機械化上向分層充填與分段充填組合法應用研究

李永輝 ，張寶 ，隋長江

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長沙 4100121；3.西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責任公司， 新疆 克拉瑪依市 834025)

0 引言

哈圖金礦自2017年引進盤區(qū)機械化上向分層法采礦工藝，礦石貧化損失基本控制在5%左右，生產(chǎn)能力70t/d～100t/d，在采礦貧化損失和采礦效率方面取得了很好的成效，實現(xiàn)了安全高效開采。但此方法應用到厚礦體時，特別是厚度大于6m的礦體，井下生產(chǎn)面臨一些難題。

采場作業(yè)安全風險高或安全管理難度大、投入大。由于上向分層法回采工藝需要人員暴露在采場頂板下作業(yè)，當開采厚礦體時，由于采礦寬度不能大于4m，必須分兩步驟開采，一步驟充填接頂不佳，容易造成二步驟采場實際暴露面積大幅增加，特別是在礦體穩(wěn)固性較差的地方，即使采用短掘短支，采場作業(yè)人員數(shù)量較多，采場作業(yè)安全風險依然較高。

采場生產(chǎn)效率低。當?shù)V體較厚采取兩步驟開采時，一步驟養(yǎng)護時間較長，且采場頂板維護難度增加，造成分層回采整體周期過長，采場生產(chǎn)效率相比中厚以下礦體反而低。

采礦綜合成本高。盤區(qū)機械化上向分層法回采時，需要每個分層施工（或壓擴）分層聯(lián)絡巷，且為了維護采場頂板穩(wěn)定，需要每個分層進行短掘短支，支護難度大且費用極高，造成采礦綜合成本高。

基于上述原因，研究設計適宜于哈圖金礦厚礦體的機械化安全高效采礦方案，實現(xiàn)礦山機械化強采強出，提高采場生產(chǎn)能力，減少作業(yè)人員數(shù)量，大幅減少采場作業(yè)人員暴露在采場的總時間，降低采場作業(yè)安全風險，保障采場生產(chǎn)安全，為礦山的可持續(xù)性平穩(wěn)發(fā)展做出貢獻。

1 采礦方法方案設計

急傾斜不穩(wěn)固厚礦體在我國地下開采的金屬和非金屬礦山占有較大的比重，主要采用盤區(qū)機械化分層充填法、分段崩落法、分層崩落法等方法。目前國內(nèi)外主要朝著提高采礦效率、降低貧化損失方面發(fā)展，有以下4個特點：安全采礦、低貧損采礦、無軌機械化高效采礦、無廢開采與綠色礦山。據(jù)此，設計了分層充填與分段充填組合式采礦法。

1.1 分層充填與單分段充填組合式采礦法

1.1.1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用該方案回采時，采場長度30m～60m，寬度為礦體厚度，采場高度為中段高度，中深孔分段回采塊段高度8m～12m，采場不留頂?shù)字?，如圖1所示。

1.1.2 采準切割

該方案采準切割和盤區(qū)機械化上向分層法基本一致，僅在分段中深孔爆破落礦塊段需要增加切割天井和切割橫巷工程。鑿巖巷施工完成后，在采場端部施工切割橫巷、切割天井，并以此為自由面拉切割槽。

1.1.3 回采工藝

上向水平分層充填回采塊段：分層回采采用YT-28鉆鑿淺孔，回采高度2.0m～2.5m。鑿巖鉆頭直徑32mm～38mm，炮孔平行布置，孔間距1m～1.2m，排距0.8m～1m，孔深2m～2.5m，矩形布孔或梅花形布孔均可。崩礦時，在孔內(nèi)裝入2#巖石炸藥藥卷和分段導爆管雷管，孔外用電雷管起爆或起爆器起爆。礦石落下后，處理頂板松石，然后用1m3鏟運機出礦。

