機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法在嵩縣山金的應(yīng)用

于曙華 馬章印 張亞鵬

摘要：嵩縣山金深部礦體較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育程度高，圍巖穩(wěn)定性較差。針對其采用上向水平進路充填采礦法存在開采難度大、采礦損失貧化嚴(yán)重、支護困難、采礦成本高等難題，開展了機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法試驗應(yīng)用。采準(zhǔn)方式為下盤脈外運輸巷道和斜坡道相結(jié)合，采場自上而下進路開采，并采用鑿巖臺車鉆鑿炮孔，極大地提高了礦山的機械化程度。生產(chǎn)實踐表明：采用機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法開采每噸礦石的成本比上向水平進路充填采礦法低6.1元，經(jīng)濟效益較好，且該方法機械化程度高、采礦效率高、采礦成本低、安全性好、開采破碎礦體的難度低，具有較好的推廣意義。

關(guān)鍵詞：破碎礦體;機械化;盤區(qū);下向進路;充填采礦法;經(jīng)濟效益

中圖分類號：TD853.34文章編號：1001-1277（2021）10-0043-06

文獻標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20211009

引 言

嵩縣山金礦業(yè)有限公司（下稱“嵩縣山金”）位于河南省洛陽市，是山東黃金集團有限公司的重點骨干企業(yè)。隨著開采深度的增加，地壓作用顯現(xiàn)，原有單一的上向水平進路充填采礦法已不能滿足安全高效回采需求。針對礦山下部破碎礦體開采技術(shù)難題，同時在礦山行業(yè)大力發(fā)展機械化和自動化采礦的新形勢下，原有的傳統(tǒng)手抱鉆等低效率、低安全度的采出設(shè)備已不適合當(dāng)前生產(chǎn)形勢。因此，如何將機械化設(shè)備與井下采礦工藝相結(jié)合，保證井下安全、高效采掘作業(yè)[1-3]，是嵩縣山金亟待解決的難題。

2019年以來，嵩縣山金對采礦工藝進行了綜合優(yōu)化研究，開展了機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法探索[4-7]和生產(chǎn)實踐[8-11]。本文詳細(xì)介紹了機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法的盤區(qū)布置及采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、采準(zhǔn)工程、落礦、出礦，以及充填與假底施工工藝，并對礦山應(yīng)用該采礦方法時存在的問題進行了分析，提出了下一步工作展望。

1 工程背景

嵩縣山金M2礦體平均厚度11 m，平均品位5.09 g/t，傾向290°，傾角55°，位于主礦體下盤6 m處，主礦體為構(gòu)造角礫巖，嚴(yán)格受構(gòu)造控制，上盤圍巖為碎裂巖，下盤圍巖為蝕變英安巖。工程地質(zhì)揭露情況表明，礦區(qū)60 m以下中段的礦巖條件明顯較淺部中段差，破碎程度有所增加，特別是在1勘探線—2勘探線，礦體極為破碎，現(xiàn)有采礦方法存在開采難度大、支護成本高、采礦損失率大及頂板安全風(fēng)險高等諸多不利因素。

2 機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法

2.1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

嵩縣山金機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法利用各中段現(xiàn)有開拓和采準(zhǔn)工程，每個分段分為3層回采，即上向、平層、下向，分層高度4.0 m。采場一般沿礦體走向布置，采場長度一般為40～60 m，礦房長度為20～30 m，進路寬度不超過4.0 m，較為適用于破碎礦體開采[12]。

2.2 采準(zhǔn)工程

采準(zhǔn)方式為下盤脈外運輸巷+斜坡道，相鄰兩分段的脈外運輸巷用斜坡道連通。每個分段布置3條盤區(qū)礦石溜井，每個采場有1條脈外充填回風(fēng)井與上下中段連通。采場自上而下進路回采。由脈外運輸巷向礦體方向施工采場聯(lián)巷至礦體上盤，聯(lián)巷側(cè)幫與脈外充填回風(fēng)井貫通，聯(lián)巷低洼處施工沉淀池，沉淀池內(nèi)架設(shè)風(fēng)泵，方便采場積水隨時排出。各分層采場聯(lián)巷錯位布置，進路回采從采場聯(lián)巷向南北分別回采。

工業(yè)化試驗選擇在0957采場進行，其下向采場進路布置見圖1～3。

2.3 回 采

1）落礦。在回采采場內(nèi)采用CYTJ45B鑿巖臺車進行鑿巖，孔徑43 mm。為使回采時不破壞充填體，減小采礦損失貧化，礦房回采時，不以充填體為自由面進行落礦。對一步驟和二步驟回采進行爆破設(shè)計，炮孔布置分別見圖4和圖5，礦房內(nèi)采用菱形大直徑空孔中掏槽，孔深2.5 m。采用巖石膨化硝銨炸藥，毫秒微差起爆。

