機(jī)械化盤區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法在阿舍勒銅礦的應(yīng)用

萬(wàn)仕明 潘澤 王立 王卓

（①新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司 哈巴河 8367001 ②江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 贛州 341000 ③西北礦冶研究院生態(tài)環(huán)境檢測(cè)研究所白銀 730900）

1 概況

目前阿舍勒銅礦700m以上礦巖極其破碎，易發(fā)生冒落，很難適用于用其他比較經(jīng)濟(jì)的采礦方法回采，采用進(jìn)路采礦比較經(jīng)濟(jì)合適。現(xiàn)有的沿著礦體走向布置進(jìn)路的采礦方法展現(xiàn)出暴露面積大、頂板易垮落、支護(hù)工程量大、暴露時(shí)間長(zhǎng)、維護(hù)多、回采時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)高、充填接頂不嚴(yán)密、相鄰進(jìn)路開采時(shí)空區(qū)跨度加大、回采作業(yè)面溫度高、通風(fēng)困難等特點(diǎn)，使得現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件差，嚴(yán)重影響生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)以上問(wèn)題，為保證650m 中段采區(qū)生產(chǎn)規(guī)模，在基建期，阿舍勒銅礦擬在700m中段以上進(jìn)行盤區(qū)機(jī)械化上向分層充填采礦法試驗(yàn)，但在進(jìn)行相關(guān)穿脈工程施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)750m 中段礦體不穩(wěn)固，因此臨時(shí)調(diào)整為從767m 分段開始進(jìn)行機(jī)械化盤區(qū)下向分層進(jìn)路充填采礦法試驗(yàn)。利用巖體穩(wěn)固性和自承載性，通過(guò)合理的優(yōu)化回采方案及充填方案，進(jìn)路順利回采，有效地解決支護(hù)和維護(hù)成本高、回采時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)高、回采作業(yè)面溫度高等“三高”問(wèn)題，該技術(shù)的成功應(yīng)用為指導(dǎo)進(jìn)路采礦回采有著關(guān)鍵性的意義。

2 礦床地質(zhì)特征

阿舍勒銅礦區(qū)位于阿爾泰優(yōu)地槽褶皺系，礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，特別是阿舍勒組中斷裂密度更大，斷裂有南北向、北西向和北東向三組，前兩組斷裂交匯部位控制了古火山機(jī)構(gòu)的產(chǎn)出和次火山巖體的空間分布[1]。巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，并且多種有用元素相互共生、伴生，成礦作用明顯。

阿舍勒礦區(qū)內(nèi)出露地層有3個(gè)組，阿舍勒組在這3個(gè)組中屬于主要的賦礦層位，它自下而上分為3個(gè)巖性段，代表了火山噴發(fā)亞旋回。其中阿舍勒組則是以酸性、中酸性火山碎屑巖為主的雙峰式巖套，成礦作用發(fā)生在每次火山噴發(fā)衰減期。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造線平面上展現(xiàn)為反S型，其中北部和南部構(gòu)造線轉(zhuǎn)為北西向，表現(xiàn)出與區(qū)域構(gòu)造線基本一致性。從阿舍勒組到紅山嘴組礦區(qū)內(nèi)地層褶皺表現(xiàn)為：緊閉的線型褶皺→較開闊的線性褶皺→開闊的等斜褶皺，其強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸變?nèi)醯内厔?shì)，說(shuō)明阿舍勒礦床在成礦后至少經(jīng)歷了三次構(gòu)造變形。線型褶皺大多南部緊閉，北部開闊，軸面向東陡傾，而且向斜東翼和背斜西翼常倒轉(zhuǎn)，阿舍勒礦床就分布在礦區(qū)中部的倒轉(zhuǎn)向斜中。

3 礦體特征

阿舍勒礦床由4個(gè)礦體組成。其中，1號(hào)礦體是主礦體，礦體走向控制長(zhǎng)843 m，傾伏長(zhǎng)1250m，厚5～120m，具有四周薄中間厚，在橫剖面上呈魚鉤形，單體規(guī)模大，集中了已探明的銅金屬儲(chǔ)量的98%等特點(diǎn)[2]。其上部為似層狀、塊狀硫化物礦體，塊狀硫化物礦體由厚薄不一、大致平行的硫化物礦層組成，與地層整合產(chǎn)出，共同發(fā)生褶皺彎曲；下部為細(xì)脈狀、網(wǎng)脈狀和浸染狀礦體與地層斜交產(chǎn)出，因此，阿舍勒礦床具有雙層結(jié)構(gòu)。阿舍勒礦床具有火山噴氣-沉積成因塊狀硫化物礦床的典型特征，以火山噴氣—沉積成因?yàn)橹鞑⒃谏稀⑾虏煌h(huán)境中經(jīng)歷后期變質(zhì)熱液疊加改造相繼堆積形成的塊狀硫化物銅礦床，礦體埋藏較深。

