礦山規(guī)模礦山規(guī)模安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司礦山設(shè)計(jì)規(guī)模750萬t/a

2012年投入試生產(chǎn)2013年正式投入生產(chǎn)，當(dāng)年生產(chǎn)鐵礦石525萬t2014年生產(chǎn)610萬t經(jīng)過后半年生產(chǎn)驗(yàn)證已達(dá)到年750萬t的生產(chǎn)能力6安徽開發(fā)礦業(yè)由兩個礦床組成：李樓礦床、吳集礦床（北段）礦體特點(diǎn)是沉積變質(zhì)礦床、急傾斜厚大礦體、開采難度大。床礦帶礦體埋深傾角約礦石f巖石f長寬李樓礦床3.4km0.25～0.05km90～735m68°～88°12～166～7吳集礦床（北段）3.0km0.30～0.15km85～710m50°～71°

12～188～12開采技術(shù)條件1.3礦體特征及開采技術(shù)條件7礦體形態(tài)特征圖1.3礦體特征及開采技術(shù)條件8豎井提升輔助斜坡道開拓系統(tǒng)1.4礦床開拓系統(tǒng)采用分散提升模式，設(shè)置三條規(guī)格相同的主井，配置三套相同的提升設(shè)備，每套提升能力250萬t/a，總提升750萬t/a鐵礦石。分散提升便于維護(hù)保養(yǎng)，生產(chǎn)波動小，運(yùn)行可靠。主井主井為三條單箕斗豎井，凈直徑均為5.2m。1號主井井深684m；2號主井井深686m；3號主井井口標(biāo)高33m。副井系統(tǒng)共設(shè)3條副井，主要用于提升人員材料、部分設(shè)備、巖石，主井粉礦清理，也是井下的主要進(jìn)風(fēng)井。分散提升模式9斜坡道---大型設(shè)備的直達(dá)通道1.4礦床開拓系統(tǒng)安徽開發(fā)礦業(yè)主斜坡道、全長6962米、垂直延伸474米10礦床開拓系統(tǒng)布置1.4礦床開拓系統(tǒng)11開采順序選擇：（中段）由上而下開采（中段）由下而上開采

優(yōu)點(diǎn)：開拓準(zhǔn)備工程量較少，可以很快進(jìn)入礦體，有利于快速形成生產(chǎn)能力優(yōu)點(diǎn)：首采中段距離地表較深，礦體開采部位以上礦體將全部起到頂柱的作用，地表建筑、第四紀(jì)含水層更容易獲得保護(hù)；上部中段的作業(yè)在下部中段充填體之上，接頂更容易保證，充填體的整體性更好，有利于其永久的穩(wěn)定缺點(diǎn)：很快面臨地表建筑保護(hù)、第四紀(jì)含水層的保護(hù)、礦體開采頂柱的預(yù)留問題，其次下部中段與上部中段充填體的接頂難于保證，由此引發(fā)的充填體的永久穩(wěn)定性問題更難于解決，在100m高中段、特大結(jié)構(gòu)參數(shù)采場的開采中，這些問題顯得更加突出。

缺點(diǎn)：開拓系統(tǒng)準(zhǔn)備工程量稍多，形成生產(chǎn)能力稍慢結(jié)果：由下而上更利于保護(hù)地表、防止水患，更安全可靠。先行開采-400m中段、而后再采-300m中段。見下圖1.5礦山開采順序12由上而下開采順序示意圖13由下而上開采順序示意圖14采礦方法：分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法。采場參數(shù)：高100m，長為礦體水平厚度，一般在40~50m，寬20m；鑿巖分段高25米；采場的平均礦量約達(dá)到35萬噸。1.6采礦方法及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)15分段鑿巖階段出礦嗣后充填采礦法礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖1.6采礦方法及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)16

1.7采場采切工程的布置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采場在平面上按照20m寬連續(xù)布置，不區(qū)分礦房礦柱。該充填采礦法采用兩步驟回采：一步開采時，礦房兩側(cè)的礦體構(gòu)成礦柱，二步開采時，礦房兩側(cè)的充填體構(gòu)成礦柱。采切工程布置：17

從采場的內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，在每一水平的分段的鑿巖巷的布置，極像一個分層的無底柱崩落法的進(jìn)路。在垂直剖面上看，上下重疊布置，而非交錯布置。這使得采場上水平的鑿巖巷形成后，并不需要采場的工程全部施工完，即可在上部鑿巖巷中開始鑿巖爆破、形成出礦能力，這種結(jié)構(gòu)非常有利于新建礦山生產(chǎn)能力的快速形成，生產(chǎn)組織非常靈活。工程布置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1.7采場采切工程的布置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)18分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法一步采工程結(jié)構(gòu)圖1.7采場采切工程的布置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)19回采作業(yè)時，首先在采場端部拉切割槽，切割拉開以后，實(shí)施采場正排分次爆破，每次3～5排，爆破后松動出礦，為下次爆破創(chuàng)造補(bǔ)償空間，采場的掘進(jìn)及各分層爆破落礦，由上至下進(jìn)行，較下一個分層的爆破作業(yè)要滯后上一個分層5m以上的距離，在最下一個分層切割拉開以后，開始在采場底部出礦斜巷中實(shí)施集中出礦。鑿巖爆破及出礦示意圖1.8采場鑿巖爆破及出礦201.8采場鑿巖爆破及出礦

