上向水平分層膠結充填采礦法在貢北金礦的探索應用

房維科，李文軍，石 強，楊國徽

(甘肅瑪曲格薩爾黃金實業股份有限公司，甘肅 瑪曲 747300)

甘肅瑪曲格薩爾黃金實業股份有限公司貢北金礦于1991年發現，1993年開始露天開采，1999年轉入地下開采，生產工藝為堆浸產金。由于資源勘查力度不足，2003年停采，11年間累計采出礦石量32.83萬t，累計浸出黃金700kg。2004～2005年重新進行探礦工作，累計圈出金礦體19個。礦區多年來一直采用探采結合的方式進行礦石回收，采礦方法主要采用房柱法和淺孔留礦采礦法，年采出礦石量為3萬～5萬t。在回采過程中遇到頂板和巷道塌陷區，則礦石廢棄不出，另掘一條巷道繞過塌陷區，進行下一礦塊的回收。最大回采高度8～10m(由于頂板冒落，采空區高度一般大于此值)，由于礦區內大量采空區未進行處理，造成采空區頂板以上中段礦體無法回收。另外，保留礦柱比例大，礦石損失嚴重，并且考慮到空區頂板暴露面積大，存在安全隱患。

由此可見，礦山當前采用的采礦方法突出問題就是采切工程量大、礦石損失嚴重，為提高資源回收率，必須對采礦方法進行根本上的改變。

1 礦床地質及開采技術條件評價

礦床賦存于沙礫巖地層中，礦體大部分呈不規則長條脈狀、發散狀，沿走向和傾向都有膨脹、縮小，分支、復合現象。礦帶明顯受近東西向斷裂破碎帶控制，沿斷裂破碎帶有大量次生方解石脈、斷層泥充填。礦體斷層面呈波狀，此類斷層力學性質為壓扭性。

礦床地處西傾山西端南麓，屬中、高山構造剝蝕地貌類型，山勢西高東低，比高300～500m，地形坡度30°～50°左右。主體山脈走向近東西向，支脈呈梳狀由北向南展布。溝谷向北西山體侵蝕，多呈現“V”型或“U”型，只在較長山溝的中下段形成箱狀寬谷。礦區地下水靠大氣降水補給，以潛滲、暗流的形式排泄于山前斷陷沼澤盆地或下滲于深部構造斷裂帶排向深遠地帶。而礦區溝谷寬淺、地形坡度較大，碳酸鹽巖裂隙溶洞發育，沖擊卵石層透水性極好，極利于地下水、地表水的下滲排泄。

在探明的礦床中，有相當數量的儲量屬傾斜薄至中厚礦體，傾角35°～45°，厚度3～4.5m。礦體頂底板由灰質礫巖、白云質灰巖組成，呈厚層-塊狀構造，隱晶、粉晶質構造。巖石受地質構造破壞影響一般，節理裂隙發育，沿裂隙間均被方解石脈充填，巖石具強烈的赤鐵礦化、碳酸鹽化、硅化，巖體層間結合緊密，保持層狀整體結構。

礦體為紫紅色、褐紅色赤鐵礦化、硅化灰質礫巖型金礦石，礦石碎塊間不具粘結性、氧化性和自燃性。礦石比較堅固，穩定性好。礦區地表均被高原草根層覆蓋，無崖崩、滑坡、泥石流等自然災害。

目前，3570、3602兩個中段為主要開采中段，其中3602中段正在對Au3、Au6和Au8號等礦體進行設計回采；3630為殘采中段，主要開采Au16、Au26和Au27號礦體；3540中段正在進行開拓。

結合貢北礦區地質條件和現有開拓系統以及采空區實際情況，可以對貢北礦區開采技術條件作如下總體評價。

1)礦區巖石質量較差，尤其礦體頂板節理裂隙發育，當采空區跨度達到一定值后不采區有效措施不能自穩。

2)開采形成的空區較多，沒有得到有效控頂措施及采空區處理，部分采空區已連通成采空區群，造成采空區以上及周圍資源無法回收。必須采取有效措施對采空區進行處理，以提高資源回收率和礦山經濟效益。

3)目前貢北礦區開拓系統不夠完善，必須進行優化，才能提高開拓系統的適應能力。

4)當前采用的房柱法生產效率低，礦石損失率高，急需選擇更適合貢北礦區開采技術條件的安全、高效、經濟的采礦方法。

2 采礦方法

2.1 采礦方法的選擇

根據貢北礦區礦體的自身特征，考慮到國內外目前對于薄至中厚難采金礦脈地下回采方案基本有3種，即空場法、崩落法和充填法。由于崩落法對礦石損失大，貧化大，采切比過大，成本高，因此不予考慮。而對于空場法，因為礦石損失大(30%以上，而貢北金礦礦石品位較高)，貧化高，且隨著采空區的增加，頂板冒落、礦體壓垮、地壓災害頻現，對安全影響較大，因此也不采用。再結合相關巖石力學測驗和ANSYS有限元軟件對礦塊進行三維數值模擬，最終確定采用上向水平分層充填法[1]，這里主要介紹上向水平分層膠結充填法在貢北礦的應用。

上向水平分層膠結充填法采用了預控頂房柱法的采準布置、頂板處理方法，上向分層充填法的落礦工藝、出礦工藝和采空區處理方法(圖1)

1-脈外階段運輸巷；2-穿脈運輸巷；3-礦石溜井；4-行人天井;5-填充天井；6-充填料層(灰砂比1∶8)；7-充填料層(灰砂比1∶4)