4 采礦方法

機(jī)械化盤區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法其本質(zhì)就是[3]：以鋪設(shè)錨網(wǎng)、吊掛膠結(jié)充填體作為人工假頂，人員與機(jī)械在人工假頂?shù)谋Ｗo(hù)下進(jìn)行下向分層進(jìn)路掘進(jìn)式采礦；自上而下分層回采和逐層進(jìn)行充填，回采作業(yè)設(shè)備采用BM281 鑿巖臺(tái)車、噴漿臺(tái)車、錨桿臺(tái)車、裝藥服務(wù)車、WJ-2.0 型鏟運(yùn)機(jī)等，形成一條完整的、高效的機(jī)械化作業(yè)生產(chǎn)線。該采礦方法的主要特點(diǎn)包括[4]：⑴實(shí)現(xiàn)了大型無(wú)軌設(shè)備高效采礦；⑵在礦巖穩(wěn)定性極差的情況下，改原來(lái)上向采礦為下向分層采礦，改變作業(yè)環(huán)境；⑶解決了水平進(jìn)路充填工藝，具有礦石貧化損失小、回采率高、采礦作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)[5]。

5 采礦工藝

5.1 礦塊布置

阿舍勒銅礦礦體厚度約10-15m，采場(chǎng)進(jìn)路沿礦體走向布置，長(zhǎng)50m，中段高50m，中段內(nèi)劃分為3個(gè)分段，每個(gè)分段高16-17m，再將每個(gè)分段劃分為5個(gè)回采分層，采用上坡3層，下坡2層的回采方式進(jìn)行回采，每個(gè)分層高3m。在每個(gè)分段距礦體20m 左右的下盤圍巖內(nèi)布置一條脈外分段平巷，分段平巷與主斜坡道相通，在采場(chǎng)走向的中部，從分段平巷垂直于礦體布置轉(zhuǎn)層聯(lián)絡(luò)道施工至礦體位置，再施工切割平巷并穿透礦體，回采進(jìn)路待切割平巷施工到位后，再根據(jù)地質(zhì)人員對(duì)礦體二次圈定情況進(jìn)行回采進(jìn)路布置。

5.2 采準(zhǔn)切割工程

采準(zhǔn)切割工程包括：分段平巷、礦石溜井、回風(fēng)井、充填井、泄水井、轉(zhuǎn)層聯(lián)絡(luò)道(3.5mx3.2m，1/4三心拱)及垂直礦體走向從礦體下盤掘進(jìn)的切割平巷(3.5mx3.2m，矩形斷面)。

5.3 回采工藝

（1）支護(hù)工藝：由于回采區(qū)域巖石比較破碎，必須在分段平巷開口位置采用Φ18*3m 螺紋鋼施工鎖口錨桿，然后才開始掘進(jìn)巷道，巷道施工要求短掘短支，控制好進(jìn)尺，以防因進(jìn)尺過(guò)大導(dǎo)致頂板脫落。轉(zhuǎn)層聯(lián)絡(luò)道為廢石段采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨網(wǎng)采用Ф6.5鋼筋網(wǎng)片(@100*100)，并采用Ф22 單層螺紋鋼拱架、Ф40管縫式錨桿固定錨網(wǎng)，鋼拱架間距為80cm，全斷面噴砼。如果廢石段巷道圍巖不穩(wěn)固地段要加強(qiáng)支護(hù)，則巷道斷面更改為3.5m×3.2m（矩形斷面）采用工字鋼支護(hù)，邊幫采用錨網(wǎng)噴砼進(jìn)行支護(hù)，切割平巷為礦石段采用鋼支護(hù)。鋼支護(hù)時(shí)，采用I30-工字鋼門架式支護(hù)，要求搭接處必須焊接牢固，焊縫飽滿，工字鋼腿窩必須挖至實(shí)底處，工字鋼腿與梁搭接處需采用斜撐焊接，工字鋼橫梁之間采用Φ18 螺紋鋼連筋固定，梁與頂板有空隙處用木楔楔緊，邊邦采用預(yù)制水泥背板鑲實(shí)[6]。

