我國下向分層充填采礦法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

鄧玉彬，周益龍，林永生

(1.廣晟有色金屬股份有限公司， 廣東 廣州 510610；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；3.翁源紅嶺礦業(yè)有限責(zé)任公司， 廣東 韶關(guān)市 512638)

0 引言

下向分層充填采礦法是20世紀(jì)50年代末試驗(yàn)成功的采礦方法，該方法是在一個階段內(nèi)自上而下分層回采、充填，以巷道掘進(jìn)的方式在分層膠結(jié)充填體為人工假頂?shù)谋Ｗo(hù)下進(jìn)行作業(yè)的回采方法。該采礦方法的使用成功，為降低坑木消耗、實(shí)現(xiàn)開采無軌化、提高采場產(chǎn)能和勞動生產(chǎn)率創(chuàng)造了條件[1-2]。

下向分層充填采礦法除滿足充填采礦法的一般適用條件外，主要用于礦石和圍巖均不穩(wěn)固至極不穩(wěn)固或地壓很大，礦石價值高、品位較高的有色、稀有和貴重的金屬礦床，以及其它采礦法難以回采的礦柱[2-3]。目前在我國金礦應(yīng)用廣泛，例如前河金礦[4-5]、焦家金礦[6-7]等，在銅礦甚至是鐵礦也有它的應(yīng)用案例[8-9]，其中金川銅鎳礦二礦區(qū)是我國采用下向分層膠結(jié)充填采礦法中規(guī)模最大，機(jī)械化程度、采場生產(chǎn)能力和勞動率最高的礦山，它采用兩步驟回采的機(jī)械化盤區(qū)下向膠結(jié)充填采礦法，同時配備6 m3鏟運(yùn)機(jī)、全液壓雙機(jī)鑿巖臺車等大型設(shè)備，使盤區(qū)生產(chǎn)能力提高到 2000 t/d，達(dá)到世界先進(jìn)水平[10-12]。

機(jī)械化程度低、采場產(chǎn)能小，采充成本高，工序管理復(fù)雜一直是我國下向分層充填采礦法應(yīng)用的難題[1-2]。近年來，隨著采礦技術(shù)設(shè)備的不斷發(fā)展，以金川銅鎳礦為代表的下向分層充填采礦法礦山在機(jī)械設(shè)備應(yīng)用、充填成本控制、現(xiàn)場作業(yè)管理方面取得了大量的技術(shù)成果和現(xiàn)場寶貴的經(jīng)驗(yàn)[12]。本文全面回顧我國下向分層充填采礦法的應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析金川銅鎳礦等典型礦山的成功做法，并指出了當(dāng)前存在的問題及后續(xù)改進(jìn)的方向。

1 下向分層充填采礦法應(yīng)用情況

下向分層充填采礦法采場布置主要是根據(jù)礦體的厚度確定，一般不受礦體形態(tài)變化的限制。當(dāng)?shù)V體厚度小于20 m時，采場沿礦體走向布置；礦體厚度大于20 m時，應(yīng)根據(jù)礦區(qū)巖石力學(xué)實(shí)測資料，采場垂直或斜交礦體布置，以利于進(jìn)路穩(wěn)定和作業(yè)安全。采場長度應(yīng)根據(jù)出礦設(shè)備確定，沿礦體走向布置時，電耙出礦一般為50 m，鏟運(yùn)機(jī)出礦一般為100 m；垂直礦體走向布置時，一般劃分為盤區(qū)，盤區(qū)長度為50 m～100 m，長度為礦體厚度。進(jìn)路布置形式有單側(cè)進(jìn)路和雙側(cè)進(jìn)路2種。礦體厚度大于8 m時，上下分層進(jìn)路應(yīng)相互垂直布置，在下分層進(jìn)路回采時，使上分層進(jìn)路充填體不至于全部暴露，而暴露的部分如同一橫梁架在進(jìn)路之上，使之處于穩(wěn)固的狀態(tài)，如我國金川二礦區(qū)、武山銅礦等。階段高度為30 m～60 m，分段高度為10 m～15 m（服務(wù)3個～5個分層）。電耙出礦分層高度為2.0 m～3.5 m，鏟運(yùn)機(jī)出礦為3.0 m～5.0 m。電耙出礦進(jìn)路寬度為2.5 m～4.0 m，鏟運(yùn)機(jī)出礦為4.0 m～5.0 m。我國應(yīng)用下向分層充填采礦法的代表性礦山的工藝參數(shù)及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表1[1]。