主要工序設(shè)備配備：掘進(jìn)鑿巖

采用瑞典公司的Boomer281型液壓鑿巖臺車進(jìn)行巷道

回采鑿巖

采用瑞典Atlas的Simba1354液壓鑿巖臺車深孔鑿巖裝藥

采用芬蘭normet公司CharmecMc605DALongend型裝藥臺車裝藥出礦

采用Sandvek公司Toro1400E電運(yùn)鏟運(yùn)機(jī)（斗容6m3）大量集中出礦

采用北京安期生技術(shù)有限公司的ACY-3L-Y型3m3遙控鏟運(yùn)機(jī)為保證人員安全作業(yè)對采場百米空場底部殘留的礦石做再回收出礦

21目 錄

特大型地下充填開采礦山的展望3礦山基本情況介紹1國內(nèi)鐵礦規(guī)模最大的充填系統(tǒng)222礦石生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到750萬t/a，年工作天數(shù)330天時，每年充填體積量達(dá)到224萬m3，日平均充填體積量6768m3。

2013年、2014年分別充填110萬m3、112萬m3

設(shè)計(jì)規(guī)模2.1充填系統(tǒng)規(guī)模實(shí)際規(guī)模該充填系統(tǒng)是目前國內(nèi)建成在產(chǎn)的規(guī)模最大的充填系統(tǒng)。23

充填倍線1#充填站覆蓋北部區(qū)域的充填，最大倍線為6.7；2#充填站覆蓋中部區(qū)域的充填，最大倍線為6.4；3#充填站覆蓋南部區(qū)域的充填，最大倍線為4.6。

在礦體走向方向，間隔布置（1#、2#、3#）3座獨(dú)立的充填站，分散布置充填站，可有減少輸送管線的長度，更容易滿足自流輸送充填倍線的需要。充填站布置2.2大規(guī)模充填系統(tǒng)的構(gòu)建24

1#/2#/3#充填站平面分布圖2.2大規(guī)模充填系統(tǒng)的構(gòu)建25

沙倉倉體直徑15m，高度10m，沙倉錐底角度30°,一次最大連續(xù)充填量2000m3，單系列充填能力180m3/h。2.3充填站的主體結(jié)構(gòu)每座充填站有4個圓形立式沙倉，兩個沙倉組成一個充填系列，形成獨(dú)立的兩個系列。四個砂倉交替進(jìn)砂和充填，以充分發(fā)揮系統(tǒng)生產(chǎn)能力。充填站結(jié)構(gòu)：26

2號/3號充填站的主體外部主體結(jié)構(gòu)2.3充填站的主體結(jié)構(gòu)272.4充填料漿的制備該充填系統(tǒng)采用高濃度全尾砂結(jié)構(gòu)流膠結(jié)充填、立式砂倉儲料，壓氣造漿，自流輸送工藝，膠凝材料為水泥或膠固粉。充填料漿為全尾砂料漿，設(shè)計(jì)濃度70～72%，為似膏體形態(tài)

經(jīng)過初期生產(chǎn)的69%、70%、71%，目前實(shí)際濃度已經(jīng)達(dá)到72%

料漿制備流程見下圖：28料漿制備流程圖2.4充填料漿的制備292.5充填固結(jié)材料的實(shí)驗(yàn)及選擇水泥生產(chǎn)初期，膠結(jié)材料選用市場上各種水泥，當(dāng)抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)時，對應(yīng)的灰砂比約為1:6～1:4，每年約需水泥36萬噸，充填成本給企業(yè)帶來了巨大的壓力。

膠骨粉為降低成本，選擇新型的膠骨粉與水泥做了大量的對比實(shí)驗(yàn)，

使用水泥灰砂比為1:4時，養(yǎng)護(hù)28天時獲得3.51MPa強(qiáng)度；

使用膠骨粉灰砂比為1:10，養(yǎng)護(hù)28天后可獲得3.65MPa強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)證明膠骨粉比水泥具有更好的固結(jié)性能。對比雖然膠骨粉價格略高，但用量大幅減少至原來的40%,使得充填成本顯著降低，初步測算每立方充填體降低成本20余元。30膠結(jié)材料灰砂比（1：X）充填濃度(%)實(shí)測平均抗壓強(qiáng)度（MPa）設(shè)計(jì)實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)際3天7天28天膠骨粉1:101:10.0772.0071.710.881.833.65水泥1:41:4.0672.0071.991.141.973.51

