中厚礦體開采中兩步驟分段空場嗣后充填安全施工技術(shù)

摘 要：由于中厚礦體開采過程復(fù)雜多變，為了確保作業(yè)安全，本文提出中厚礦體開采中兩步驟分段空場嗣后充填安全施工技術(shù)。通過平衡安全性和效率的權(quán)重，結(jié)合崩礦步距與礦石損失貧化率的關(guān)系，優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用灰砂比1∶8、砂漿濃度75%的充填材料配比方案，以優(yōu)化充填體性能，采用兩步驟分段空場嗣后充填技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全高效回采與充填作業(yè)的方法。工程應(yīng)用結(jié)果表明，應(yīng)用該技術(shù)施工后，充填體強(qiáng)度均在2.5MPa以上，能夠有效支撐采空區(qū)，符合施工要求。

關(guān)鍵詞：中厚礦體；兩步驟開采；分段空場；嗣后充填；安全施工

中圖分類號(hào)：TD 853" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在礦產(chǎn)資源開采領(lǐng)域，中厚礦體的開采一直是采礦工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。這類礦體厚度適中、儲(chǔ)量豐富，對礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要影響。然而，中厚礦體的開采也面臨許多挑戰(zhàn)，例如地質(zhì)條件復(fù)雜、開采難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等[1]。因此，探索安全、高效的開采技術(shù)對于提高礦山企業(yè)的生產(chǎn)能力和保障人員安全具有重要意義。兩步驟分段空場嗣后充填采礦法作為一種先進(jìn)的采礦技術(shù)，在中厚礦體開采中得到了廣泛應(yīng)用。這種技術(shù)不僅能夠提高采礦效率，還能顯著降低采礦過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文旨在深入剖析中厚礦體開采中的兩步驟分段空場嗣后充填安全施工技術(shù)，結(jié)合具體工程實(shí)踐案例，提出切實(shí)可行的改進(jìn)措施與優(yōu)化策略，旨在為類似礦山的開采實(shí)踐提供寶貴參考與借鑒。

1 工程概況

本工程聚焦于一座蘊(yùn)藏豐富的中厚型銅鋅多金屬礦體，礦體平均厚度約為20m，延伸深度超過1000m，總儲(chǔ)量預(yù)估超過5000萬t。礦體內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，穿插有薄層狀石英巖和方解石脈，增加了開采難度。礦體頂部覆蓋有相對穩(wěn)定的石灰?guī)r層，厚度約15m，為開采提供了一定的頂板安全條件；而底部則緊鄰破碎的花崗質(zhì)巖脈，巖性變化大，對支護(hù)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為了應(yīng)對這些地質(zhì)條件，團(tuán)隊(duì)選擇兩步驟分段空場嗣后充填技術(shù)。因此，本文針對該項(xiàng)目中兩步驟分段空場嗣后充填安全施工技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，旨在確保開采過程高效且安全。

2 兩步驟分段空場嗣后充填安全施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了提高開采過程中的安全性和效率，本文首先對采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過綜合考慮安全性和開采效率2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，設(shè)計(jì)一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化框架。在該框架中，將采場分段高度、礦房寬度、礦柱寬度及礦柱間距等關(guān)鍵參數(shù)作為優(yōu)化變量，旨在尋找一個(gè)最優(yōu)組合，以在確保作業(yè)安全的前提下，最大化開采效率。

