一种强地压条件下极厚大矿体充填法开采研究
０ 引言
根据开采实际需求，部分学者将开采深度１０００～２０００ｍ的矿山定义为深井矿山。随着国内矿产资源的不断开发，我国浅部矿产资源逐年减少，开采深度在千米以内的金属矿产资源正在逐步消耗殆尽，迫使越来越多的矿山转入深部矿体开采。
同时，近些年随着国外铁矿石价格不断上涨，铁矿石进口环境越来越严峻，国家的发展要求急需加大国内铁矿石开采量。但是随着浅部铁矿资源的消耗，国内越来越多的铁矿山逐渐转入深井开采。我国投产深井矿山已经达到１９座，这些矿山通常采用常规的采矿方法，生产规模相对较小。同时，国内对地表环境保护越来越重视，因此，亟需一种适用于深井铁矿山大规模开采的高效充填采矿方法。
１ 深部极厚大矿体开采难题
随着矿井开采深度的增加，地质环境趋于复杂，深部矿体开采主要受到“三高一扰动”的影响，即高地应力、高地温、高岩溶水压和强烈的开采扰动。“三高一扰动”的复杂环境，使得采矿方法选取变得更具有挑战性和高难度。
１）高地应力。深井矿山，由于工程开挖所引起的应力集中水平远大于工程岩体强度，同时叠加深部岩体构造应力场，最终在深部岩体中形成了异常的地应力场，具体体现为深部的高地应力现象。深部高地应力可能导致破坏性的地压活动，包括岩爆、塌方、冒顶、突水等由采矿开挖引起的动力灾害，这些给支护和采矿安全造成很大负担。
２）高地温。岩层温度随岩体深度增加以１.７～３.０℃／１００ｍ的梯度增加，最终在深井矿山开采工作面形成高地温环境。深井的高温环境严重影响工人的劳动生产效率，而为了进行有效降温，又必将大幅增加采矿成本。
３）高岩溶水压。进人深部开采后，随着地应力和地温的升高，水头压力也随之增大，具体体现为高岩溶水压。岩溶水压的升高，使得矿井突水灾害更为严重。突水往往发生在采掘活动结束后的一段时间内，具有明显的瞬时突发性和不可预测性，危害极大。
４）强烈的开采扰动。深井开采矿山，大多数井巷工程要承受回采空间引起的强烈的支撑压力作用，使受采动影响的巷道的围岩压力数倍于原岩应力，使井巷围岩可能处于塑性状态，进而造成井巷工程的破坏，增加井巷工程维护成本。
由于深井开采存在上述的“三高一扰动”复杂开采环境，使得深井开采采矿方法选取变得更为困难，同时结合我国对环境保护的需求，建设绿水青山的环境，要求矿山开采尽量减少对地表的破坏，提倡充填法开采深部资源。
基于上述情况，本文提出一种适用于强地压环境下极厚大矿体开采的充填采矿方法，既保护地表、避免塌陷，同时又适应“三高一扰动”复杂开采环境。
２ 深部极厚大矿体安全高效开采关键技术
２．��� 合理的采场布置及结构参数设置
为了适应深部高地压环境，确定单个采场顶板暴露面积在１０００ｍ²以下，侧帮暴露面积在１５００ｍ²以下。将矿体划分为多个盘区，盘区垂直于矿体走向方向布置，每个盘区结构参数：长１５０ｍ，宽１５０ｍ，高５０ｍ。每个盘区由２５个采场构成，每个采场结构参数为长３０ｍ、宽３０ｍ、高５０ｍ。沿矿体走向方向，盘区一侧留有３０ｍ矿柱，矿柱内设有回风巷；另一侧留有３５ｍ矿柱，矿柱内设有进风巷及采区溜井，垂直于矿体走向方向盘区间不留间柱，具体布置见图１。
国内阶段空场嗣后充填采矿法通常采用矩形采场设置，阶段高度取６０ｍ以上，采场侧帮暴露面积达到４０００ｍ²以上，不适宜高地压环境。本文提出的采矿方法采用正方形采场设置，减少了采场侧帮暴露面积，更适宜用在高地压。
２．２ 高效的回采工艺
１）采准切割。在每个开采阶段，自上而下分别为充填水平、凿岩水平和出矿水平，３个水平工程互相利用。在出矿水平，采场两侧布置出矿联络巷，采场中间布置堑沟拉底巷，出矿联络巷与堑沟拉底巷之间通过出矿横巷连通。在凿岩水平，凿岩巷道为出矿水平的堑沟拉底巷；在充填水平，充填巷道也为出矿水平的堑沟拉底巷，即充填巷道利用上二个采矿阶段的堑沟拉底巷，凿岩巷道利用上一采矿阶段的堑沟拉底巷，具体布置见图２。盘区两侧进风巷、回风巷和采场内的巷道断面规格按２４.８４ｍ²考虑，经计算，盘区的千吨采切比为１.２４ｍ／ｋｔ、３０.５４ｍ³／ｋｔ。
２）回采工作。回采凿岩中深孔采用Ｓｉｍｂａ１３５４采矿凿岩台车，孔径φ７６ｍｍ，主要用在集矿堑沟中打上向扇形中深孔；深孔采用潜孔凿岩台车，孔径φ１１４ｍｍ，主要用在凿岩水平向下钻凿深孔。中深孔落矿量占总落矿比例１７.６％。爆破采用乳化炸药，装药车装药，非电导爆管和非电毫秒雷管起爆，分段微差爆破。爆破下来的矿石，由铲运机通过出矿横巷、出矿联络巷运至矿石溜井。
２．３ 高效通风布置
通风工程在盘区间采用进、回风巷交错布置，在采场内通过联络巷贯穿进回风巷道，通风系统简单、易于管控，可以降低通风成本。在出矿水平，新鲜风流由盘区进风巷、出矿联络巷、出矿横巷进入采场工作面，污风经采场、出矿横巷、出矿联络巷进入盘区回风巷，经回风井排出地表，具体布置见图３。凿岩水平和充填水平的通风系统与出矿水平类似。由于通风系统简单、易于管控，对于高地温的采场，本采矿方法更易于通风加大通风量降低采场温度，改善采场工作环境。
２．４ 采场充填
采场出矿完毕后，即进行充填准备工作，从上二个采矿阶段的堑沟拉底巷吊挂外包滤布的塑料波纹泄水管，在出矿横巷中构筑充填泄水挡墙封闭采空区，在出矿横巷的每个挡墙前再砌筑５００～６００ｍｍ高的沉淀池。充填料浆由上二个采矿阶段的堑沟拉底巷、切割天井进人本采矿阶段的采场，采场充填要根据充填料的泄水情况和沉淀情况等，分多次充填，多次接顶，尤其必须保证接顶充填质量。经采场沉淀后的泄水溢流至盘区进、回风联络巷，汇集到采区进、回风天井，经泄水钻孔下放至排水水平，汇人井下排水系统。
采场充填分为两种充填方式，即高强度胶结充填和低强度胶结充填。一步采场采用高强度充填，二步采场采用低强度充填。先开采一步采场，后开采二步采场，保证二步采场的安全开采。具体开采顺序见图４。
３ 结语
本文提出一种强地压条件下极厚大矿体充填采矿方法，是对深井矿山大规模开采方法的一种探索研究。该采矿方法采切比低、采场侧帮暴露面积小，适用于高地压条件，生产安全；通风系统简单、易于管控，完全可以应对高地温的生产环境；采场结构参数合理，生产效率高，盘区生产能力大，可以充分发挥矿山规模效益。