表1 下向分層充填采礦法工藝參數(shù)及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[1-2]

2 下向分層充填采礦法典型礦山

2.1 金川銅鎳礦[10-14]

金川銅鎳礦是我國下向分層充填采礦法的先行者和引領(lǐng)者，經(jīng)過五十多年的技術(shù)實(shí)踐與發(fā)展，高價值破碎礦體充填采礦技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

金川銅鎳礦礦體厚大、礦石價值高、礦區(qū)地應(yīng)力大以及礦巖破碎，1965年建礦投產(chǎn)的龍首礦區(qū)先后采用過分層崩落法和上向分層膠結(jié)充填采礦法，但受礦巖穩(wěn)固性條件制約，最終選擇作業(yè)安全性最佳的下向六角形高進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行開采，目前年產(chǎn)礦石165萬t。1985年建成投產(chǎn)的二礦區(qū)曾沿用龍首礦的上向分層充填法和下向高進(jìn)路分層充填法，并對其它采礦方法開展過工業(yè)性探索，先后試驗(yàn)研究VCR法、大孔空場嗣后一次充填法，對機(jī)械化盤區(qū)上向進(jìn)路膠結(jié)充填法和機(jī)械化盤區(qū)下向進(jìn)路膠結(jié)充填法進(jìn)行產(chǎn)能對比，最終采用機(jī)械化盤區(qū)下向進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，目前二礦區(qū)年產(chǎn)能力450萬t，是金川集團(tuán)的主力礦山。

金川銅鎳礦實(shí)現(xiàn)安全高效開采的關(guān)鍵是機(jī)械化設(shè)備的全面應(yīng)用和有計劃的產(chǎn)能規(guī)劃。金川公司在少量引進(jìn)國外臺車的同時大量使用自主研發(fā)的鑿巖臺車，還自主生產(chǎn)了鏟運(yùn)機(jī)、礦用卡車等。采用盤區(qū)劃開采，形成多個獨(dú)立作業(yè)區(qū)域提高產(chǎn)能，大盤區(qū)能力超過2000 t/d，小盤區(qū)能力基本上都不小于600 t/d～700 t/d。金川二礦區(qū)一般2個～3個盤區(qū)劃分為一個采區(qū)，某采區(qū)里面有3個小盤區(qū)，每個盤區(qū)長100 m，寬70 m～80 m，每個盤區(qū)平均每天有 4～5條進(jìn)路在回采，該采區(qū)的生產(chǎn)能力為2000 t/d～2500 t/d。

充填工藝方面，為了匹配下向分層充填采礦法的作業(yè)安全，充填體單軸抗壓強(qiáng)度3 d要達(dá)到1.5 MPa，28 d要達(dá)到5.0 MPa，充填金川銅鎳礦已建成14套高濃度自流輸送充填系統(tǒng)和1套全尾砂膏體充填系統(tǒng)，前者充填集料采用3 mm棒磨砂+戈壁砂，由于全尾砂粒度較細(xì)，脫水困難，為保持料漿的高濃度，該系統(tǒng)尚未添加全尾砂，膠凝材料為42.5級普通水泥，同樣受濃度限制未添加容重較小的粉煤灰，添加劑為水泥用量 1.5%的早強(qiáng)劑，灰砂比1:4，漿液濃度77%～79%，單套系統(tǒng)平均充填能力可達(dá)90 m3/h，每天運(yùn)行時間10 h以上。自流輸送充填工藝存在充填體早期強(qiáng)度低、沉縮率高、脫水泥漿污染以及不能處理尾砂等問題，為此金川于1999年建成了我國第一套膏體充填系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)的年充填能力超過20萬m3。金川全尾砂膏體充填工藝為：充填集料為棒磨砂和尾砂，添加尾砂可使可泵性變好，但尾砂量占比小于40%，膠凝材料為普通水泥和粉煤灰，粉煤灰添加量為150 kg/m3，添加劑主要是減水劑，用量為水泥的1%以上，料漿濃度約為80%，每小時的充填能力可達(dá)90 m3，年充填能力可到20萬m3。充填成本控制在140 元/t～160 元/t，采充成本 250 元/t～280 元/t。