CYTJ45B鑿巖臺車具有外形尺寸小、轉(zhuǎn)彎半徑小、節(jié)約能源、噪聲低、效率高等優(yōu)點，其性能參數(shù)見表1。2）通風(fēng)與出礦。采用局扇進行采場通風(fēng)。通風(fēng)完成后，采場配備2 m3鏟運機將采場礦石轉(zhuǎn)運至采場溜井，完成采場出礦過程。

2.4 充填與假底施工

2.4.1 充填配比試驗

采用分級尾砂作為充填骨料，C料作為膠固料進行膠結(jié)充填，充填濃度72 %，由于嵩縣山金的尾砂較細(xì)，直徑50 mm沉砂嘴分級尾砂-74 μm約占36 %，直徑60 mm沉砂嘴-74 μm約占40 %。采幅小于4 m，充填假底厚度為1.0 m時，要求最終養(yǎng)護強度不低于6.0 MPa;充填假底厚度為1.6 m時，要求最終養(yǎng)護強度不低于3.0 MPa;基礎(chǔ)充填體最終養(yǎng)護強度要求不低于1.0 MPa。

為進一步提高嵩縣山金分級尾砂膠結(jié)充填體強度，該礦山聯(lián)合C料廠家，改變C料配比，經(jīng)多次試驗后，不同配比、不同齡期的充填體強度都有了大幅度提升。充填實驗室C料配比改進后與不同沉砂嘴分級尾砂的試驗結(jié)果見表2。

由表2可知：45沉砂嘴、充填濃度為72 %時，灰砂比1∶7養(yǎng)護21 d的充填體抗壓強度為6.55 MPa，養(yǎng)護28 d的充填體抗壓強度為6.12 MPa?？紤]到現(xiàn)場數(shù)據(jù)和實驗室數(shù)據(jù)存在誤差，井下假底采用灰砂比1∶6充填，充填厚度1.0 m，基礎(chǔ)充填體采用灰砂比1∶14充填，抗壓強度滿足要求。

除了在充填實驗室做充填體抗壓強度試驗外，在井下作業(yè)現(xiàn)場采用水電鉆假頂取樣、預(yù)埋模具取樣、充填時三通閥門取樣等多種方式，檢驗井下充填體強度，均滿足下向進路充填采礦假頂強度需求。

2.4.2 假底施工

下向進路假底構(gòu)筑工藝直接影響人工假頂?shù)膹姸群头€(wěn)定性，而且其工藝相對復(fù)雜、要求高，必須按照設(shè)計要求，保證質(zhì)量。

1）預(yù)留碎礦墊層和鋪設(shè)塑料薄膜。進路回采結(jié)束后進行人工平場，將進路或分層道底板殘留礦石扒平，使底板縱橫向平整，底板留有厚200 mm的碎礦墊層，再在碎礦墊層上鋪蓋一層塑料薄膜，塑料薄膜鋪在進路底板上，緊貼進路四周，邊緣向上折起0.2 m。

碎礦墊層可保證下分層回采炮孔與人工假頂間距離，對爆破沖擊波有良好的吸收、減弱作用，減少鑿巖及爆破對人工假頂?shù)钠茐?，也防止了人工假頂冒落造成的礦石貧化。鋪設(shè)的塑料薄膜可防止打底充填時將碎礦膠結(jié)，避免礦石損失，而且可使下分層回采假頂平整、光滑、密實，不需再處理頂板，簡化了工藝。

采場聯(lián)巷在充填換層之前，需在本分層聯(lián)巷與下分層聯(lián)巷交接的三角位置區(qū)，鋪設(shè)碎石墊層及塑料薄膜，碎石上面為人工假頂，用碎石補償下層采聯(lián)空間，以解決采場聯(lián)巷換層后頂板過高造成的安全隱患。

2）鋪底筋網(wǎng)。下向充填采礦第一分層是承載的關(guān)鍵，采用錨桿將應(yīng)力傳至穩(wěn)固圍巖中，實現(xiàn)極破碎圍巖中長錨桿懸吊承載作用。其他分層在進路靠近上下盤圍巖距底板1 m高度上，每隔0.9 m鉆鑿1個深0.8～1.5 m的下向傾斜孔（10°～20°）并安裝錨桿，錨桿長度根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況確定，桿體鉤朝外露0.3 m，錨桿外露部分與底筋網(wǎng)中直徑為12 mm的豎筋沿走向連接起來，以提高人工假頂?shù)恼w強度。

