空場嗣后充填采礦法工藝技術探討

王薪榮，徐曾和，許洪亮(.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 089；.中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司，河北 秦皇島 06600)

空場嗣后充填采礦法工藝技術探討

王薪榮1，徐曾和1，許洪亮2
(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司，河北 秦皇島 066001)

空場嗣后充填法具有安全、高效、環(huán)保等特點。結合國內外礦山應用實例，介紹了空場嗣后充填采礦法的應用現(xiàn)狀，詳細分析了空場嗣后充填采礦法的采場結構參數(shù)、采準切割工藝、鑿巖爆破技術和充填等采礦工藝技術，并介紹了國內外一些礦山的應用實例，對適用該方法的礦山應用具有借鑒意義。

嗣后充填；采礦技術；采準切割；鑿巖爆破

礦產資源，人類物質資源的基礎。過去，露天開采剝離的大量廢石占用了大量土地，尾礦庫給周邊帶來潛在的巨大危害。地下開采過程中遺留大量采空區(qū)又是一安全隱患。20世紀末，我國礦產資源開采混亂，形成的大量采空區(qū)，而這些采空區(qū)至今仍未處理，成為周邊礦山開采安全隱患。隨著開采深度的增加，一些露天礦開始轉為地下開采。近年來，我國新探明許多埋藏較深的大中型礦床，如遼寧大臺溝鐵礦、河北馬城鐵礦、安徽泥河鐵礦等也只能采用地下開采，地下開采比重將會上升[1]。由此看來，針對中厚及厚大礦體選擇安全、高效、環(huán)保的采礦方法是礦山開采需要考慮的首要問題。

空場嗣后充填采礦法既能使用高效率的大型采礦設備，又能將廢石、尾礦等回填到采空區(qū)，減少二次災害，采用回填支撐保證安全生產，是中厚及厚大礦體適用的最佳開采方式。在國外，特別是發(fā)達國家對環(huán)境保護要求越來越嚴格，并制定了環(huán)境保護法之后，該方法已經(jīng)廣泛應用[2]，我國也有很多礦山投入實踐。本研究通過分析總結國內外空場嗣后充填法應用現(xiàn)狀及主要工藝技術，為國內進一步推廣應用作為參考。

1 空場嗣后充填采礦法應用現(xiàn)狀

空場嗣后充填采礦法，按鑿巖方式的不同，可分為階段鑿巖階段出礦充填采礦法(又稱大直徑深孔充填采礦法)和分段鑿巖階段出礦充填采礦法。具有機械化程度高，生產能力大、便于自動化與數(shù)字化管理等優(yōu)點。礦山可以根據(jù)礦體產狀和圍巖條件選用階段鑿巖或分段鑿巖方式。

國外大直徑深孔鑿巖爆破技術日趨完善，階段空場以及分段空場嗣后充填采礦法的組合方案得到了日益廣泛的應用，采礦成本大幅降低，勞動生產率顯著提高[3]。例如澳大利亞Mount Isa礦、芬蘭Pyhasalmi礦、贊比亞Luanshya銅礦、澳大利亞Olympic dam多金屬礦、西班牙Rubiales鉛鋅礦、加拿大Whitehorse銅礦、美國Homestake金礦等，這些礦山都采用高效率采礦設備回采，采后廢石或尾砂回填空區(qū)。我國大直徑深孔采礦技術始于1982年凡口鉛鋅礦VCR法成功應用[4]，隨后金川二礦區(qū)、金廠峪金礦、安慶銅礦、冬瓜山銅礦、銅綠山銅礦等礦山相繼采用大直徑深孔充填采礦技術。

近十年來，隨著國家對環(huán)境保護要求的不斷提高，為了解決地表塌陷和尾礦堆放占用大量土地問題，減少地下開采對環(huán)境的破壞，國內新建大部分鐵礦也相繼采用了空場嗣后充填采礦法。國內已經(jīng)建成投產的李樓鐵礦、安慶銅礦、冬瓜山銅礦、周油坊鐵礦、石人溝鐵礦、黃崗鐵礦、書記溝鐵礦等，其中李樓鐵礦以750萬t/a規(guī)模成為國內建成投產規(guī)模最大的充填法礦山；正在建設的有田興鐵礦、常峪鐵礦、大賈莊鐵礦等，其中田興鐵礦以2 000萬t/a規(guī)模成為目前在建規(guī)模最大的充填法礦山[5]。

