復雜頂柱高效回采綜合技術的研究與應用

白復鋅，姜順鵬，林承恩，張 雷，張玉剛，姜 峰，吳永岐，王曉寧

(山東黃金礦業(鑫匯)有限公司， 山東平度市 266715)

復雜頂柱高效回采綜合技術的研究與應用

白復鋅，姜順鵬，林承恩，張 雷，張玉剛，姜 峰，吳永岐，王曉寧

(山東黃金礦業(鑫匯)有限公司， 山東平度市 266715)

介紹了上向分層組合進路尾砂充填采礦法在鑫匯公司大莊子金礦中的應用，通過采用下盤脈外采準、分層進路回采、無軌出礦和尾砂非膠結充填等綜合工藝，有效解決了復雜頂柱回采過程中的系列技術難題，并通過工業性試驗取得較為先進的技術經濟指標。該成果的技術實用性強，相關工藝和參數可供工程技術人員參考。

礦柱回采;上向分層組合進路充填法;采場參數;尾砂充填

0 前言

山東黃金礦業(鑫匯)有限公司是山東黃金集團所屬骨干采選冶聯合黃金企業，礦山綜合采、選、冶生產能力2000 t/d，為國內大型黃金礦山企業。大莊子金礦床為緩傾斜至傾斜中厚礦體，礦石儲量大，淺部礦體品位高，礦體形態變化復雜，礦巖分界線不明顯。根據礦體不同賦存條件，地下開采使用主要采礦方法有機械化盤區上向分層充填采礦法、兩步驟空場嗣后充填采礦法和中深孔連續崩落采礦法等，其中以機械化盤區上向分層充填采礦法為主。在該采礦方法使用過程中，由于采用低成本的非膠結尾砂充填，在上下中段采場間留下較多的頂部礦柱以隔離上部非膠結充填體，這部分礦柱無法用常規采礦法回采。為尋求適合該階段頂柱賦存特點的安全與高效回采方法，山東黃金礦業(鑫匯)有限公司與院校合作共同開展了“復雜條件下頂柱礦體安全高效回采綜合技術”的研究。

1 頂柱回采方案

大莊子金礦深部礦體厚度一般為5～8 m，屬于中厚偏薄礦體，但由于礦體傾角較緩，礦體水平厚度一般可達15～25 m，厚者可達30 m。礦體沿走向連續性好，走向長度約300～400 m。該礦體圍巖節理裂隙發育程度較低，穩固性中等但局部有構造破壞，造成穩固性較差。礦體礦化邊界不穩定，局部膨大縮小，品位分布不均勻，礦體中夾石產出。且上部為非膠結充填體，直接頂板為厚度2～2.5 m的不均勻膠結充填體隔層。

1.1 頂柱回采方案優選

就頂柱賦存條件而言，崩落采礦法和空場采礦法是不適宜的，頂柱回采方法只限在充填采礦法中選用。因此，初步擬定出可供選擇的采礦方法為:上向分層組合進路充填采礦法、下向分層進路膠結充填采礦法、分段進路充填采礦法。通過對該3個回采方案的技術經濟指標及優缺點比較，最終確定“上向分層組合進路充填采礦法”為本研究的工業試驗方案。

1.2 上向分層組合進路充填法方案

上向分層組合進路充填采礦法方案以原采場邊界劃分采場，采場長30～50 m，高為頂柱垂直厚度8～10 m，寬為礦體的水平厚度，一般為15～25 m。采場間不留間柱，上下不留隔離礦層，實行連續回采。回采以自下而上分層回采方式進行，先在底部分層用沿走向寬進路逐一回采沿礦體走向寬進路至采場兩端邊界，并在未采側形成傾角為70°左右的斜壁，為相鄰進路回采時充填體自立創造條件。采用淺孔鑿巖、非電導爆管微差爆破崩礦、斗容0.75～1.0 m3電動鏟運機向下盤脈外溜井出礦、尾砂非膠結接頂充填綜合工藝。采場通風采用主通風系統加局扇的聯合通風方式，新鮮風流從階段運輸平巷經采區斜坡道進入分段平巷，然后經采場聯絡道進入回采工作面，污風從工作面用局扇排入采場上部聯絡斜道，進入上中段回風系統排出。工業試驗方案方案如圖1所示。