在塑料薄膜上鋪設(shè)底筋網(wǎng)，底筋網(wǎng)主筋12 mm，副筋12 mm，網(wǎng)度300 mm×300 mm;主筋、副筋必須交叉編制，相交處用16#鐵絲纏繞加固。若相鄰側(cè)依然為礦體時，需要在礦體一側(cè)多0.5 m主筋用于相鄰底筋網(wǎng)搭接。

側(cè)幫為充填體時，將其假底預(yù)留的橫筋全部揭露，纏繞搭接或焊接牢固，采用焊接時，必須保證縱筋平直焊接，平直焊接長度不小于50 mm，接頭埋入充填體內(nèi);側(cè)幫為礦體時，將預(yù)留的0.5 m橫筋緊貼實幫豎立起來;側(cè)幫為圍巖時，須在距底板高1 m的巖體中鉆孔并鑲?cè)脲^桿，孔距0.9 m，孔深0.8～1.5 m，上（下）盤進路主筋與錨桿焊接。每根錨桿上焊接3根鋼筋。

3）鋼筋吊掛。吊筋沿兩幫副筋布置，上端與頂板鋼筋網(wǎng)連接，下端與底板鋼筋網(wǎng)連接，間距2.0 m。

2.4.3 管路架設(shè)及溢流槽施工

采場內(nèi)敷設(shè)充填管及排氣管各1根，充填管頭置于進路端部5 m處，充填管緊貼礦房頂板吊掛（見圖6），在進砂管路側(cè)面（并且必須在側(cè)面）每3 m切割或鉆鑿1個放砂口，采場任何一點距離放砂口（含管口）的距離不得超過5 m，從而形成多點均勻排砂，以提高充填面平整度。

排氣管采用壁厚3 mm，承壓0.3 MPa的DN76塑料管，為保證下分層充填接頂，在采場鋪設(shè)假底時，端部退回5 m處放置1個鐵桶（廢油桶）與鋼筋網(wǎng)焊接牢固，形成人工溢流槽。下分層回采過程揭露上分層預(yù)留的溢流槽，充填時將排氣管吊掛其中，以便充填接頂。

2.4.4 采場充填

采場回采出礦完畢后，對采空區(qū)進行膠結(jié)充填。以C料作為膠凝材料，分級尾砂作為充填骨料，料漿濃度72 %，料漿由主充填管路接至中段充填管路井，然后充入采場，經(jīng)過一段時間的脫水、養(yǎng)護后達到一定強度，從而起到穩(wěn)定采場的作用。其主要流程為：平場→鋪碎石→鋪塑料薄膜→鋪底筋網(wǎng)→管路吊掛→架設(shè)充填擋墻→假底充填→采場充填。

充填管路：上中段主充填管路→充填回風(fēng)井上部分→采場。充填分3次進行，每次間隔≥8 h。井下充填人員每隔10～15 min巡查1次，觀察管路是否正常及充填情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

1）第一次采場打底充填。采用灰砂比1∶6、濃度72 %的料漿進行打底充填，一次性不間斷完成進路打底充填，避免進路打底充填體內(nèi)出現(xiàn)分層弱面，打底充填厚度1.0 m，穩(wěn)固后單軸抗壓強度達6.03 MPa，形成穩(wěn)固的人工假底。

2）第二次普通充填。打底充填完畢，經(jīng)8 h以上的養(yǎng)護期后進行上部普通充填作業(yè)，采用灰砂比1∶14、濃度72 %的料漿，可減少充填成本，穩(wěn)固后單軸抗壓強度>1 MPa，工藝與打底層相同，充至離進路頂板0.5 m左右的位置。

3）第三次接頂充填。采用灰砂比1∶14、濃度72 %的料漿接頂充填。信號管流漿時充填站立即關(guān)閉放料閥門，清洗攪拌桶及沖刷充填管路。

4）下向充填采場充填時嚴(yán)禁采場積水，充填作業(yè)人員利用各采場沉淀池內(nèi)風(fēng)泵及時排水。

2.5 采礦損失貧化控制

機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法開采過程中二次貧化主要為側(cè)幫充填體貧化。多條進路回采的礦房，為減少側(cè)幫尾砂二次貧化，在一步驟回采礦房側(cè)幫（礦石）施工勾花網(wǎng)（見圖7），勾花網(wǎng)采用膨脹螺栓固定在巖壁上，勾花網(wǎng)上采用8#鐵絲穿綁扎長0.3 m的木板，木板與勾花網(wǎng)距離0.5 m左右，形成地錨。膠結(jié)充填后，勾花網(wǎng)與膠結(jié)充填體通過地錨連接在一起，防止二步驟回采采場揭露勾花網(wǎng)時散落，使膠結(jié)充填體的整體性和強度有所提高。

