上向水平分層膠結(jié)充填采礦法在貢北金礦的探索應(yīng)用

房維科，李文軍，石 強(qiáng)，楊國徽

(甘肅瑪曲格薩爾黃金實(shí)業(yè)股份有限公司，甘肅 瑪曲 747300)

甘肅瑪曲格薩爾黃金實(shí)業(yè)股份有限公司貢北金礦于1991年發(fā)現(xiàn)，1993年開始露天開采，1999年轉(zhuǎn)入地下開采，生產(chǎn)工藝為堆浸產(chǎn)金。由于資源勘查力度不足，2003年停采，11年間累計采出礦石量32.83萬t，累計浸出黃金700kg。2004～2005年重新進(jìn)行探礦工作，累計圈出金礦體19個。礦區(qū)多年來一直采用探采結(jié)合的方式進(jìn)行礦石回收，采礦方法主要采用房柱法和淺孔留礦采礦法，年采出礦石量為3萬～5萬t。在回采過程中遇到頂板和巷道塌陷區(qū)，則礦石廢棄不出，另掘一條巷道繞過塌陷區(qū)，進(jìn)行下一礦塊的回收。最大回采高度8～10m(由于頂板冒落，采空區(qū)高度一般大于此值)，由于礦區(qū)內(nèi)大量采空區(qū)未進(jìn)行處理，造成采空區(qū)頂板以上中段礦體無法回收。另外，保留礦柱比例大，礦石損失嚴(yán)重，并且考慮到空區(qū)頂板暴露面積大，存在安全隱患。

由此可見，礦山當(dāng)前采用的采礦方法突出問題就是采切工程量大、礦石損失嚴(yán)重，為提高資源回收率，必須對采礦方法進(jìn)行根本上的改變。

1 礦床地質(zhì)及開采技術(shù)條件評價

礦床賦存于沙礫巖地層中，礦體大部分呈不規(guī)則長條脈狀、發(fā)散狀，沿走向和傾向都有膨脹、縮小，分支、復(fù)合現(xiàn)象。礦帶明顯受近東西向斷裂破碎帶控制，沿斷裂破碎帶有大量次生方解石脈、斷層泥充填。礦體斷層面呈波狀，此類斷層力學(xué)性質(zhì)為壓扭性。

礦床地處西傾山西端南麓，屬中、高山構(gòu)造剝蝕地貌類型，山勢西高東低，比高300～500m，地形坡度30°～50°左右。主體山脈走向近東西向，支脈呈梳狀由北向南展布。溝谷向北西山體侵蝕，多呈現(xiàn)“V”型或“U”型，只在較長山溝的中下段形成箱狀寬谷。礦區(qū)地下水靠大氣降水補(bǔ)給，以潛滲、暗流的形式排泄于山前斷陷沼澤盆地或下滲于深部構(gòu)造斷裂帶排向深遠(yuǎn)地帶。而礦區(qū)溝谷寬淺、地形坡度較大，碳酸鹽巖裂隙溶洞發(fā)育，沖擊卵石層透水性極好，極利于地下水、地表水的下滲排泄。

在探明的礦床中，有相當(dāng)數(shù)量的儲量屬傾斜薄至中厚礦體，傾角35°～45°，厚度3～4.5m。礦體頂?shù)装逵苫屹|(zhì)礫巖、白云質(zhì)灰?guī)r組成，呈厚層-塊狀構(gòu)造，隱晶、粉晶質(zhì)構(gòu)造。巖石受地質(zhì)構(gòu)造破壞影響一般，節(jié)理裂隙發(fā)育，沿裂隙間均被方解石脈充填，巖石具強(qiáng)烈的赤鐵礦化、碳酸鹽化、硅化，巖體層間結(jié)合緊密，保持層狀整體結(jié)構(gòu)。

礦體為紫紅色、褐紅色赤鐵礦化、硅化灰質(zhì)礫巖型金礦石，礦石碎塊間不具粘結(jié)性、氧化性和自燃性。礦石比較堅固，穩(wěn)定性好。礦區(qū)地表均被高原草根層覆蓋，無崖崩、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害。