2.2 前河金礦[4-5]

嵩縣前河礦業(yè)前河金礦現(xiàn)隸屬于中金黃金股份有限公司，成礦類型為構(gòu)造蝕變巖型中低溫?zé)嵋航鸬V床，礦體呈不規(guī)則脈狀，屬急傾斜薄礦體。礦石品位較高，但儲量有限。礦體及其頂?shù)装鍘r石受蝕變和構(gòu)造影響嚴(yán)重，礦巖破碎松軟，穩(wěn)定性極差，且遇水泥化，工程揭露后自穩(wěn)性差。礦體開采技術(shù)條件差、開采難度極大，1990年建礦投產(chǎn)以來主要采用下向分層膠結(jié)充填采礦法開采，目前年生產(chǎn)能力為18.15萬t。

上下盤不穩(wěn)固薄礦體回采鑿巖爆破工藝采用偏下盤布置炮眼無掏槽控制爆破技術(shù)、微差爆破技術(shù)，維持上盤圍巖的穩(wěn)定性。首分層進(jìn)路采用高強(qiáng)聚酯纖維網(wǎng)+中空注漿長錨索聯(lián)合支護(hù)方式，其他分層回采進(jìn)路和充填聯(lián)絡(luò)巷采用木棚支護(hù)以控制支護(hù)成本。采用人工出礦與電耙絞車聯(lián)合出礦方式，落礦點(diǎn)距中央雙格溜井5 m以內(nèi)，采用人工出礦，剩下的則采用電耙出礦。為了降低充填成本，減少鋼筋用量，不再應(yīng)用吊筋和上下盤錨桿，并且根據(jù)進(jìn)路充填的強(qiáng)度要求及時調(diào)整充填配比，不承受直接頂板壓力的空間采取不充填等方式。主要應(yīng)用下向進(jìn)路充填法的同時，根據(jù)礦巖穩(wěn)固性情況采用留礦法、上向充填法等。

前河金礦的充填站為簡易式，具有較大的靈活性，隨著開采標(biāo)高的不斷降低，充填站水平也相應(yīng)的下降了100 m。充填骨料就地取材，采用附近河流的河砂和卵石，膠凝材料則采用 42.5級普通水泥。通過各方面的優(yōu)化管理，目前充填作業(yè)成本控制在100元/t左右。

2.3 武山銅礦[8, 15]

武山銅礦是一座有五十多年建礦歷史的大型地下礦山，為江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司主力礦山之一，目前生產(chǎn)能力為 5000 t/d，三期擴(kuò)建工程規(guī)劃產(chǎn)能翻倍。武山銅礦礦巖均不穩(wěn)固，屬難采礦床，初期采用整體鋼筋混凝土假頂分層崩落法開采，因礦巖破碎、礦體自然，1989年之后技術(shù)改造為充填法開采，南礦帶采用上向水平分層尾砂充填法，穩(wěn)固性相對較差的北礦帶則采用下向進(jìn)路膠結(jié)充填法，目前北礦帶仍采用該采礦方法，南礦帶因膠結(jié)充填能力不足則改為安全性較好的鋼筋混凝土假底下向進(jìn)路式水砂充填法。經(jīng)過不斷的采礦工藝改造，武山銅礦成為我國采用下向分層充填采礦法開采的代表性礦山。

機(jī)械化設(shè)備的利用是提高下向分層充填采礦法生產(chǎn)能力的關(guān)鍵，武山銅礦通過引進(jìn)鑿巖臺車，替換0.75 m3電動鏟車為2 m3內(nèi)燃機(jī)鏟車，采場生產(chǎn)能力提升50%以上，平均產(chǎn)能達(dá)到110 t/d。充填成本高是制約上向分層充填采礦法應(yīng)用的另一重要原因，通過采充成本分析，支護(hù)用坑木和充填用水泥成本占到60%，采用錨網(wǎng)支護(hù)替代部分坑木，添加粉煤灰替代水泥，梳理采充作業(yè)工序保障作業(yè)的連續(xù)性，武山銅礦將采充成本控制在200元/t。