2 空場嗣后充填采礦法主要工藝技術

為了實現(xiàn)空場嗣后充填采礦方法的安全、高效應用，尤其是大直徑深孔充填法應特別關注以下幾個主要采礦工藝技術：采場結構參數(shù)；鑿巖設備；采準切割工藝；崩礦方式；裝藥結構；關鍵部位爆破工藝；充填工藝等[6]。

2.1 采場結構參數(shù)

采場結構參數(shù)選定很大程度上取決于成礦地質結構和巖石力學問題，如地應力分布、礦體形態(tài)、礦體和圍巖巖體力學性質等。國內外空場嗣后充填采礦法的礦塊結構參數(shù)也不盡相同，采場長度一般在60 m以下，寬度在6～30 m之間，高度一般為40～60 m，最高已達120 m。詳見表1[3，7-10]。

表1 大直徑深孔充填采礦法采場結構參數(shù)

2.2 鑿巖設備與鑿巖技術

鑿巖是階段空場嗣后充填法的關鍵工藝之一。生產中鑿巖是極度重復性工作，鉆孔偏斜影響爆破效果，容易導致礦石大塊率高，破壞相鄰采場礦體。因此保證爆破效果必須選用高效率的鑿巖設備，目前國外Atlas等公司生產的鑿巖設備都具有自動、智能鑿巖功能，加拿大斯托比礦和瑞典基律納礦自動化鑿巖技術應用較好。

大直徑深孔鑿巖設備，國外以瑞典Atlas和Sandvik公司生產的設備為代表，如Atlas生產的Simba系列高風壓潛孔鉆機，Simba364鑿巖臺車，鉆孔直徑在90～178 mm，鉆孔深度可達51 m；銅綠山銅礦、冬瓜山銅礦、安慶銅礦均采用Simba261鉆機，孔徑165 mm，設備效率40～50 m/臺班；Sandvik生產的DL系列頂錘式鉆機，如DL421，鉆孔直徑89 ～127 mm，鉆孔深度可到54 m，設備效率150～200 m/臺班。據(jù)了解，該型號鉆機國外礦山應用較多，但國內還未使用。國內有安徽銅冠公司生產的T系列高氣壓環(huán)形潛孔鉆機，如T150，鉆孔直徑在120～254 mm，鉆孔深度達50 m。書記溝鐵礦和周油坊鐵礦使用該設備，設備效率30 000～35 000 m/a。

分段鑿巖設備，國產設備以YZG-90型鑿巖機為代表，鉆孔深度可達30 m，20 m以下效率較高。黃崗鐵礦采用YGZ-90型導軌式鑿巖機配CTC14型鑿巖臺車，鑿巖效率26 400 m/臺班；進口設備以Atlas公司Simba1354鑿巖臺車為代表，鉆孔直徑51～89 mm，鉆孔深度可達32 m，國內采用無底柱分段崩落法的礦山廣泛應用。在充填法礦山，李樓鐵礦應用較好，臺年鉆孔效率達80 000 m。

2.3 采準切割

采準工作包括底部結構、上部鑿巖硐室，切割工作包括切割槽和拉底作業(yè)。

2.3.1 底部結構

底部結構是采礦方法的重要組成部分，是一個采場的“心臟地帶”[11]。目前國內外大型地下礦山以鏟運機出礦為主，主要采用塹溝式和平底式底部結構。

平底式底部結構簡單，施工方便，礦石回收率高。但需要采用遙控鏟運機出礦，以保證出礦作業(yè)人員的安全，大塊處理比較困難，國內應用較少。塹溝式底部結構，鏟運機在出礦巷道內作業(yè)，設備和人員安全有保障；采場礦堆均勻下降，不出現(xiàn)礦堆死角；殘礦回收量小，出礦效率高。國內外大型地下礦山大多采用這種底部結構。

安慶銅礦的塹溝式底部結構由扇形中深孔形成，首先利用切割巷道作為中深孔鉆機(YGZ-90)的鑿巖巷道，在采場中間切割巷道掘進天井作為中深孔爆破自由面，然后逐排或多排爆破形成塹溝[9]。