目前，3570、3602兩個中段為主要開采中段，其中3602中段正在對Au3、Au6和Au8號等礦體進(jìn)行設(shè)計回采；3630為殘采中段，主要開采Au16、Au26和Au27號礦體；3540中段正在進(jìn)行開拓。

結(jié)合貢北礦區(qū)地質(zhì)條件和現(xiàn)有開拓系統(tǒng)以及采空區(qū)實(shí)際情況，可以對貢北礦區(qū)開采技術(shù)條件作如下總體評價。

1)礦區(qū)巖石質(zhì)量較差，尤其礦體頂板節(jié)理裂隙發(fā)育，當(dāng)采空區(qū)跨度達(dá)到一定值后不采區(qū)有效措施不能自穩(wěn)。

2)開采形成的空區(qū)較多，沒有得到有效控頂措施及采空區(qū)處理，部分采空區(qū)已連通成采空區(qū)群，造成采空區(qū)以上及周圍資源無法回收。必須采取有效措施對采空區(qū)進(jìn)行處理，以提高資源回收率和礦山經(jīng)濟(jì)效益。

3)目前貢北礦區(qū)開拓系統(tǒng)不夠完善，必須進(jìn)行優(yōu)化，才能提高開拓系統(tǒng)的適應(yīng)能力。

4)當(dāng)前采用的房柱法生產(chǎn)效率低，礦石損失率高，急需選擇更適合貢北礦區(qū)開采技術(shù)條件的安全、高效、經(jīng)濟(jì)的采礦方法。

2 采礦方法

2.1 采礦方法的選擇

根據(jù)貢北礦區(qū)礦體的自身特征，考慮到國內(nèi)外目前對于薄至中厚難采金礦脈地下回采方案基本有3種，即空場法、崩落法和充填法。由于崩落法對礦石損失大，貧化大，采切比過大，成本高，因此不予考慮。而對于空場法，因?yàn)榈V石損失大(30%以上，而貢北金礦礦石品位較高)，貧化高，且隨著采空區(qū)的增加，頂板冒落、礦體壓垮、地壓災(zāi)害頻現(xiàn)，對安全影響較大，因此也不采用。再結(jié)合相關(guān)巖石力學(xué)測驗(yàn)和ANSYS有限元軟件對礦塊進(jìn)行三維數(shù)值模擬，最終確定采用上向水平分層充填法[1]，這里主要介紹上向水平分層膠結(jié)充填法在貢北礦的應(yīng)用。

上向水平分層膠結(jié)充填法采用了預(yù)控頂房柱法的采準(zhǔn)布置、頂板處理方法，上向分層充填法的落礦工藝、出礦工藝和采空區(qū)處理方法(圖1)

1-脈外階段運(yùn)輸巷；2-穿脈運(yùn)輸巷；3-礦石溜井；4-行人天井;5-填充天井；6-充填料層(灰砂比1∶8)；7-充填料層(灰砂比1∶4)

2.2 采場布置和結(jié)構(gòu)參數(shù)

1)采場垂直于礦體走向布置，長度為礦體水平厚度，寬度20m。

2)礦房礦柱交替布置，寬度均為10m。

3)將階段劃分為分段，分段高度9m，每個分段負(fù)責(zé)3個分層，分層高度3m(當(dāng)遇到礦石和圍巖都很穩(wěn)固時，分層高度可加大到4～6m)。

4)回采過程中，最小控頂高度2m，最大控頂高度4m。

5)采場裝礦采用人工和電耙。

2.3 采切布置

采用下脈外階段斜坡道采準(zhǔn)方式，階段和各分段間通過采用斜坡道聯(lián)通，在相鄰礦房和礦柱中間布置掘進(jìn)穿脈到達(dá)礦體邊界，從穿脈開始進(jìn)行拉底工作。每個礦房分別沿上盤布置一條切割上山作為回采自由面，切割上山兼作通風(fēng)上山和充填井，在礦房下盤布置人行井，兼作泄水通道，每一分層水平布置脈外出礦巷道和溜井。