選擇這些參數(shù)的具體原因如下。1）采場分段高度。采場分段高度的選擇直接影響采場的垂直分層布局，對頂板的穩(wěn)定性和礦石開采的連貫性都至關(guān)重要。當(dāng)分段高度過大時(shí)，容易出現(xiàn)頂板不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)分段高度過小時(shí)，會(huì)降低開采效率，導(dǎo)致作業(yè)成本增加。2）礦房寬度。礦房寬度即礦房在水平方向的寬度。這一參數(shù)對礦石回收率、礦房穩(wěn)定性、開采靈活性都具有直接影響。過大的礦房寬度對礦房穩(wěn)定不利，會(huì)增加安全風(fēng)險(xiǎn)；過小的寬度則對開采規(guī)模構(gòu)成限制，降低生產(chǎn)效率。3）礦柱間距。礦柱間距直接影響礦柱的支撐效果，同時(shí)，也關(guān)系采場整體的穩(wěn)定性。過小的礦柱間距會(huì)造成礦柱之間的應(yīng)力分布不平衡，導(dǎo)致礦柱破壞的風(fēng)險(xiǎn)提高；過小的礦柱間距則可能達(dá)不到需求的支撐效果，導(dǎo)致頂板塌陷的風(fēng)險(xiǎn)提高。

在確定關(guān)鍵參數(shù)后，引入一個(gè)權(quán)重因子來平衡安全性和效率之間的權(quán)重分配，構(gòu)建如公式（1）所示的優(yōu)化問題模型。

maximize a?fs（H，W，P，D）+（1-a）?fe（H，W，P，D）（1）

式中：a為權(quán)重因子，用于平衡安全性和效率的重要性；H為采場分段高度；W為礦房寬度；P為礦柱寬度；D為礦柱間距；fs和fe分別為安全性和開采效率的函數(shù)。

通過對公式（1）的求解可以確定優(yōu)化后的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。針對給定的優(yōu)化結(jié)果，本文設(shè)定H=15m、W=25m作為優(yōu)化后的參數(shù)值。15m的分段高度能夠在當(dāng)前地質(zhì)條件下提供足夠的穩(wěn)定性，同時(shí)又不會(huì)因過高而導(dǎo)致開采難度增加。25m的礦房寬度在保證礦房穩(wěn)定性的同時(shí)，能夠提供足夠空間進(jìn)行高效的開采作業(yè)。

本文進(jìn)一步假設(shè)開采效率E與礦房寬度W成正比，計(jì)算在優(yōu)化礦房寬度下的具體開采效率值，如公式（2）所示。

E=k?W （2）

式中：k為單位寬度下的開采效率。

針對優(yōu)化后的礦房寬度W=25m，計(jì)算相應(yīng)的優(yōu)化開采效率E=k?25[2]。

進(jìn)一步考慮崩礦步距與礦石損失貧化率之間的復(fù)雜關(guān)系，利用公式（3）進(jìn)行描述。

（3）

式中：B為崩礦步距，表示在崩落開采作業(yè)中，每次爆破后礦石崩落的距離，崩礦步距會(huì)影響礦石的損失和貧化；L為礦石損失貧化率，是衡量開采過程中礦石損失和貧化的指標(biāo)；a為礦石損失貧化率的極限值；b為控制礦石損失貧化率隨崩礦步距變化的變化敏感度；c為背景值，表示當(dāng)崩礦步距為0時(shí)，礦石損失貧化率的初始值，這個(gè)值反映了在沒有崩礦步距的情況下，礦石損失貧化的基礎(chǔ)水平。

通過優(yōu)化調(diào)整崩礦步距B=1.56m，計(jì)算在優(yōu)化步距下的礦石損失貧化率，進(jìn)一步減少開采過程中的資源浪費(fèi)和成本支出。通過上述步驟優(yōu)化采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以在提高開采效率的同時(shí)，有效保障作業(yè)安全。

2.2 設(shè)計(jì)充填材料配比

在中厚礦體開采過程中，為了確保充填體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，同時(shí)提高采礦作業(yè)效率并控制成本，本文對充填材料的配比進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。這一設(shè)計(jì)工作的核心目標(biāo)是在滿足礦山安全開采嚴(yán)格要求的前提下，優(yōu)化充填體的物理力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)效率與成本的最佳平衡。