2 采場參數與回采順序優化

2.1 原始條件參數

階段頂柱回采初步設計方案采用上向分層組合進路充填采礦法回采方案，礦柱分2個分層回采，分層高度為4 m左右，最上分層回采時以上采場膠結充填體隔層為暴露頂板。回采進路分垂直礦體走向和沿礦體走向2種方式布置，進路工作面設計推進長度為15～20 m，進路寬為2.5～3.0 m。

圖1 上向分層組合進路充填采礦法方案

根據礦巖地質情況及試驗結果，礦巖物理力學參數如表1所示。

表1 礦巖物理力學參數

2.2 采場參數優化結果

回采進路頂板受力包括廢石或尾砂充填料重力、上下盤圍巖作用力及頂板自重。非膠結充填體由于質地松散，作用于護頂層上力的計算采用太沙基理論計算充填體松動范圍，將松動范圍內充填體重力作用視為均布荷載作用于護頂層上。

根據實際的礦巖物理力學參數，輸入進路頂板穩定性數學模型進行運算。當其它條件固定不變，僅改變分條跨度大小，在進路工作面垂直走向和沿走向2種情況下，頂板礦巖最小保留厚度隨進路跨度變化關系如表2所示。

表2 回采進路寬度與頂板保留厚度參數變化

3 頂柱回采工業試驗

頂柱回采試驗礦塊位于1－Ⅰ號礦體中部，礦塊長度約30 m，最大水平厚度25 m，平均厚度20 m，平均品位3.5 g/t，礦體走向0°～25°，傾向 SE，傾角30°～40°。礦體為斷裂形成的碳酸鹽化硅質碎裂巖，中等穩固巖體，頂底板巖石主要為黑云變粒巖、斜長角閃片麻巖等，除局部斷裂構造帶影響導致巖體穩固性較差外，一般穩固性較好，屬中等穩固巖體。礦石和圍巖體重為2.8 t/m3，松散系數為1.5，礦體與圍巖分界線不明顯，靠取樣分析結果確定礦體界線。

3.1 采準切割及回采順序

大部分利用下部原上向水平分層充填采場的采準巷道，再增加少量工程，即可形成頂柱回采的采準系統。

回采作業自下而上分層進路回采，第一分層采用寬進路回采，進路寬6～7 m，高度4 m，由下盤側切割平巷用大斷面掘進方式逐一向采場下盤推進，每次正常循環進尺為2.5 m左右，直至礦體上盤邊界，并在進路順序推進方向側形成傾角約為75°的斜立面，以便進路充填后形成自立斜壁。進路回采完畢即用非膠結尾砂充填料進行間隔多次充填接頂，最后經1 d時間脫水后，即可開始相鄰進路的回采。

最上分層的回采將直接暴露上部采場膠結墊層，為了減少暴露時充填體中的應力，保持充填體的穩定，上分層回采時的進路寬度須控制在3 m以內，回采順序采用一、二步驟間隔回采，一步驟回采后采用尾砂膠結充填接頂，二步驟非膠結充填，回采進路順序從采場一端向另一端推進，直至全分層全部采完。

3.2 采場鑿巖

頂柱回采采場進路回采鑿巖采用氣腿式鑿巖機水平淺孔鑿巖，炮孔直徑38～40 mm，深度2.0～2.5 m，孔距0.8 ～0.9 m，排距 0.7 ～0.8 m，筒形掏槽順序爆破方式落礦。為保護邊界礦體的完整性，增強回采進路頂板的穩定性，回采掌子面周邊炮孔采用光面爆破工藝。當二步驟進路回采時，為保護周邊充填體的自立能力，邊孔距充填體最小距離不少于 0.4 m。