2.4 回采工藝

采用YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)挑采2.0m，不出礦，工人站在礦堆上打水平孔壓頂回采到設(shè)計高度。每次爆破后通風(fēng)時間不少于40min，工作面炮煙排凈后，安全人員進(jìn)入采場檢查頂板，清理浮石。確保采場安全后，采用鏟運(yùn)機(jī)將崩落的礦石卸入分段溜礦井，再由農(nóng)用小四輪經(jīng)階段平硐運(yùn)到硐外礦堆。采礦作業(yè)成本見表1，回采主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 上向水平分層膠結(jié)充填采礦法采礦作業(yè)成本

表2 上向水平分層膠結(jié)采礦法回采主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2.4.1 回采順序

為合理控制地壓，采用由首采區(qū)區(qū)段的中央向兩翼間隔采場回采方式(圖2)。

圖2 最優(yōu)采場回采順序

根據(jù)免壓拱理論以及砌體梁假說，兩個間隔采場同時回采時，應(yīng)使中央的采場超前兩翼采場回采(圖3)，為了兼顧無軌設(shè)備在相鄰采場間的方便移動，中間采場超前一個分層，即3.0m。本分層的鑿巖爆破、出礦、護(hù)頂和充填完成后，即可轉(zhuǎn)到上一分層，回采時采用后退式回采。

圖3 超前回采示意圖

2.4.2 鑿巖爆破

采用YT-28型氣腿式鑿巖機(jī)鑿巖，炮孔直徑40mm，孔深1.8m。分層水平頂部炮孔平行布置，進(jìn)行光面爆破，以保證采場頂板盡量平整、穩(wěn)固，同時對礦石頂板進(jìn)行處理和支護(hù)。

2.4.3 通風(fēng)

設(shè)計采用抽出式通風(fēng)方式，新鮮風(fēng)流經(jīng)階段斜坡、分段平巷及采場聯(lián)絡(luò)道進(jìn)入采場，沖洗工作面后，污風(fēng)經(jīng)充填回風(fēng)井排入上階段回風(fēng)平巷，可在回風(fēng)充填井頂部設(shè)置局扇加強(qiáng)通風(fēng)。

2.4.4 出礦

采用鏟運(yùn)機(jī)裝礦石，經(jīng)采場聯(lián)絡(luò)道、分段平巷，運(yùn)輸?shù)搅锏V井卸礦，由農(nóng)用小四輪運(yùn)出硐外。

2.4.5 采場頂板管理

爆破落礦后并經(jīng)過有效通風(fēng)排除炮煙后，安全人員進(jìn)入采場進(jìn)行敲幫問頂，清理浮石。如果頂板礦巖異常破碎，經(jīng)過撬毛處理后，還存在垮落危險，無法正常作業(yè)，可考慮其他頂板支護(hù)方式，如懸掛金屬網(wǎng)及布置錨桿等。

2.5 填充工藝

2.5.1 簡易填充系統(tǒng)

礦區(qū)的充填系統(tǒng)主要設(shè)在地表，充填尾砂、卵石或50mm以下的碎石由礦石車運(yùn)輸，并由鏟運(yùn)車運(yùn)到充填站堆料場。并采用強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥作為充填體的膠結(jié)材料。結(jié)合礦山實(shí)際情況，充填制備站采用年工作200d，每天一班，每班6h的工作制度，日充填能力設(shè)計為200m3/d(圖4)。

圖4 填充系統(tǒng)工藝流程簡圖

2.5.2 填充步驟

每分層進(jìn)路出礦結(jié)束后，應(yīng)及時進(jìn)行填充，控制地壓，防止圍巖變形，以保證相鄰進(jìn)路的回采安全，進(jìn)路采空區(qū)采用1∶8碎石膠結(jié)充填，回采的第一、二分層用1∶4高配比膠結(jié)體構(gòu)筑假底，以提高下階段采場回采的安全性。填充步驟如下:

1)充填前的準(zhǔn)備工作。①采場出礦完畢后，將設(shè)備移出采場；②構(gòu)筑擋墻，密封采區(qū)。用木板封閉采區(qū)各個進(jìn)路口，上部留出入口和觀察窗，隨著充填料的逐漸升高，逐步架高木板，同時密封好木板與巖壁之間的空隙，防止跑漿漏漿；③檢查地表充填制備站與充填采場之間的線路，信號裝置與照明設(shè)備。