3 應(yīng)用效果

1）鑿巖臺車鑿巖技術(shù)指標(biāo)比較。為解決YT28型鑿巖機等傳統(tǒng)采掘工具效率低、安全性低、工人作業(yè)強度大等問題，嵩縣山金經(jīng)多地考察后，于2019年7月購進1臺CYTJ45B鑿巖臺車和1臺2 m3鏟運機，在100中段采場進行工業(yè)化試驗。CYTJ45B鑿巖臺車與YT28型鑿巖機施工效率對比見表3。該鑿巖臺車與YT28型鑿巖機相比，其能耗僅為YT28型鑿巖機的1/5～1/4，鑿孔速度高50 %～100 %、噪聲低15 %～25 %。

2）主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法采礦損失率、礦石貧化率皆為4 %，生產(chǎn)能力為116.4 t/d，采切比為8.8 m/kt。以單中段1個采場為例，分別計算2種不同采礦方法開采的費用，結(jié)果見表4。經(jīng)計算，采用機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法比上向水平進路充填采礦法開采成本節(jié)省6.1元/t。

3）機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法與上向水平進路充填采礦法相比，具有以下特點：①一定程度上降低了采礦損失率和礦石貧化率;②減少了上向水平進路充填采礦法礦房內(nèi)支護費用和材料費用;③增加了充填直接成本;④下向進路充填采礦過程中，礦房頂板始終是人工構(gòu)筑的假頂，對頂板基本不需采取支護措施，也不存在浮石問題，作業(yè)人員在其下面作業(yè)較為安全;⑤下向進路充填采礦法減少了爆破后浮石撿撬環(huán)節(jié)，減少了頂板維護環(huán)節(jié)，極大地提高了采出礦循環(huán)效率[13-16]。

4）機械化設(shè)備配套。鑿巖臺車的推廣使嵩縣山金井下管理產(chǎn)生了重要變革，主要優(yōu)勢有：①采礦效率大幅提高，單中段采礦效率提高200 %;②施工人員都在防護棚下作業(yè)，避免了肢體暴露在采場巖體下，安全生產(chǎn)得到更加有效的保證;③集中作業(yè)后，被縮減中段的管理人員可全部充實到其他中段，提高了井下生產(chǎn)的管理質(zhì)量，同時采掘區(qū)域的收縮降低了安全管理難度，使安全管理更具有掌控力，每年為嵩縣山金節(jié)省大量成本。

5）目前仍然存在的問題。①假底鋼筋網(wǎng)墊高20 cm后進行膠結(jié)充填，從下分層揭露出的人工假底看，鋼筋網(wǎng)20 cm以下隨著回采全部脫落，鋼筋網(wǎng)以上整體性完好。②下向充填采場效率較低，主要影響因素為人工假底鋪設(shè)過程中鋼筋網(wǎng)施工和上下盤圍巖錨桿施工時間較長，影響采充進度。

4 結(jié) 語

隨著嵩縣山金開采深度的增加，礦山所面臨的壓力也在逐步增加，礦體破碎程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度也在上升，圍巖穩(wěn)定性也越差，單一的上向水平進路充填采礦法不再適用。為此，本文提出機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法，其采準(zhǔn)方式為下盤脈外運輸巷道聯(lián)合斜坡道，相鄰兩分段的脈外運輸巷用斜坡道連通;主要特點是可利用各中段現(xiàn)有開拓和采準(zhǔn)工程，每個分段分為3層回采，即上向、平層、下向。現(xiàn)場應(yīng)用表明：機械化盤區(qū)下向進路充填采礦法具有機械化程度高、采礦效率高、采礦成本低等優(yōu)點，可在類似條件的礦山中推廣應(yīng)用。

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Application of mechanized panel downward approach filling

mining method in Songxian Shanjin company

Yu Shuhua，Ma Zhangyin，Zhang Yapeng

（Songxian Shanjin Mining Co.，Ltd.）

Abstract：The deep ore body of Songxian Shanjin company is broken，the degree of joint fracture development is high，and the stability of surrounding rock is poor.Because the original upward horizontal approach filling mining method is faced with challenges，such as great mining difficulty，serious mining loss and dilution，support difficulty and high mining cost，this paper carried out experimental research on the mechanized panel downward approach mining method.The mining preparation means is that the transport roadway on the footwall outside the vein is combined with the ramp，the stope is mined from top downwards in approaches and steps with drill jumbo drilling bore holes，which greatly improves mechanization degree of the mine.Production practice shows that the mechanized panel downwards approach mining method saves the cost to mine ores by 6.1 yuan/t compared to upward approach mining method，with good economic profits，higher mechanization degree，high mining efficiency，low mining cost，high safety level，low difficulty to mine broken ore body，and high promotional significance.

Keywords：broken ore body;mechanization;panel;downward approach;filling mining method;economic profits