3.3 采場爆破與通風

根據本工業試驗方法的特點和采用的水平淺孔多段微差與光面爆破相結合的落礦工藝，為達到最佳的落礦爆破效果，所用參數由正交試驗優化后確定。工業試驗采用的落礦爆破參數為:孔距為0.9 m，排距為0.7 m，裝藥系數為0.7;邊孔光面爆破參數為孔距0.6 m，光面爆破層厚度0.7 m，線裝藥密度0.25kg/m。裝藥工藝采用人工裝填乳化炸藥小藥卷，h1～h15半秒差導爆管雷管加孔外電力起爆器起爆。回采工作面通風利用主通風系統風壓加工作面局扇聯合完成。

3.4 采場出礦

試驗采場分層回采厚度設計為4 m，回采循環進尺為2.2～2.5 m，回采進路寬度采用上下分層不同的跨度，下分層跨長為5～6 m，上分層跨度為2.5～3.0 m，每次落礦體積約為22～53 m3，落礦量約62～148 t。每循環落下礦石由WJD1.0型電動鏟運機搬運至采場下盤脈外溜井中，自溜至中段運輸水平裝車運出。不合格大塊在工作面集中用人工破碎或二次爆破破碎后清除。

3.5 采場充填

進路回采完畢并清理殘礦后，應立即進行進路充填的準備工作，封閉進路口、架設充填管道、安設充填脫水管等。充填料為地表充填站+0.074 mm的分級尾砂，除上分層二步驟進路充填采用分級尾砂膠結充填(為相鄰進路回采創造條件)外，其他進路充填時均不加任何膠結劑。膠結充填料由分級層砂和充填專用膠結C料攪拌混合而成。充填料由地表充填站用管道輸送至充填采場，充填料水預設脫水管導出，并經間歇多次充填至進路接頂為止。

3.6 頂板管理

采用上向分層進路回采，回采時頂板以進路方式依次部分暴露，同時進路的寬度也因頂板礦層保留厚度不同而實行上下分層有別。經數值模擬分析計算，當沿礦體走向推進進路寬度為3.0 m時，礦石(或膠結充填體)頂板須保留2.6 m厚以上;當沿礦體走向推進進路寬度達到5 m時，礦石(或膠結充填體)頂板保留厚度在5.1 m以上，局部構造破壞處須采取局部支護措施，方可保證暴露頂板的安全。回采實踐表明，進路頂板除局部構造破壞部位需木支護外，一般情況下不加支護，同時實行強采強出，縮短頂板暴露時間，有效的保證回采過程的頂板安全。

4 主要技術經濟指標

工業試驗采場采用下盤脈外采準、分層組合進路回采、7655鉆機水平淺孔鑿巖、光面控制崩礦、電動鏟運機出礦、分級尾砂充填等綜合配套工藝，安全采出礦石1.5698萬t。經統計資料分析，取得的主要技術經濟指標如表3所示。

表3 工業試驗主要技術經濟指標

5 結論

(1)上向分層組合進路充填采礦法有效地解決了鑫匯金礦深部頂柱礦體回采中的安全性差、生產能力小、作業效率低、貧化損失大、充填成本高等綜合技術難題，其工藝先進，配套性好，實現了復雜條件下頂柱礦體的安全、高效、低貧損、低成本回采。

(2)采用下盤脈外采準布置和分層回采工藝，新增工程量小，設備利用率和出礦效率高。分層進路回采工藝可靈活調整回采邊界、剔除夾石和控制合適的頂板暴露面積，有效提高出礦品位。

(3)采用光面落礦技術，使崩礦爆破與光面爆破同時完成，工藝簡單。通過正交試驗優化確定的爆破參數，改善了回采落礦效果，同時又盡量減輕爆破對頂板的破壞，使采場頂板的穩定性與安全性增強。

(4)采用人工隔墻分級尾砂充填工藝，使大部分采用非膠結尾砂充填的進路在充填時，且在寬進路充填時形成斜壁自立面，采用不加任何膠結劑的分級尾砂充填后，能實現充填體在分層暴露高度內的自立，且大大降低充填成本。

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2011－02－13)

白復鋅(1960－)，男，吉林通化人，高級工程師，碩士，長期從事礦山生產技術和管理工作。