經(jīng)過深入分析與篩選，選擇充填制備站分級后的尾砂作為主體骨料。尾砂具有低成本、易獲取且環(huán)保的優(yōu)勢，且兼具良好的物理力學(xué)性能[3]。同時(shí)，引入32.5級普通硅酸鹽水泥作為關(guān)鍵膠結(jié)成分。接下來，本文系統(tǒng)規(guī)劃充填材料配比的設(shè)計(jì)流程，并聚焦于灰砂比、砂漿稠度及養(yǎng)護(hù)時(shí)長這三大關(guān)鍵因素對充填體性能的影響。為了找到最優(yōu)的配比組合，設(shè)定不同比例的灰砂比（1∶4、1∶8、1∶12）、多個(gè)水平的砂漿濃度（75%、65%、55%）以及不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間（7d、14d、28d），以全面評估這些因素對充填體性能的影響[4]。具體見表1。

在綜合考量工程需求、成本效益及施工便捷性等多方面因素后，本文采用灰砂比為1∶8、砂漿濃度為75%的配合比方案。這一方案在確保充填體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的同時(shí)，也能兼顧采礦作業(yè)的效率與成本控制。

2.3 實(shí)施回采與充填作業(yè)

在采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和充填材料配比設(shè)計(jì)完成后，為了確保作業(yè)的安全與高效，采用兩步驟分段空場嗣后充填施工技術(shù)進(jìn)行回采與充填作業(yè)。

兩步驟分段空場嗣后充填施工技術(shù)是一種先進(jìn)的地下礦山開采方法，主要形式是先回采部分礦石形成空場，再利用充填材料對頂板和側(cè)壁進(jìn)行支撐，以提高采場的穩(wěn)定性。其優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)開采作業(yè)中的精確調(diào)控，降低礦石損失率。同時(shí)，通過及時(shí)填充空場，降低地壓影響，減少巖體移動(dòng)帶來的安全隱患。借助這一技術(shù)，能夠有效改善作業(yè)環(huán)境、提高生產(chǎn)效率，并顯著提高資源回收率、完成成本優(yōu)化。

利用兩步驟分段空場嗣后充填施工技術(shù)進(jìn)行回采與充填作業(yè)的流程如圖1所示。

在回采階段，按照上向扇形布置鑿巖巷道進(jìn)行鉆孔。以粒狀銨油炸藥配合非電導(dǎo)爆系統(tǒng)，從切割天井開始，形成切割槽并側(cè)向崩礦。崩落礦石經(jīng)集礦后，由LH514E型鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)至溜井。

針對爆破作業(yè)，采用BQF-100型裝藥器精確裝藥，并利用非電毫秒導(dǎo)爆系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微差起爆技術(shù)[5]。通過精心編排起爆順序，確保從掏槽孔開始，依次至輔助孔、主爆孔，并以光爆孔收尾的順序進(jìn)行爆破，實(shí)現(xiàn)爆破能量的有序釋放與疊加，提高爆破效果與安全性。掏槽孔示意圖如圖2所示。

為了保證采場工作面的空氣質(zhì)量，充分利用礦山主扇形成的負(fù)壓效應(yīng)，利用礦山主扇形成的負(fù)壓效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)新鮮風(fēng)流與污風(fēng)的有效置換。

進(jìn)入充填作業(yè)階段后，采取分階段、多層次的充填策略。這種充填策略的優(yōu)勢在于可以分散礦山結(jié)構(gòu)所受壓力，循序漸進(jìn)地穩(wěn)定礦山結(jié)構(gòu)，規(guī)避單次大體量填充帶來的不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，分階段充填有利于充填材料的合理規(guī)劃，可根據(jù)實(shí)際開采進(jìn)度安排使用，提高資源的利用效率。

首段充填時(shí)，特別注重膠結(jié)充填體的使用。在地表充填站精心制備充填料漿，通過管道自流系統(tǒng)，將充填料漿輸送至采場。先充填高為2m、灰砂比為1∶8的膠結(jié)充填體，以增強(qiáng)強(qiáng)度，再充填全尾砂或廢石，并在頂部加設(shè)厚度為0.5m的膠結(jié)充填體接頂，作為下一分段回采的底板。其他分段充填時(shí)，除頂部保持膠結(jié)層外，主要采用全尾砂或廢石進(jìn)行直接充填，以降低成本并提高充填效率。由此，完成了本文中厚礦體開采中兩步驟分段空場嗣后充填安全施工技術(shù)的研究。