圖1 工字鋼超前支護(hù)

（2）鑿巖爆破：鑿巖設(shè)備采用BM281 鑿巖臺(tái)車或YT-28 型氣腿式鑿巖機(jī)，爆破材料為2#巖石乳化炸藥和普通毫秒導(dǎo)爆管雷管爆破。同時(shí)嚴(yán)格控制進(jìn)尺，按照“短掘短支”相關(guān)要求進(jìn)行施工，確保作業(yè)人員不在裸巖下作業(yè)。為減少爆破影響，在礦巖破碎地段可采用布魯克機(jī)器人輔助掘進(jìn)，確保施工進(jìn)度和安全。

（3）出礦：回采時(shí)由采場(chǎng)上盤從兩翼向中央后退順序回采，在切割平巷口收層砌筑充填擋墻，回采進(jìn)路斷面為矩形斷面，規(guī)格為3.5mx3.2m。

（4）采場(chǎng)通風(fēng)：在礦井中新鮮風(fēng)流通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)由各中段副井石門及主斜坡道進(jìn)入下盤脈外巷道，隨之進(jìn)入回采進(jìn)路，保障了井下采場(chǎng)通風(fēng)，污風(fēng)由上盤回風(fēng)平巷經(jīng)回風(fēng)井排出地表，構(gòu)成一套完整的循環(huán)系統(tǒng)[7]。

表1 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

6 充填材料配比優(yōu)化選擇

為滿足礦山應(yīng)用機(jī)械化盤區(qū)下向分層進(jìn)路充填采礦法對(duì)充填體強(qiáng)度的要求，在室內(nèi)進(jìn)行了充填材料配比的強(qiáng)度試驗(yàn)[8]，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)充填料漿質(zhì)量濃度為75%，灰砂比為1：4、1：6、1：8、1：10，試件采用70.7×70.7×70.7mm的規(guī)格。在澆筑24h后拆除模具，將所有的試件進(jìn)行編號(hào)并放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)箱溫度控制在20.2℃范圍內(nèi)，相對(duì)濕度控制在90%以上。該養(yǎng)護(hù)箱型號(hào)為HBY-40B 恒溫恒濕混凝土養(yǎng)護(hù)箱，具有操作簡(jiǎn)單，能夠智能化的調(diào)節(jié)溫度和濕度，保證養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)的溫差更少，溫度更加均勻穩(wěn)定等特點(diǎn)。最后將每塊試件按照不同養(yǎng)護(hù)期齡進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表2。在單軸壓縮破壞試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)試件應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，表現(xiàn)出相對(duì)明顯的延性。而試件破壞后，表現(xiàn)為張拉破壞沿加載方向裂紋較發(fā)育。

圖2 充填體試樣制備裝置

表2 戈壁集料膠結(jié)充填料室內(nèi)配比試驗(yàn)結(jié)果

按照不同期齡對(duì)相同配比試件的單軸抗壓強(qiáng)度求取平均值，如表3所示。

表3 戈壁集料膠結(jié)充填料室內(nèi)配比試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表3配比試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著充填料漿灰沙比的增大，同一時(shí)間內(nèi)試件單軸抗壓強(qiáng)度減小，對(duì)于同一灰沙比，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)試件的單軸抗壓強(qiáng)度也隨之增大。故在進(jìn)行充填時(shí)分上下兩部分，達(dá)到充填要求下部1.5m左右采用1：4料漿，而進(jìn)路上部充填體在滿足規(guī)定下抗壓強(qiáng)度可適當(dāng)降低，減少水泥耗量，降低充填成本，故上部采用灰沙比為1：8的充填料漿進(jìn)行膠結(jié)充填，充填料漿濃度約為75%。

隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，膠結(jié)充填工藝漸漸的被越來(lái)越多的礦山采用，解決了礦山的許多技術(shù)問(wèn)題，如“采富保貧”，“三下開采”，降低礦石貧化率和損失率，防止內(nèi)因火災(zāi)，減緩巖爆的發(fā)生等[9]。正因膠結(jié)充填技術(shù)的出現(xiàn)與不斷發(fā)展，使得該工藝已經(jīng)成為當(dāng)今深井開采的主要方法，代表著充填技術(shù)的發(fā)展方向。

