一、 问题的提出
霍邱地区铁矿床属于特大型铁矿集区，矿区南北长约40km，东西宽3～6km。己探明储量17.12亿吨，远景储量20亿吨以上，位居全国第五，华东第一。自南向北，分布有重新集、吴集（南段和北段）、环山、李楼、草楼、周油坊、范桥、李老庄、万庄、刘塘坊、付老庄、张庄、周集、班台子和李营子、刘寺、陶坝、王坝等20余个大、中型铁矿床，图1详见；目前约14个铁矿床已生产或正在开发建设，届时上述矿山全部投产达产时，每年生产铁矿石达4000～5000万吨。
图1--霍邱地区铁矿床平面分布位置
纵观霍邱铁矿床赋存特点，矿床开采过程中应关注以下几点：
（1）矿区地表地形平坦，多为大量的农田、水田、村庄，开采过程中不允许地表陷落。
（2）矿床隐伏于地表以下数十米到二、三百米，矿体埋深较大。矿床上方赋存有厚大的第四系松散岩层（即为淮河 = 2 \* roman ii、 = 3 \* roman iii阶地区），第四系岩层主要是亚粘土、砂层与粘土互层、隔水粘土层等。
（3）矿床平面上分布面积大，一般几平方公里到几十平方公里，开采面积大，因此防止地表破坏的难度增加。
（4）矿体上部有20～80m厚的风化裂隙带，工程力学性质差，不宜开采，应留作保安矿柱。
（5）矿体倾角从较缓（5～35°）～倾斜～急倾斜；厚度从薄～中厚～厚大；而缓倾斜中厚矿体一直是世界采矿界公认的难采矿体，至今存在着大量末解决的理论和技术难题。
（6）矿石平均品位只有26～34%，选矿过程中形成的固体废弃物量大，尾矿库建设存在一定困难。
因此，如何针对上述特点，开展不迁村厚大第四系下无沉降开采关键技术研究，研究出高产、高效、安全、低成本、环保等技术特征的新型采矿方法，其意义重大。
二、 空场采矿嗣后充填采矿方法
嗣后充填采矿方法即空场法（根据矿体产状分别采用阶段空场、分段空场、浅孔留矿、房柱法）采矿，将采矿所产废石和尾矿全部或大部分充填到采空区。目前霍邱地区正在生产或建设矿山，基本上全部采用空场采矿嗣后充填采矿方法。
2.1空场采矿嗣后充填采矿方法优势
（1）提高采矿回收率，大大减少矿山减少用地。
以安徽草楼铁矿为例。草楼铁矿总储量8600万吨，地表多为农田，且矿体上覆存在170m左右的第四系粘土、砂层及砂砾岩；2004年开始建设，总投资4.7亿元，设计能力200万t/a（二期300万t/a）。设计采用了空场采矿嗣后尾砂充填采矿方法，全尾砂90%以上回填坑下，资源回收率达到九成以上，节约地表建尾矿库用地达3000亩。不仅减少了环境污染，还避免了地表塌陷，消除了矿山生产的重大安全隐患。据测算，采用全尾砂充填，每吨矿石增加成本12元，按全部开采需增加投入10亿多元，多采铁矿石2000多万吨、铁精砂700万吨，可多创效益约16亿多元。
（2）尾矿用作充填料
以全尾砂或全尾砂为主的各类膏体充填料或高浓度的充填料用于井下充填，即可减少或取消尾矿库，降低水泥消耗及充填成本，又可大大改善坑内外环境，彻底解决了尾矿的处理问题。目前霍邱地区正在生产或建设矿山，基本上均已建设或正在建设地面充填站，充填料基本上均为本矿山的全尾砂。
（3）控制地表塌陷
地层控制技术的研究已有几十年的历史，用充填来控制地层的移动目前国内外研究的还比较成功。用充填法采矿可以避免可能导致地表和地下巷道破坏的岩石力学问题。可以开采几乎整个矿床，回来率最高，贫化率最低。把充填体看作是盘区和采场支护方式，在特定区域内至少可使弹性闭合速度以及由此引起的能量释放率降低50％，根据国内外研究目前充填开采是用来控制地表沉陷与变形的主要开采技术措施之一。