3 工程應(yīng)用

3.1 施工準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文技術(shù)的可行性，根據(jù)上述項(xiàng)目實(shí)際需求，精心規(guī)劃并配備關(guān)鍵設(shè)備、材料及安全防護(hù)設(shè)施，具體準(zhǔn)備情況見表2。

當(dāng)進(jìn)行施工時(shí)，礦房與礦柱的回采順序嚴(yán)格遵循既定規(guī)劃，在每次礦房回采完成后，必須立即啟動(dòng)充填作業(yè)，避免因采空區(qū)長時(shí)間暴露而引發(fā)地壓突變或頂板失穩(wěn)。

3.2 應(yīng)用結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，將其應(yīng)用于上述實(shí)際的中厚礦體開采項(xiàng)目中，并設(shè)定充填體的最低設(shè)計(jì)強(qiáng)度為2.5MPa，以確保工程的安全性與穩(wěn)定性。在施工過程中，針對不同部位的充填體強(qiáng)度進(jìn)行檢測，結(jié)果見表3。

根據(jù)表3可以看出，各區(qū)域充填體強(qiáng)度優(yōu)異，分布均勻且達(dá)標(biāo)。具體來說，礦房1南部、中部及北部區(qū)域的充填體強(qiáng)度分布均衡，表明充填材料的選擇與施工工藝控制得當(dāng)。礦柱區(qū)域的充填體強(qiáng)度較高，尤其是礦柱3頂部區(qū)域的充填體強(qiáng)度達(dá)到了3.31MPa，為礦山的整體穩(wěn)定性提供了堅(jiān)實(shí)保障。而礦柱2與礦房2間過渡區(qū)的充填體強(qiáng)度雖略低于其他區(qū)域，但仍保持在安全范圍內(nèi)，體現(xiàn)了施工過程中的精細(xì)調(diào)控。這是由于本文方法通過平衡安全性和效率的權(quán)重，結(jié)合崩礦步距與礦石損失貧化率的關(guān)系，優(yōu)化了采場結(jié)構(gòu)參數(shù)。這種優(yōu)化確保了采場設(shè)計(jì)的合理性，從而為后續(xù)的充填作業(yè)提供了良好的基礎(chǔ)。另外，采用的灰砂比1∶8、砂漿濃度75%的充填材料配比方案，能夠提供足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)確保充填體的均勻性和密實(shí)性。采用的兩步驟分段空場嗣后充填技術(shù)可以有效控制充填體的形成過程，確保充填體在不同區(qū)域的一致性和強(qiáng)度。該技術(shù)的應(yīng)用有助于提高充填體的整體性能。綜上所述，本文技術(shù)在工程應(yīng)用中取得了顯著成效，不僅提高了充填體的強(qiáng)度，確保了礦房與礦柱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全，還保障了整體開采安全。

4 結(jié)語

本文通過精細(xì)化的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與充填材料配比設(shè)計(jì)，結(jié)合先進(jìn)的機(jī)械化鑿巖與精確爆破控制技術(shù)，不僅提高了兩步驟分段空場嗣后充填安全施工作業(yè)效率，更確保了作業(yè)過程的安全可靠。隨著科技不斷進(jìn)步和環(huán)保要求日益提高，中厚礦體開采將面臨更多新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，應(yīng)繼續(xù)秉承創(chuàng)新、綠色、安全的理念，不斷優(yōu)化和完善兩步驟分段空場嗣后充填技術(shù)，推動(dòng)其在更多礦山的廣泛應(yīng)用，為礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)與利用貢獻(xiàn)更大的力量。

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