充填體質(zhì)量的好壞是下向分層充填法順利實(shí)施的關(guān)鍵，武山銅礦通過一系列措施提高充填體質(zhì)量。砌筑充填擋墻時在底部埋設(shè)一根排水管，方便排出充填之前的空區(qū)積水，安裝污水閥門截留洗管水流入空區(qū)。假頂構(gòu)筑采用吊筋加底部鋼筋網(wǎng)的常規(guī)方法，吊筋分為長短筋，長筋端部焊接鋼板增強(qiáng)抗拉能力。在分層充填體中埋入油桶，利用油桶空間構(gòu)成下分層回采的回風(fēng)通道，改變膠結(jié)采場高溫的工作環(huán)境。為解決充填管端口充填料堆積和下料不均勻等問題，在充填管端口前埋設(shè)空區(qū)頂柱分散充填料，以及在充填管上開下料小孔。為了解決當(dāng)前及三期擴(kuò)建工程分級尾砂、河砂供應(yīng)短缺以及尾礦庫庫容壓力，武山銅礦正在新建一套全尾砂膏體充填系統(tǒng)，目前初步井下工業(yè)試驗(yàn)已取得成功。

3 存在的問題及改進(jìn)方向

下向分層充填采礦法存在的主要問題是充填工藝所占采場各工序作業(yè)總時間長和采充總成本多，構(gòu)筑人工假頂以及充填體要求質(zhì)量高限制了采場產(chǎn)能[15-16]。金川公司提高采場機(jī)械化率，縮減了鑿巖、出礦時間，建立膏體充填系統(tǒng)，本質(zhì)上提高充填體強(qiáng)度，縮短了充填工序占用時間，有效提升了采場生產(chǎn)能力。但是，開采類似于前河金礦小規(guī)模薄礦體時，機(jī)械設(shè)備利用率難以快速提高，產(chǎn)能難有進(jìn)一步提升空間。

充填質(zhì)量要求導(dǎo)致全尾砂難以用于井下充填，利用河砂作為充填集料使得充填成本居高不下，當(dāng)高價值礦體開采枯竭時，貧礦開采仍采用現(xiàn)行工藝，礦山企業(yè)在經(jīng)濟(jì)上將難以承受。

針對以上突出問題，前河金礦等巖金礦山應(yīng)探索引進(jìn)采礦小型化設(shè)備，提高鑿巖、出礦效率；優(yōu)化人工假頂構(gòu)筑工藝，保證所需強(qiáng)度的同時降低鋼筋的使用量[6]；采用回采廢石部分替代砂子作為充填集料，探索膏體充填工藝的可行性，試驗(yàn)全尾砂-廢石充填工藝，降低充填成本[17]；加強(qiáng)充填工序作業(yè)管理，充分發(fā)揮料漿凝結(jié)強(qiáng)度，縮短回采轉(zhuǎn)層時間[18]。

4 結(jié)論

（1）我國自1970年代應(yīng)用下向分層充填采礦法以來，相關(guān)的充填采礦技術(shù)取得快速發(fā)展，該采礦法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于金、銅、鎳、鉛鋅等有色和貴重金屬礦床的開采，并有向松軟破碎和高地應(yīng)力強(qiáng)巖爆傾向礦床應(yīng)用的趨勢。

（2）以金川銅鎳礦、前河金礦、武山銅礦為代表的下向分層充填采礦法礦山，在采場布置、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、機(jī)械化設(shè)備利用、充填成本控制以及現(xiàn)場管理等方面持續(xù)改進(jìn)，助推我國在該方法的應(yīng)用技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

（3）我國下向分層充填采礦法仍存在機(jī)械化程度不高、充填成本難控制的問題，特別是巖金礦山應(yīng)探索引進(jìn)采礦小型化設(shè)備，提高鑿巖、出礦效率；充填工藝方面應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展以全尾砂-廢石為骨料的膏體充填系統(tǒng)，降低充填成本和改善井下環(huán)境的同時解決礦山固廢堆存問題。