2.3.2 上部鑿巖硐室

鑿巖硐室開鑿量大，暴露面積大，其穩(wěn)定性至關重要。國外礦山多采用小斷面鑿巖硐室內鉆鑿扇形炮孔以保證硐室穩(wěn)定[3]，見圖1。對于大斷面硐室，為了保證鑿巖硐室的穩(wěn)定，在鑿巖硐室內需要留設礦柱。礦柱留設形式一般有沿礦塊長度方向一字型礦柱、沿寬度方向梳型礦柱和點柱三種形式。冬瓜山銅礦在鑿巖硐室內留設寬度為3.6 m的連續(xù)間柱，見圖2；阿舍勒銅礦則是垂直鑿巖硐室布置梳型礦柱[8]，見圖3。

圖1 扇形炮孔鑿巖硐室布置示意圖

圖2 冬瓜山銅礦鑿巖硐室布置圖

圖3 阿舍勒銅礦鑿巖硐室布置圖

2.3.3 拉底層和切割槽

當采用VCR法時，是以拉底層為自由面進行分層爆破，拉底層空間高度為崩落分層礦量的30%～40%。當采用階段側向崩礦時，是以切割立槽作為自由面，切割槽位于礦房中部或側部，切割槽寬度一般為崩落分層礦量的20%。切割槽一般采用VCR法分段形成。

安慶銅礦采用小斷面VCR法掏槽，藥包埋置深度1.7～2.0 m，平均爆破高度2.52 m，孔間距2.8～3.0 m，排間距3.0 m，該方法形成切割槽時間短，采場倒梯段側向崩礦范圍大，采場爆破總成本低。

2.4 崩礦方式

國內外大直徑深孔采礦法通常采用傳統(tǒng)的VCR法水平崩礦和垂直側向崩礦兩種形式。

2.4.1 VCR法水平崩礦

VCR法是在采場底部拉底形成爆破自由面，在上部鑿巖硐室內打下向大直徑深孔，用球狀藥包自下而上逐層崩礦(3～4 m)或多層微差崩礦，見圖4(a)。VCR法崩礦具有崩礦質量高，爆破效果好，大塊率低，對相鄰采場充填體破壞性小等特點。但要求采用高威力炸藥，成本高；要求高精度鑿巖；裝藥工藝復雜，難于實現(xiàn)機械化作業(yè)等缺點。目前國外一些礦山使用VCR法，如加拿大Whitehorse銅礦、美國Homestake金礦等使用，在其他礦山形成切割槽或回采礦柱時應用較多。

北京礦冶研究總院在VCR法深孔崩礦的基礎上，開發(fā)了束狀孔爆破技術方案。該方案在冬瓜山銅礦得到了很好的應用[12]。

2.4.2 垂直側向崩礦

垂直側向崩礦采用柱狀藥包全階段側向爆破，見圖4(b)。具有裝藥工藝簡單，成本低等特點。但其爆破能量利用率低，爆破效果差；爆破對采場穩(wěn)定性的破壞嚴重，容易產生堵孔或沖孔，所以該法單獨應用較少。

為了克服全階段側向崩礦的缺點，我國凡口鉛鋅礦、安慶銅礦、銅綠山銅礦等對該崩礦形式進行改進，先采用VCR法形成切割槽，作為爆破自由面，采用柱狀藥包自下而上逐層分段側向崩礦，見圖4(c)。通過控制崩礦高度和崩礦步距控制爆破規(guī)模。該法可減少爆破對采場壁的破壞，提高爆破效率，降低爆破成本，有利于采場周邊的孔控制爆破和留礦爆破。

圖4 深孔崩礦方式示意圖

2.5 裝藥結構

深孔裝藥結構有連續(xù)裝藥和間隔裝藥兩種結構。

冬瓜山銅礦束狀深孔采用連續(xù)裝藥，孔底用細砂填塞2.5 m，中間連續(xù)裝藥卷4 m，孔口用細砂堵塞3 m；邊孔采用間隔裝藥，孔底用細砂填塞2 m，中間每隔1 m裝藥卷，孔口用細砂堵塞3 m。

銅綠山銅礦根據(jù)圍巖硬度分別采用不同的不耦合裝藥結構，對軟巖區(qū)每個炮孔裝4包炸藥，炸藥裝填長度2.4 m，藥包之間用0.7 m長的竹筒間隔，孔底填塞長度1.5 m，孔口填塞長度1.8 m；對硬巖區(qū)，每個炮孔裝5包炸藥，炸藥裝填長度3 m，藥包間仍用0.7 m長的竹筒間隔，孔底填塞長度1.6 m，孔口填塞長度1.8 m[13]。