中深孔分段嗣后充填回采塊段：采場沿礦體走向布置，在采場的端部布置切割橫巷及切割天井，以切割天井為自由面進行端部拉槽。在分段鑿巖巷道鉆鑿上向扇形中深孔，采用YGZ-90型鑿巖機進行中深孔施工。以切割槽為自由面進行爆破。鑿巖鉆頭直徑50mm，呈扇形布置炮孔，孔排距1.3m～1.5m，孔底距1.6m～1.8m，每次爆破3排至4排，崩落下來的礦石，采用斗容1m3的遙控鏟運機出礦，經(jīng)分層聯(lián)絡巷，將礦石轉(zhuǎn)運到與分段平巷貫通的出礦溜礦井。

1.1.4 充填

分層充填：一分層回采完畢并出礦后開始進行充填工作。根據(jù)回采工藝特點，可以先用水泥含量較低的膠結(jié)充填，然后用水泥含量高的膠結(jié)充填澆面。澆面充填高度0.5m，澆面膠結(jié)充填灰砂比1:4。

圖1 分層充填與單分段充填組合式法

分段充填：分段回采結(jié)束后，對采空區(qū)進行充填處理?？梢韵扔盟嗪枯^低的膠結(jié)充填，然后用水泥含量高的膠結(jié)充填澆面。澆面充填高度0.5m，澆面膠結(jié)充填灰砂比1:4，其余采用灰砂比為1:15的膠結(jié)充填。

1.2 分層與多分段充填組合式采礦法

1.2.1 采場參數(shù)結(jié)構(gòu)

采用該方案回采時，采場長度30m～60m，寬度為礦體厚度，采場高度為中段高度。采場下部采用分層充填法進行回采， 回采高度約15m，上部采用中深孔分段嗣后充填法開采，中深孔分段回采塊段高度10m～12m，一般情況下2～3個分段集中鑿巖，集中爆破，如圖2所示。

1.2.2 采準切割

在采場下部礦體分層充填法開采結(jié)束后，在充填體上部施工底部出礦結(jié)構(gòu)，在礦體下盤脈外布置溜礦井。根據(jù)盤區(qū)開采情況及工程現(xiàn)狀，可設計脈內(nèi)采準或脈外采準。

脈內(nèi)采準系統(tǒng)即不施工分段平巷、分段聯(lián)絡巷，僅在脈內(nèi)施工人行通風天井，作為人員、材料進入的通道，由天井開始施工分段鑿巖巷，并在分層充填水平施工進路出礦底部結(jié)構(gòu)。

脈外采準系統(tǒng)需要分段平巷、分段聯(lián)絡巷，作為人員、材料進入的通道，由分段聯(lián)絡巷施工鑿巖巷，并在分層充填水平施工進路出礦底部結(jié)構(gòu)。鑿巖巷施工完成后，在采場端部或中間位置施工切割橫巷、切割天井，并以此為自由面拉切割槽。

圖2 分層充填與多分段充填組合式法

1.2.3 回采工藝

上向水平分層充填回采塊段：分層回采采用YT-28鉆鑿淺孔，回采高度2.0m～2.5m。采用錨網(wǎng)支護采場頂板，1m3鏟運機進入作業(yè)面出礦。

中深孔分段嗣后充填回采塊段：在分段鑿巖巷采用YGZ-90施工扇形中深孔，以切割槽為爆破自由空間崩礦。鑿巖鉆頭直徑50mm，呈扇形布置炮孔，孔排距1.3m～1.5m，孔底距1.6m～1.8m，每次爆破3排至4排。上部分段超前下部分段2排炮孔左右，可多個分段集中回采。自底部出礦結(jié)構(gòu)用斗容1m3鏟運機裝礦。

1.2.4 充填

分層充填和分段充填類似，分兩部分進行，下部采用低強度充填料漿，灰砂比為1:12；上部采用高強度充填0.5m進行膠面，強度約1 MPa，灰砂比1:6。

2 采場合理回采高度數(shù)值模擬

2.1 合理分段高度數(shù)值模擬方案

采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D分析計算采場合理回采高度。采用專家經(jīng)驗類比分析得到合理的采場高度。以哈圖金礦巖體力學參數(shù)為基礎建立數(shù)學模型，選取合理的邊界條件進行計算。獲得在不同礦巖穩(wěn)固性條件下的應力、位移和塑性區(qū)分布特征。