（1）地網(wǎng)鋪設(shè)：在每條進(jìn)路充填時(shí)，先對(duì)進(jìn)路底板粉礦進(jìn)行清理，使整個(gè)底板保持平整，再鋪設(shè)鋼筋地網(wǎng)，地網(wǎng)采用Ф6.5鋼筋網(wǎng)片(@100*100)，地網(wǎng)距底板約0.3m高，并用鋼筋焊接固定，使鋼筋網(wǎng)懸掛緊固平整。

圖3 鋼筋地網(wǎng)鋪設(shè)

（2）擋墻砌筑：在切割平巷進(jìn)路開口位置處砌筑厚度為600mm 的紅磚擋墻，在擋墻中部預(yù)留500mm寬縫隙，以便人員進(jìn)入懸掛充填管以及安裝脫水管。擋墻砌筑完畢后，對(duì)擋墻內(nèi)外全部噴漿密實(shí)，防止充填滲漿。在充填時(shí)，根據(jù)充填高度，采用木板由下向上逐層隔塞，并在切割平巷下盤適當(dāng)位置堵緩沖壩，防止充填水滲流。

（3）充填接頂：為了使下向分層進(jìn)路充填盡量接頂，需將充填管緊貼頂板安裝，由里向外依次分段充填，同時(shí)攪拌好的充填料漿可通過(guò)充填管網(wǎng)自流輸送至井下采空區(qū)充填。

圖4 充填擋墻

7 效果評(píng)價(jià)

（1）新疆阿舍勒銅礦采用下向分層進(jìn)路充填采礦方法，在767m 分段6 勘探線以北的高品位礦段應(yīng)用，生產(chǎn)規(guī)?？蛇_(dá)180t/d，實(shí)現(xiàn)了高效生產(chǎn)。

（2）針對(duì)進(jìn)路礦房頂板為易松散冒落礦石，可根據(jù)充填體頂板調(diào)整巷道寬度，與上一層巷道邊界錯(cuò)開一半，第二條開始每條進(jìn)路掘進(jìn)控制巷道寬度，使每條進(jìn)路與頂板巷道邊界錯(cuò)開一半，到下一層掘進(jìn)時(shí)再進(jìn)行調(diào)整，使上下巷道形成“品”字型，大大減少了頂板壓力，同時(shí)也減少鋼支護(hù)。

（3）采用盤區(qū)機(jī)械化下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法回采阿舍勒銅礦767m分段礦體，礦石損失貧化率降低到15%以下，極大限度地回收礦石，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)語(yǔ)

圖5 阿舍勒銅礦機(jī)械化盤區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法

（1）機(jī)械化盤區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)能力較小、同時(shí)損失率與貧化率最低等特點(diǎn)。阿舍勒銅礦面對(duì)松散礦巖采用該采礦方法有效的解決針了中段存在的不穩(wěn)固復(fù)雜難采礦體，同時(shí)為其他礦山提供技術(shù)借鑒。

（2）采用鋼筋吊掛膠結(jié)充填體作為空區(qū)頂板，嚴(yán)格控制掘進(jìn)尺寸，依照“短掘短支”相關(guān)要求進(jìn)行施工，確保作業(yè)人員、設(shè)備不在裸巖下作業(yè)，保障了作業(yè)安全，改善了作業(yè)環(huán)境，勞動(dòng)效率也有效提高。

（3）通過(guò)充填材料配比試驗(yàn)，在符合充填要求的原則下選擇經(jīng)濟(jì)效益較高的材料配比進(jìn)行戈壁集料膠結(jié)充填，充填結(jié)果表明充填體整體性好，能夠滿足下向進(jìn)路充填采礦法，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）隨著采礦裝備的不斷發(fā)展與進(jìn)步，以高效生產(chǎn)、安全第一為原則的機(jī)械化盤區(qū)下向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，其機(jī)械化程度將不斷提高與改進(jìn)，最終達(dá)到通過(guò)高效的工程管理，實(shí)現(xiàn)工程優(yōu)質(zhì)的預(yù)期目標(biāo)。