多礦脈上向水平分層充填采礦法的優(yōu)化分析

石 勇

（金誠信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 101500）

上向水平分層充填采礦法是上向分層充填采礦法中的一種，與其對應(yīng)的還有一種采礦方法為上向傾斜分層填充采礦法，是礦產(chǎn)資源開采中常用的一種采礦方法，對開采工作面進(jìn)行分層開采，將礦石采出部分用填充物進(jìn)行填充，保證開采工作面的穩(wěn)定性和礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性。按照開采單元的大小，上向水平分層充填采礦法可分為礦塊上向分層充填采礦法和盤區(qū)上向分層充填采礦法，當(dāng)?shù)V房和間柱的布置是垂直于礦體走向時，多采用盤區(qū)上向分層充填采礦法，每個盤區(qū)包含多個礦房和間柱，并且一條斜坡道為一個盤區(qū)服務(wù)；當(dāng)?shù)V房和間柱的布置是沿著礦體走向時，多采用礦坑上向分層充填采礦法。按照采礦工作面中是否存在點柱，又可以將上向水平分層充填采礦法分為有點柱分層充填采礦法和無點柱分層充填采礦法，點柱的作用是用于支撐采礦空間頂板，其外形呈圓柱形或者方柱形，直徑在6m~9m之間。上向水平分層充填采礦法具有難度低、易實施、成本低等多個優(yōu)點，其適用于開采礦石、圍巖比較穩(wěn)固的礦體，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到礦產(chǎn)開采領(lǐng)域中。隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷加快，人們對于礦產(chǎn)資源的需求呈現(xiàn)出持續(xù)上升的狀態(tài)，目前大部分埋深淺、易開采的礦山資源已經(jīng)基本開采完畢，為了增加礦產(chǎn)資源儲備量，國內(nèi)加大了對多礦脈的開采力度，多礦脈地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有較大的開采難度，上向水平分層充填采礦法在實際應(yīng)用中，采礦頂板下沉量較大，嚴(yán)重威脅了采礦安全，為此提出多礦脈上向水平分層充填采礦法的優(yōu)化分析。

1 多礦脈上向水平分層充填采礦法的優(yōu)化設(shè)計

多礦脈是一種以板狀為主、礦體形狀不規(guī)則、圍巖穩(wěn)定性較差的礦床，并且經(jīng)常與礦床地層形成一定的角度，上向水平分層充填采礦法在對多礦脈開采實際應(yīng)用中，采礦參數(shù)、填充材料選取和配比仍然沿用普通礦床上向水平分層充填采礦方法，并沒有考慮到多礦脈開采需求和地質(zhì)特點，這也是上向水平分層充填采礦法應(yīng)用過程中采礦頂板嚴(yán)重下沉的主要原因。針對多礦脈地質(zhì)特征和開采需求，對上向水平分層充填采礦法進(jìn)行優(yōu)化分析，主要是對采礦參數(shù)和填充材料方面優(yōu)化，下文將重點對該兩方面進(jìn)行優(yōu)化分析。

1.1 多礦脈上向水平分層充填采礦參數(shù)優(yōu)化

在一般情況下，上向水平分層充填采礦方法在應(yīng)用過程中，采場的寬度為18m，采場的長度為75m。該采礦參數(shù)的選取是在礦床地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，可以搭建過寬或者過長的采場，但是多礦脈地質(zhì)結(jié)構(gòu)多受到斷裂、褶皺、斷層等構(gòu)造影響，導(dǎo)致多礦脈地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極差，如果采場寬度、長度等采礦參數(shù)取值過大，將會出現(xiàn)塌陷、采礦頂板下沉等現(xiàn)象[1]。根據(jù)以上分析，多礦脈上向水平分層充填采礦參數(shù)優(yōu)化是主要優(yōu)化內(nèi)容。為了確定準(zhǔn)確的開采參數(shù)，需要對多礦脈礦柱安全系數(shù)進(jìn)行計算分析，其計算公式如下：

公式（1）中，L 為礦柱抗壓強度，多礦脈礦柱抗壓強度為65MPa；D 為采場寬度；H 為采場長度。將采場寬度取值為13 m、14 m、15 m、16 m、17m，采場長度取值為50m、55 m、60 m、65 m、70 m帶入上述公式中，分別計算出不同采場參數(shù)下，多礦脈礦柱的安全系數(shù)，計算結(jié)果分別為2.3K、2.5 K、2.1 K、2.0 K、1.8 K。根據(jù)多礦脈礦柱的安全系數(shù)計算結(jié)果，將多礦脈上向水平分層充填采礦參數(shù)優(yōu)化，將采場寬度調(diào)整為8-12m，采場長度調(diào)整為55m，以此完成多礦脈上向水平分層充填采礦參數(shù)優(yōu)化。

1.2 多礦脈上向水平分層充填采礦法填充材料優(yōu)化

上向水平分層充填采礦法的填充材料主要以分級尾砂為主，分級尾砂原料主要來源于礦山開采的廢渣和廢料中，通過對廢舊砂石進(jìn)行分級，選取出37um以下的物體作為填充材料[2]。在一般普通礦山開采中，以分級尾砂作為主要填充材料，就可以滿足對礦產(chǎn)工作面的支撐需求。但是多礦脈地質(zhì)結(jié)構(gòu)不規(guī)則，顆粒直徑比較小的分級尾砂抗壓強度比較低，物理性能較弱，并不能滿足多礦脈工作面支撐需求，因此需要對填充材料進(jìn)行優(yōu)化。與分級尾砂對應(yīng)的是全尾砂，全尾砂是沒有經(jīng)過分級的礦石材料，其粒級比分級尾砂大，物理性能方面要優(yōu)于分級尾砂，下表為分級尾砂填充物與全尾砂填充物物理性能對比。