2.6 關鍵部位爆破工藝

2.6.1 采場爆破

為了提高爆破效率，美國Homestake金礦采用VCR法[7]，先起爆采場中央的炮孔，其余炮孔按菱形或同心圓順序起爆。這樣，每個炮孔都有兩個自由面，破碎體積最大，塊度最適中。當回采靠近頂板的礦體時，應該根據(jù)礦巖性質和采場尺寸進行嚴格的穩(wěn)定性分析，確定安全厚度。應控制爆破規(guī)模，采用分段多排微差爆破工藝。

2.6.2 采場邊界爆破

采場邊界一般采用光面爆破、加強松動爆破或減震爆破。

2.6.2.1 光面爆破

光面爆破是沿采場邊界鉆鑿一排孔，采用不耦合裝藥，在主體爆破前爆破，每個炮孔爆破產生切向拉應力，進而在炮孔連線上形成裂縫，從而形成一個光滑平整的巖壁。

安慶銅礦在多個采場進行了邊排孔光面爆破，爆破后采場幫壁平整，爆破效果良好[9]。

2.6.2.2 加強松動爆破

礦柱回采時兩側均為充填體，為保護充填體，邊排孔實行加強松動爆破。安慶銅礦礦柱回采采用加強松動爆破，采場爆破后，尾砂混入率為3%～5%，而采用加強松動爆破之前，采場尾砂混入率為7%～10%，因此，加強松動爆破對減弱爆破對兩側充填體破壞作用是有效的[9]。

2.6.2.3 減震爆破

為了減少對間柱的破壞，西班牙Rubiales礦在礦房邊界采用減震爆破[7]，將炸藥裝入一根直徑100 mm的塑料管內，塑料管與孔之間用砂子填塞。先在礦房中心用VCR法形成垂直切割槽，然后以切割槽為自由面進行倒梯段爆破?；夭傻V柱時，每側留1～2 m厚的礦壁，盡量減少爆破對充填體的破壞。殘留礦壁會隨著放礦時自行片落，可以回收。采礦場頂部和上下盤圍巖采用琴弦式錨索加固，進一步減少礦石貧化。

2.7 充填工藝

近幾十年來，國內外充填工藝已較為成熟。空場嗣后充填關鍵在于第一步礦房回采后充填體的穩(wěn)定，通常都采用膠結充填，以保證相鄰二步礦柱回采期間生產安全，二步礦柱采用廢石或全尾砂充填。國內一些礦山根據(jù)充填經(jīng)驗，在采場底部結構采用灰砂配比為1∶4 充填料漿高強度充填，正常充填采用灰砂配比為1∶10 充填料漿充填，充填接頂采用灰砂配比為1∶8 充填料漿充填。

Mount Isa礦曾使用各種各樣的充填方式，包括：①水砂充填料；②膠結水砂充填料，是由水砂充填料與水泥和細磨的銅反射爐爐渣的混合物構成；③塊石膠結充填料，是粉砂巖與膠結水砂充填料混合而成。采用混凝土砌筑或者采用木方加膠合板噴漿形成弧形擋墻，并布設脫水管。通過頂板專用充填孔、回風天井或聯(lián)絡天井充填，一般連續(xù)充填3 d后暫停充填，排出料漿中對于水分后再進行充填，28 d后達到1 MPa，養(yǎng)護4個月后進行相鄰采場回采工作。

冬瓜山銅礦，一步礦房采用尾砂膠結充填，二步礦柱采用全尾砂充填，采場底部結構傾斜，充填時容易發(fā)生擋墻倒塌，因此采用鋼筋混凝土結構擋墻，擋墻設有脫水管和充填觀察管，充填到擋墻高度時暫停充填進行養(yǎng)護，底部結構充填完畢后在采場中央通過充填鉆孔充填[10]。

3 礦山實例

3.1 澳大利亞Mount Isa礦

Mount Isa銅礦設計生產能力650萬t/a，礦區(qū)有9條平行的礦脈，走向長100～800 m，其中在Black Star有3條主要鉛鋅礦脈，厚度一般為10～45 m；在Rio Grand地區(qū)有4個銅礦體，其中1100#銅礦體是一個大型礦體，走向長2 500 m，礦體寬度300 m，厚度150～300 m。礦石及圍巖穩(wěn)固性較好。主要采用分段或階段空場充填嗣后充填法兩步驟回采。礦塊尺寸分別有40 m×40 m、30 m×30 m和20 m×20 m三種不同礦塊，中段高度60 m，分段高度10 m。采用上向扇形孔形成拉底，羅賓斯61R天井鉆機形成切割井。回采鑿巖采用Atlas Promec M177環(huán)形鉆機鉆鑿中深孔，炮孔直徑102 mm；在鑿巖硐室內采用Atlas 潛孔鉆機鉆鑿下向深孔，炮孔直徑140 mm。采用分次大爆破回采，遙控鏟運機出礦。采場回采完后采用一步膠結充填，二步非膠結充填。該礦綜合采礦成本65澳元/t，其中充填成本49.2澳元/t。