根據(jù)哈圖金礦礦體賦存特點及機械化分層充填與分段嗣后充填組合法安全高效強化開采工藝，為研究淺部區(qū)域和深部區(qū)域兩種不同礦巖穩(wěn)固性最大回采高度對采場穩(wěn)定性的影響，選取最大控頂高度10m、20m和30m，進行合理開采高度數(shù)值分析。

根據(jù)分層充填與分段嗣后充填組合法無間柱回采技術(shù)特點，分層充填回采區(qū)域進行多次開挖-充填計算，分段充填區(qū)域進行一次“開挖”模擬計算。模擬范圍巖體物理力學性能參數(shù)見表1。本研究采用Mohr-Coulomb（摩爾-庫侖模型）本構(gòu)模型。

表1 模擬范圍巖體物理力學性能參數(shù)

2.2 合理分段高度模擬計算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果（見表2），采一礦區(qū)淺部中等穩(wěn)固以上礦體開采高度達到30m后，采場上下盤、頂板一些成片分布的塑性破壞區(qū)（見圖3），且部分聯(lián)通形成片狀，穩(wěn)定性表現(xiàn)一般，需要實時監(jiān)控采空區(qū)情況，發(fā)生大面積冒落時，需及時充填采空區(qū)，重新施工切割工程。高度達到30m時，需使用遙控鏟運機出礦，存在被采場上下盤冒落巖石砸壞的可能，故需要施工進路底部出礦結(jié)構(gòu)，避免人員駕駛鏟運機進入采空區(qū)鏟裝礦石。

表2 不同開采深度下各采場回采高度數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 采一礦區(qū)30m開采高度塑性區(qū)分布

在開采千米井礦區(qū)深部中等穩(wěn)固偏下礦體時，當開采高度達到20m后，采場上下盤、頂板都出現(xiàn)了較多塑性破壞區(qū)，特別是上下盤，形成大片貫通區(qū)域（見圖4），穩(wěn)定性表現(xiàn)不好，上下盤存在大片冒落風險。因此，最大回采高度不宜大于20m，若高度超過20m使用遙控鏟運機進入采空區(qū)鏟裝礦石。

圖4 千米井礦區(qū)20m開采高度塑性區(qū)分布

3 分層與分段充填組合法現(xiàn)場試驗

3.1 采一礦區(qū)分層與多分段充填組合法現(xiàn)場試驗

（1）現(xiàn)場工業(yè)試驗。根據(jù)盤區(qū)機械化分層與多分段充填組合法開采893中段C2700W03采場礦體時，采場之間盡量不留間柱，保留底柱，采場長度47m，分段高度10m左右，第一分段采用上向分層充填法開采，剩余30m采用中深孔分段空場嗣后充填法開采。鑿巖設備采用YGZ-90鑿巖機，在各分層鑿巖巷鑿上向垂直扇形孔，排距1.5m，每排9～14個炮孔。爆破采用硝胺巖石粉狀炸藥，先從上到下每層每次爆破2～3排形成階梯狀后，可3層每次同時爆破3～5排。裝藥采用風動裝藥器（BQF-50型裝藥器）裝填，各分層每次爆破崩落礦石全部集結(jié)到909分層底部塹溝和鑿巖巷，出礦設備為WJ-1型1m3斗容鏟運機，將礦石鏟運至溜井或通過輔助斜坡道裝入礦車，經(jīng)電機車牽引至豎井馬頭門，通過提升設備提至地表。充填分為兩步驟：先廢石充填，約占60%；剩余40%采空區(qū)采用全尾砂充填。

該試驗采場生產(chǎn)能力達到300t/d～400t/d，提升2～3倍。

（2）經(jīng)濟效益分析。上向分層采礦方法開采費用為：開采總費用=掘進成本+壓頂成本+掘進支護+壓頂支護+采場支護+廢石處理成本+采礦成本+充填成本=3808848元。