表1 分級尾砂填充物與全尾砂填充物物理性能對比

從上表中可以看出，全尾砂礦壓強度要優(yōu)于分級尾砂，因此在多礦脈上向水平分層填充開采中將分級尾砂填充材料更改為全尾砂，提高填充物的物理性能[3]。除此之外，為了使填充物的抗壓強度更高，還需要對填充物的配比進(jìn)行優(yōu)化[3]。傳統(tǒng)填充材料配比為：尾砂、水泥、水、減水劑的比例為6:2:1：1,這種配比配置的填充物擴展度為250mm,塌落度為140mm，抗壓強度為19.8PMa,《多礦脈采礦技術(shù)規(guī)范》中要求填充材料的塌落度在130±15mm，擴展度在100±45mm，抗壓強度不得低于40 PMa，由此可以看出傳統(tǒng)填充材料配比并不滿足多礦脈采礦技術(shù)要求。據(jù)有關(guān)研究資料中闡述，填充材料的抗壓強度、擴展度以及塌落度與水泥摻量有關(guān)，因此選取三種不同水泥配比，測試填充材料的物理性能[4]。測試結(jié)果顯示：尾砂、水泥、水、減水劑比例為5:3:1：1，填充材料擴展度為100mm,塌落度為80mm，抗壓強度為24.6PMa；尾砂、水泥、水、減水劑比例為4:4:1：1，填充材料擴展度為80mm,塌落度為50mm，抗壓強度為45.4PMa；尾砂、水泥、水、減水劑比例為3:5:1：1，填充材料擴展度為150mm,塌落度為130mm，抗壓強度為21.9PMa。根據(jù)以上測試結(jié)果，將多礦脈上向水平分層填充材料配比優(yōu)化為：尾砂、水泥、水、減水劑比例為4:4:1：1。

此外在填充材料制作過程中，添加適量藥劑，可以使填充材料質(zhì)量濃度為70%的全尾砂漿沉降特性得到明顯的改善，同時在每立方米中70%的質(zhì)量濃度的全尾砂漿中增加藥劑也可使清濁界面得到快速的沉降。再向立式砂倉中添加適量的藥劑可以實現(xiàn)砂漿的動態(tài)沉降，實現(xiàn)在輸入砂漿的過程中，將填充材料完全溢出填充，從而有效控制采礦頂板的下沉。通過以上對采礦方法的調(diào)整，實現(xiàn)多礦脈上向水平分層填充采礦法的優(yōu)化。

2 實驗

2.1 實驗設(shè)計

實驗以某多礦脈為實驗對象，該礦脈面積約4562m2，長度約268m，礦體深度為1168m~1545m，礦山內(nèi)含豐富的銅、金、鐵等礦產(chǎn)資源，礦石類型以石英脈型為主，次為硅質(zhì)巖型和花崗斑巖型，開采難度比較大。實驗分別使用傳統(tǒng)上向水平分層填充采礦與優(yōu)化后的采礦法進(jìn)行采礦，礦洞填充材料分別選取分級尾砂和全尾砂，填充材料按照上文提出配比進(jìn)行調(diào)配，開采過程中記錄開采頂板的下沉情況。

2.2 實驗結(jié)果分析

實驗以采礦頂板下沉量作為實驗結(jié)果，隨機選取十個采礦區(qū)域頂板下沉數(shù)據(jù)，對優(yōu)化前后多礦脈上向水平分層填充采礦法進(jìn)行對比，實驗結(jié)果如下表所示。

表2 優(yōu)化前后采礦頂板下沉量（mm）對比

從上表中可以看出，應(yīng)用優(yōu)化后的多礦脈上向水平分層填充采礦法采礦頂板下沉量明顯低于優(yōu)化前，傳統(tǒng)采礦法采礦頂板下沉量在2.15m~6.85mm之間，平均下沉量為4.12mm，而優(yōu)化后的采礦方法頂板下沉量在0.09~0.14范圍內(nèi)，平均下沉量為0.11mm，實驗證明了此次提出的優(yōu)化方案具有良好的實用性，可以有效解決采礦頂板的下沉問題。

3 結(jié)束語

上向水平分層充填采礦法的應(yīng)用對多礦脈或者其他復(fù)雜礦脈開采質(zhì)量具有重要作用，本文針對目前現(xiàn)有的上向水平分層充填采礦方法中的缺點和不足，對其進(jìn)行合理優(yōu)化，改善其在多礦脈開采應(yīng)用中采礦頂板下沉量較大的問題，有效保障了多礦脈開采安全，并且可以在一定程度上提高多礦脈采礦工程的質(zhì)量和礦產(chǎn)資源的利用率。但在該采礦方法中仍然存在其他某些方面的問題，制約著多礦脈采礦的效率和速度。因此，還需不斷對上向水平分層充填采礦法進(jìn)行優(yōu)化研究，從而提高對礦產(chǎn)資源的利用率，使多礦脈采礦工程更加規(guī)范化，促進(jìn)采礦企業(yè)的發(fā)展。