3.2 冬瓜山銅礦

冬瓜山銅礦礦體賦存-690～-1 007 m之間，緩傾斜一般10°左右，礦體沿走向長1 810 m，平均厚度34 m，最小厚度1.1 m，最大厚度100.67 m。采用大直徑深孔嗣后充填采礦法，礦體按盤區(qū)劃分，每個盤區(qū)20個采場，采場長50 m、寬18 m，高度為礦體厚度。采場沿走向布置，間隔回采，垂直礦體走向按“隔三采一”向兩翼推進?；夭设弾r采用Simba261潛孔鉆在鑿巖硐室鉆鑿下向垂直深孔，炮孔直徑Φ165 mm。采用乳化炸藥分次爆破，以切割槽和拉底層為自由面倒梯段側向崩礦，礦石采用EST-8B電動鏟運機裝運，殘留礦石用遙控鏟運機回收。嗣后充填采用掘進廢石與尾砂充填采場，充填料漿用充填管通過充填天井或殘留炮孔進入采場。盤區(qū)綜合生產能力2 400 t/d，鑿巖設備效率40 m/臺班，鏟運機出礦效率800 t/臺班，損失、貧化率8%，采切比80 m3/kt。

3.3 李樓鐵礦

安徽李樓鐵礦生產規(guī)模為750萬t/a。礦體平均厚度48.2 m，礦體傾角65～75°，礦床工程地質復雜程度中等偏復雜。采用分段鑿巖、階段出礦采礦方法，礦塊垂直礦體走向布置，礦塊分兩步回采，一步采和二步采的礦塊尺寸相同，礦塊高度100 m，礦塊寬度20 m，礦塊長度50 m，分段高度25 m。鑿巖采用Simba1354型液壓鑿巖臺車，臺年效率80 000 m。炮孔布置采用扇形孔，孔底距2.6～2.9 m，排距1.7 m。根據(jù)礦山實際統(tǒng)計，炮孔延米爆破量10 t/m，炸藥單耗0.45 kg/t，礦石貧化率9.42%，礦石損失率13.52%，礦石大塊率20%，采場生產能力2 000 t/d，礦山采礦成本104.14元/t。

4 結 語

隨著科學技術的發(fā)展，采礦設備大型化、自動化、高效化，采礦技術數(shù)字化、智能化的綠色礦山已經(jīng)成為新一代礦山發(fā)展的方向。我國還有很多礦山依賴于原有的廉價人力勞動，由于空場嗣后充填具有工藝簡單、成本低、勞動生產率高、環(huán)保等特點，還能應用高效采掘設備，便于自動化與信息化管理。因此，該方法值得在新建礦山或改造礦山優(yōu)先考慮。從我國實際情況出發(fā)，也應著重考慮新技術、新工藝推廣應用。如穩(wěn)步推廣先進機械設備以設備換人，琴弦式長錨索支護技術，充填料漿制備與輸送優(yōu)化。

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Discussion on mining technologies for open stoping with subsequent filling

WANG Xinrong1，XU Zenghe1，XU Hongliang2
(1.College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.Shenkan Qinhuangdao Engineering & Technology Co.，Ltd.，MCC Group，Qinhuangdao 066001，China)

The method of open stoping with subsequent filling is safety，high efficiency，environmental protection.Combined with the practical application of domestic and foreign mines，the application and present situation of the open stoping with subsequent filling is shown in the paper，and also introduced the stope structure parameters，the drilling and blasting technology，the filling method and the rock mechanics and any other mining technologies，and some domestic and foreign applications of the mine are also be introduced.It can be used as reference for the application of this method in any other mines.

back-filling；mining technology；mining preparation and cutting；drilling and blasting

2017-03-24 責任編輯：宋菲

王薪榮(1988-)，男，甘肅白銀人，博士研究生，E-mail：xinrongw0963@163.com。

TD853

A

1004-4051(2017)08-0099-05