盤區(qū)機械化分層與多分段充填組合法開采費用為：開采總費用=掘進成本+錨網(wǎng)支護成本+錨條、噴漿支護成本+廢石處理成本+采礦成本+充填成本=2606858元。與原有上向分層采礦方法相比，采用盤區(qū)機械化分層與多分段充填組合法可節(jié)省費用1741890元。

3.2 千米井礦區(qū)分層與多分段充填組合法現(xiàn)場試驗

（1）現(xiàn)場工業(yè)試驗。千米井礦區(qū)試驗地點在3個地段：

725m中段E17至E19線采場主礦脈為L27-14，長約80m，礦體平均厚度約6.0m，礦體斜長9.5m，傾角45°～55°，平均品位5.0g/t，地質(zhì)儲量約12312t，地質(zhì)金屬量約61.56 kg，該范圍采場頂板比較破碎，穩(wěn)定性降低，先采用上向分層法開采至763m水平，對該采場進行了接頂充填；

625m中段E15至E17線采場已上向分層充填法開采至666m水平，長約80m，礦體平均厚度約5.4m，傾角60°～70°，工程地質(zhì)條件較差，分層充填法開采給安全帶來了難題，且效率比較低，短時供礦能力差，安全風險較大，因此考慮采用中深孔單分段嗣后充填法回采剩余礦體（約10m高）；

575m中段E15至E17線采場（C18270815采場、C182708采場）上向分層充填法已開采至581m水平，長約80m，礦體平均厚度約4.6m，傾角60°～75°，平均品位5.30g/t，地質(zhì)儲量約25833t，地質(zhì)金屬量137 kg。

采準工程包括脈出礦進路、鑿巖平巷，切割包括切割槽。鑿巖采用YGZ-90鉆機施工上向中深孔，孔徑60mm，排距1.5m，孔底距1.5m～2.0m。采用復式起爆網(wǎng)絡，孔口起爆。采用BQF裝填2#巖石散裝炸藥。通風完成后，可采用1m3遙控柴油鏟運機在采空區(qū)出礦。礦石均運搬至布置在采場附近的下盤脈外溜礦井，再由中段平巷電機車牽引礦車至主溜井運至地表。由于臨近采場結(jié)束回采，因此采用能保證充填料漿流動性的1:15灰砂比的料漿充填處理采空區(qū)。

各試驗采場生產(chǎn)能力達到200t/d～300t/d，提升2～3倍。

（2）經(jīng)濟效益分析。千米井礦區(qū)采用盤區(qū)機械化分層與單分段充填組合法開采的3個試驗采場，總開采礦量為57443t。按目前約35元/t支護費用計算，可節(jié)省支護費用達2010505元；另外，由于采用非膠結(jié)充填，嗣后充填可節(jié)省充填的水泥用量，節(jié)省費用約672083元（充填單價按10元/t）。因此，該項目在千米井礦區(qū)試驗采場應用可節(jié)省開采費用達2682588元。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)哈圖金礦6m以上的厚礦體開采時，井下采礦安全事故“零容忍”、需要進行短掘短支、采場支護成本高、效率低等問題，綜合盤區(qū)機械化分層充填采礦法和分段充填采礦法各自的優(yōu)點，開發(fā)了安全高效、低成本的盤區(qū)機械化分層充填與分段充填組合式開采工藝。

（2）針對兩個礦區(qū)礦巖穩(wěn)固性情況，通過數(shù)值模擬計算，得到采一礦區(qū)最大開采高度為30m，千米井礦區(qū)最大開采高度20m。開采高度達到最大值時需使用遙控鏟運機出礦，存在被采場上下盤冒落巖石砸壞可能，故需要施工進路底部出礦結(jié)構(gòu)，避免人員駕駛鏟運機進入采空區(qū)鏟裝礦石。

（3）通過在哈圖金礦兩個礦區(qū)進行現(xiàn)場工業(yè)試驗，提高了生產(chǎn)作業(yè)機械化程度和生產(chǎn)能力，該試驗采場生產(chǎn)能力達到300t/d～400t/d，提升2～3倍，節(jié)約成本442.4萬元，實現(xiàn)了安全高效開采、降本增效。