（4）改善地下采矿环境
用充填法采矿可以有效地保护开采现场的环境。矿石采出后进行及时的充填，不仅保护了待采矿体和主要运输大巷道，在一些多金属高品位高硫矿体中，还避免了高硫矿石的自燃和自爆，同时也降低了氧等有害气体的析出量。
2.2空场采矿嗣后充填采矿方法几种典型实例
（1）分段空场采矿嗣后充填采矿方法。见图2。
图2 分段空场采矿嗣后充填采矿方法
①适用条件：矿体倾角20～40°厚度8m以上，顶板围岩稳固性一般，底板围岩稳固。
②采场布置与结构参数：矿块沿矿体走向布置，长度100m，划分为两个采场，采场之间布置一条6m宽的矿石间柱，间柱内开凿一条上山，该上山与各分段的矿房、矿柱采场的堑沟相连，作为污风通道，采场的净长度为44m；矿块（采场）高度50m，标准矿块布置有4个矿房和4个矿柱采场。
（2）矿房采矿嗣后充填采矿方法。见图3。
图3 矿房采矿嗣后充填采矿方法
①适用条件：倾角0°～10°，厚度8～20m，顶、底板围岩稳固。
②盘区布置及结构参数：盘区沿矿体走向布置，长100m，划分为四个12.5m矿柱采场和4个矿柱采场；盘区沿矿体倾向长度100m，端部留8m宽的盘区矿柱，在盘区矿柱底盘围岩内布置一条沿脉运输巷道，该运输巷道与矿柱、矿房采场相贯通；在盘区矿柱的顶板下矿体中布置一条用于回风、充填的沿脉巷道（该巷道位于沿脉运输巷道的正上方，相互平行）。
（3）下向大孔空场采矿嗣后充填采矿方法。见图4。
图4下向大孔空场采矿嗣后充填采矿方法
①适用条件：应用于厚大矿体或矿体群的开采。多层矿体之间夹石层较薄，无法将各层矿体单独回采，故将矿体和夹石层一起回采。
②采场布置与结构参数：采场沿矿体走向布置，矿柱、矿房采场宽度均为15m；采场厚度为矿体的厚度；当矿体群总厚度大于60～70m时中间可以增加一条凿岩硐室，以减少向下大孔的凿岩长度（长度大，效率低，炮孔质量差）；采场底部布置一条出矿进路联络巷，该联络巷两侧布置出矿进路与采场堑沟相通。
采场上部布置一条凿岩硐室，其长度与采场厚度一致。
三、 不沉降开采的几个关键技术
3.1留设上部护顶矿柱
霍邱地区所有铁矿床上部有厚大的第四系覆盖层，厚度自南向北从几十米到三百米不等，且与矿体直接接触，需留设护顶矿柱，以避免采场冒落，继而不但造成上部第四系松散岩层涌入井下，形成井下泥石流，而且造成地表陷落。
合理的护顶矿柱厚度决定着矿山正常安全生产和矿山寿命。影响护顶矿柱厚度主要有矿床上覆第四系岩层厚度（在霍邱地区即为矿体埋深）、矿体水平厚度、倾角、风化带厚度以及矿岩物理力学性质等；上覆第四系岩层厚度愈厚、矿体水平厚度愈大、矿体倾角愈陡、风化带厚度愈厚、矿岩力学性质愈差，护顶矿柱厚度应愈厚，反之愈薄；本文采用三维数值模拟计算和岩石力学分析等多种手段，研究得出霍邱地区铁矿床留设护顶矿柱的合理厚度在30～50m之间。
由于矿体上部有厚大的第四系覆盖层，在后期开采上部矿体时，可以考虑根据情况留不规则矿柱（选择在困难地质地段、薄矿体或者低品位地段），这样不但有利于采场稳定性，还进而可保护地表和限制移动。
3.2保水开采技术
矿体地下开采形成空区及巷道给地下水涌出创造了条件，需采取机械设备排出地表。若井下涌水过大，坚持采取强排疏干排水，不仅会造成企业排水费用的增加，而且地下水位下降易产生地面塌陷及水资源的严重浪费等问题。应从开采方法选择、防冶水等方面采取措施，实现矿井水资源的保护和综合利用。具体措施主要有以下几点：