2)采場充填。所有充填準(zhǔn)備工作完成后，即可按配比進(jìn)行采場充填。充填工作以充填天井為中心，由遠(yuǎn)而近分段進(jìn)行，為防止崩落的粉礦滲入充填體以及為出礦創(chuàng)造良好條件，每一分層充填體表面鋪設(shè)一層0.2m左右的混凝土底板?；炷恋匕鍛?yīng)加入速凝劑，鋪設(shè)1d后即可站在其上鑿巖，2～3d后即可爆破落礦和行走自行設(shè)備，充填作業(yè)成本見表3。

表3 上向水平分層膠結(jié)充填采礦法充填作業(yè)成本

3 采礦方法存在的問題及改進(jìn)措施

上向水平分層膠結(jié)充填法能有效地控制圍巖變形、破壞和地表移動，為礦柱回采創(chuàng)造了有利的條件，礦石回收率高，貧化率低。但是充填成本高是本采礦方法的存在的主要問題，充填成本占采充直接成本的70%以上，其主要原因是水泥消耗量大，正常情況下，充填體水泥消耗量達(dá)到156～282kg/m3[2]；其次，填充骨料的采集破碎成本高。作業(yè)機(jī)械化程度低，施工隊(duì)伍素質(zhì)良莠不齊，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。貢北金礦礦體厚度變化較大(厚度1.2～17.3m)，巷道斷面規(guī)格基本為2.2m×2.0m，而且采場內(nèi)多為坑木支護(hù)，故多采用人工鐵耙裝礦，人力推礦車出礦，工人勞動強(qiáng)度大，效率低，單個采區(qū)平均日出礦能力30t/d左右。

考慮到充填成本較高，貢北金礦應(yīng)該在以后的生產(chǎn)應(yīng)用中：①應(yīng)擴(kuò)大充填配比實(shí)驗(yàn)，探索碎石最大控制粒度，以進(jìn)一步提高充填質(zhì)量，降低充填成本；②系統(tǒng)建成后，在生產(chǎn)應(yīng)用過程中應(yīng)不斷完善充填系統(tǒng)；③根據(jù)各采區(qū)圍巖的穩(wěn)固性和強(qiáng)度要求，適當(dāng)調(diào)整充填配比，在保證上下階段圍巖不片幫、不冒頂?shù)那疤嵯铝暨m當(dāng)空間不充填，以節(jié)約水泥和骨料消耗；④探索建立廢石不出井系統(tǒng)，用廢石直接充填采空區(qū)，從而緩解提升運(yùn)輸緊張問題，降低充填成本[3]；⑤針對單個采區(qū)出礦能力低的問題，應(yīng)采取電耙裝礦，農(nóng)用四輪車運(yùn)輸出礦；⑥加強(qiáng)施工隊(duì)伍管理，注重對施工隊(duì)伍素質(zhì)培養(yǎng)。

4 結(jié)論

采用充填采礦法，礦山需要新建充填料制備站、充填系統(tǒng)。單純從投資及成本考慮，直接經(jīng)濟(jì)效益較差。但是從礦山整體考慮，由于利用了礦山廢石作為填充骨料，其間接經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益顯著，減少了廢石堆場的管理費(fèi)，減輕了廢石對環(huán)境的破壞；有效控制頂板暴露面積，確保井下回采安全，直接控制地壓，緩解地表變形，保護(hù)草原生態(tài)；礦石回收率將提高到90%～95%，回收率提高到20%～25%(目前回收率為70%)。

可以預(yù)計，隨著采礦技術(shù)的進(jìn)步和礦山設(shè)備的創(chuàng)新研發(fā)，以及機(jī)械自動化程度的提高，不光是貴金屬礦、富礦適合采用上向水平分層膠結(jié)充填法，此采礦法也將在其他類型礦山得到廣泛應(yīng)用。

[1] 王湘桂，唐開元. 礦山充填采礦法綜述[J]. 礦業(yè)快報，2008(12)：1-5.

[2] 李德輝. 設(shè)計膠結(jié)充填采礦法的幾點(diǎn)看法[J]. 有色冶金設(shè)計與研究，1991(2):72-75.

[3] 聶世磊. 上向水平分層充填采礦法在麻姑山銅鉬礦的應(yīng)用[J]. 金屬礦山，2002(3)：52-53.