同等強(qiáng)度時水泥和膠骨粉的灰砂比對比表2.5充填固結(jié)材料的實(shí)驗(yàn)及選擇312.6采場的充填作業(yè)及兩步驟開采采場礦石出礦完畢后，首先對出礦進(jìn)路、各分層鑿巖巷用封堵墻封堵，便可以開始充填。地表至井下垂直下料管直徑180mm，井下水平充填管網(wǎng)直徑140mm，充填工程布置在采場頂部或下盤一側(cè)，對采場進(jìn)行多點(diǎn)下料充填，保證充填料充分接頂，由于采用全尾沙結(jié)構(gòu)流充填，料漿近似膏體，充填到采場的料槳離析的水并不太多，無需傳統(tǒng)的脫水井，在采場內(nèi)敷設(shè)２條適當(dāng)直徑的脫水管，將水排出即可。32一步驟開采礦房的開采及充填一步驟開采礦房按照隔一采一步驟開采礦石開采完畢后，馬上對一步驟開采礦房進(jìn)行充填。二步驟開采礦房的開采及充填相鄰的兩個一步采采場的充填體需要養(yǎng)護(hù)6個月，充填體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開始對其間的礦體進(jìn)行二步開采礦石開采完畢后，馬上對二步驟開采礦房進(jìn)行充填。2.6采場的充填作業(yè)及兩步驟開采33采場不同高度充填體所需強(qiáng)度分布結(jié)構(gòu)一步采充填體強(qiáng)度分布二步采充填體強(qiáng)度分布34

充填體頂部強(qiáng)度都有較高的強(qiáng)度，

以保證頂部向上開采時底部有一個高強(qiáng)度的支撐；

充填體底部強(qiáng)度都有較高的強(qiáng)度，

以保證下部礦體向上開采時頂部有一個高強(qiáng)度不易造成冒落。一步采的充填體強(qiáng)度要求較高，充填體強(qiáng)度分布在2～

3MPa

保證充填體不垮塌不片幫，以滿足二步采時開采的需要；

二步采礦塊充填體強(qiáng)度要求較較低，強(qiáng)度分布在0.8～

3MPa之間充填料按照不同部位灰砂比可采用1:10至1:16，

不同的部位強(qiáng)度達(dá)到0.8～3MPa指標(biāo)。

尾砂膠結(jié)充填料的平均灰砂比為11.5，平均強(qiáng)度約2MPa。2.7采場充填體的強(qiáng)度分布35膠結(jié)材料灰砂比（1：X）充填濃度(%)實(shí)測平均抗壓強(qiáng)度（MPa）設(shè)計(jì)實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)際3天7天28天膠骨粉10.0010.0772.0071.710.881.833.6510.5010.5272.0071.810.841.833.1711.0011.0372.0071.840.661.522.6911.5011.5272.0071.830.491.362.2512.0012.0472.0071.850.410.911.7715.0015.0272.0071.840.240.651.4716.0016.1072.0071.850.200.611.36現(xiàn)場還做了不同灰砂比（膠骨粉）對應(yīng)的強(qiáng)度值實(shí)驗(yàn):不同灰砂比（膠骨粉）對應(yīng)的強(qiáng)度值2.7采場充填體的強(qiáng)度分布36掘進(jìn)巖石充填在二步采空區(qū)的充填過程中，同時將部分掘進(jìn)產(chǎn)生的巖石隨著充填料漿直接充入采場，形成全尾砂與巖石的混合充填體，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以滿足強(qiáng)度的要求，這樣既減少了巖石排放成本，又降低了充填成本。2.7采場充填體的強(qiáng)度分布372.8充填開采的效果最大技術(shù)難題：一個礦房開采完畢后，兩側(cè)礦柱垂直暴露高度100m，平均長度達(dá)50m，側(cè)向暴露面積將達(dá)到5000m2。礦柱承受著自重、頂板上下盤圍巖的壓力及采場開采后形成的應(yīng)力、采場爆破的沖擊力等復(fù)雜多重作用，尤其是二步采時，礦房兩側(cè)由充填體構(gòu)成礦柱，100m高的充填體礦柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，能否經(jīng)受采場落礦爆破的沖擊振動，能否不片幫冒落，直接關(guān)系著二步開采能否順利進(jìn)行，是該采礦方法面臨的最大技術(shù)難題。38開采效果：

一步采已順利完成了30余個采場的一步開采，

一步采后的礦柱及頂板的穩(wěn)定性都獲得了實(shí)際驗(yàn)證，沒有發(fā)生垮塌和冒落，印證了大結(jié)構(gòu)參數(shù)的可靠性。2.8充填開采的效果39二步采前的強(qiáng)度確認(rèn)

二步采采場開采前，需要對兩側(cè)的充填體