（1）竖井施工坚持采用“冻结法”施工技术；目前霍邱地区所有井筒基本上均采用“冻结法”施工技术，个别采用普通法掘进曾出现淹井事故。
（2）井下顶板帷幕注浆防治水方案。在矿体内施工一定网度的水平探水注浆钻孔，一是查清矿体围岩含水层的水文地质情况，二是注浆封堵含水层的主要导水裂隙；然后，在矿体内施工不同方向钻孔进行探水注浆，最后在矿体顶板基岩内形成由纵横交错钻孔注浆控制的一定厚度的人工注浆盖层，基本达到矿区地下水位不下降、地面不塌陷的目的，确保井下生产的安全。
（3）采用先进的井巷工程掘支技术，如李楼铁矿采用了大小管棚联合超前支护技术、流沙层全断面超前帷幕注浆固结堵水技术、正台阶法分步分序短掘快支技术、高压摆喷构筑地下截渗墙技术、风化破碎带零爆破施工保护技术、整体式模板衬砌台车一次性浇注永久支护体成形技术，等等。
（4）对矿区水文地质条件不清地段，必须坚持“有异必探，先探后掘”的原则，防止地下水对矿坑的威胁。巷道掘进时对渗水地段采取挂网支护、注浆等手段支护和封堵。
（5）基建和生产中应重视封孔质量不佳或未封钻孔对矿山生产的影响，应采取防治措施，防止地下水突然进入矿坑造成淹井事故。
3.3优化开采顺序和采场结构参数
从安全开采的角度来看，先回采深部矿体，等矿山企业熟悉充填法采矿工艺、通过采准设计和采矿方法研究确定最佳的采场参数后再回采上部接近第四系的矿体，即采用从下往上的开采顺序有利于矿山安全开采。
采用“各一采一”或“各三采一”的回采顺序。
视矿岩稳定程度，优化采场顶板暴露面积，即采场结构参数。矿体顶板岩石稳定性好的地段，采场顶板暴露面积宜控制在800㎡以内；一般情况下采场顶板暴露面积控制在400～600㎡之间。
3.4开展大面积开采条件下，压力转移、岩层移动与地面沉降机理研究
在开展霍邱地区矿床调查的基础上，进行相关基础试验，通过采用计算机模拟仿真技术，对开采过程中围岩应力、地表位移进行监测，揭示矿体开采过程中应力转移情况和位移发展规律，优化合理的开采顺序、开采方法，控制矿区地表沉降。
四、 大产能充填系统研究
主要开展了高效率、低成本细尾泥脱水技术、立式砂仓尾砂压气活化造浆技术及装备的研究、不同浓度尾砂输送特性以及输送工艺研究、大产能充填试验研究、高性能、低成本矿山胶结充填材料的开发，等等。
在示范矿山对选厂产生的尾砂进行了取样，进行了地表造浆放砂模拟试验。将全尾砂扬送至试验装置后，使其自然沉降脱水，然后用潜水泵抽出全尾砂液界面以上的澄清水，从而使砂仓中全尾砂达到最大沉降浓度。在试验装置底部装有的压气造浆喷嘴，可顺利实现压气造浆，造浆均匀后打开仓底放砂阀可均匀稳定地放出全尾砂浆。从而在工业生产中采用这一工艺流程，以节省投资、降低充填成本、提高充填系统制备输送能力。
五、 结语
霍邱地区铁矿床通过上述研究和实践，达到了以下主要成果：
（1）开创了金属矿山“三下”开采的新模式，从根本上解决了大面积开采条件下地表无沉降的技术难点。对于类似矿床（全国类似资源量50多亿吨）的开采具有重要的示范作用和广泛的推广应用价值。
（2）高效、低成本充填采矿技术能大大提高了采场生产能力，降低采矿成本，是对传统充填法采矿法一次彻底的革新。
（3）全尾砂嗣后充填法把选矿产生的尾矿用胶结法再回填到井下采空区，这种采矿方法可使采矿作业更加安全，而且还可以有效地减少占用农田，彻底根治了尾矿在地表堆存放产生的危害、消除了采空区的安全隐患和对生态的破坏，开发了一种无废矿山生产新模式。
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