2.2 采場布置和結構參數

1)采場垂直于礦體走向布置，長度為礦體水平厚度，寬度20m。

2)礦房礦柱交替布置，寬度均為10m。

3)將階段劃分為分段，分段高度9m，每個分段負責3個分層，分層高度3m(當遇到礦石和圍巖都很穩固時，分層高度可加大到4～6m)。

4)回采過程中，最小控頂高度2m，最大控頂高度4m。

5)采場裝礦采用人工和電耙。

2.3 采切布置

采用下脈外階段斜坡道采準方式，階段和各分段間通過采用斜坡道聯通，在相鄰礦房和礦柱中間布置掘進穿脈到達礦體邊界，從穿脈開始進行拉底工作。每個礦房分別沿上盤布置一條切割上山作為回采自由面，切割上山兼作通風上山和充填井，在礦房下盤布置人行井，兼作泄水通道，每一分層水平布置脈外出礦巷道和溜井。

2.4 回采工藝

采用YT-28型氣腿式鑿巖機挑采2.0m，不出礦，工人站在礦堆上打水平孔壓頂回采到設計高度。每次爆破后通風時間不少于40min，工作面炮煙排凈后，安全人員進入采場檢查頂板，清理浮石。確保采場安全后，采用鏟運機將崩落的礦石卸入分段溜礦井，再由農用小四輪經階段平硐運到硐外礦堆。采礦作業成本見表1，回采主要經濟技術指標見表2。

表1 上向水平分層膠結充填采礦法采礦作業成本

表2 上向水平分層膠結采礦法回采主要技術經濟指標

2.4.1 回采順序

為合理控制地壓，采用由首采區區段的中央向兩翼間隔采場回采方式(圖2)。

圖2 最優采場回采順序

根據免壓拱理論以及砌體梁假說，兩個間隔采場同時回采時，應使中央的采場超前兩翼采場回采(圖3)，為了兼顧無軌設備在相鄰采場間的方便移動，中間采場超前一個分層，即3.0m。本分層的鑿巖爆破、出礦、護頂和充填完成后，即可轉到上一分層，回采時采用后退式回采。

圖3 超前回采示意圖

2.4.2 鑿巖爆破

采用YT-28型氣腿式鑿巖機鑿巖，炮孔直徑40mm，孔深1.8m。分層水平頂部炮孔平行布置，進行光面爆破，以保證采場頂板盡量平整、穩固，同時對礦石頂板進行處理和支護。

2.4.3 通風

設計采用抽出式通風方式，新鮮風流經階段斜坡、分段平巷及采場聯絡道進入采場，沖洗工作面后，污風經充填回風井排入上階段回風平巷，可在回風充填井頂部設置局扇加強通風。

2.4.4 出礦

采用鏟運機裝礦石，經采場聯絡道、分段平巷，運輸到溜礦井卸礦，由農用小四輪運出硐外。

2.4.5 采場頂板管理

爆破落礦后并經過有效通風排除炮煙后，安全人員進入采場進行敲幫問頂，清理浮石。如果頂板礦巖異常破碎，經過撬毛處理后，還存在垮落危險，無法正常作業，可考慮其他頂板支護方式，如懸掛金屬網及布置錨桿等。

2.5 填充工藝

2.5.1 簡易填充系統

礦區的充填系統主要設在地表，充填尾砂、卵石或50mm以下的碎石由礦石車運輸，并由鏟運車運到充填站堆料場。并采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥作為充填體的膠結材料。結合礦山實際情況，充填制備站采用年工作200d，每天一班，每班6h的工作制度，日充填能力設計為200m3/d(圖4)。

圖4 填充系統工藝流程簡圖

2.5.2 填充步驟

每分層進路出礦結束后，應及時進行填充，控制地壓，防止圍巖變形，以保證相鄰進路的回采安全，進路采空區采用1∶8碎石膠結充填，回采的第一、二分層用1∶4高配比膠結體構筑假底，以提高下階段采場回采的安全性。填充步驟如下:

1)充填前的準備工作。①采場出礦完畢后，將設備移出采場；②構筑擋墻，密封采區。用木板封閉采區各個進路口，上部留出入口和觀察窗，隨著充填料的逐漸升高，逐步架高木板，同時密封好木板與巖壁之間的空隙，防止跑漿漏漿；③檢查地表充填制備站與充填采場之間的線路，信號裝置與照明設備。

2)采場充填。所有充填準備工作完成后，即可按配比進行采場充填。充填工作以充填天井為中心，由遠而近分段進行，為防止崩落的粉礦滲入充填體以及為出礦創造良好條件，每一分層充填體表面鋪設一層0.2m左右的混凝土底板?；炷恋匕鍛尤胨倌齽佋O1d后即可站在其上鑿巖，2～3d后即可爆破落礦和行走自行設備，充填作業成本見表3。

表3 上向水平分層膠結充填采礦法充填作業成本

3 采礦方法存在的問題及改進措施

上向水平分層膠結充填法能有效地控制圍巖變形、破壞和地表移動，為礦柱回采創造了有利的條件，礦石回收率高，貧化率低。但是充填成本高是本采礦方法的存在的主要問題，充填成本占采充直接成本的70%以上，其主要原因是水泥消耗量大，正常情況下，充填體水泥消耗量達到156～282kg/m3[2]；其次，填充骨料的采集破碎成本高。作業機械化程度低，施工隊伍素質良莠不齊，導致生產效率低下。貢北金礦礦體厚度變化較大(厚度1.2～17.3m)，巷道斷面規格基本為2.2m×2.0m，而且采場內多為坑木支護，故多采用人工鐵耙裝礦，人力推礦車出礦，工人勞動強度大，效率低，單個采區平均日出礦能力30t/d左右。

考慮到充填成本較高，貢北金礦應該在以后的生產應用中：①應擴大充填配比實驗，探索碎石最大控制粒度，以進一步提高充填質量，降低充填成本；②系統建成后，在生產應用過程中應不斷完善充填系統；③根據各采區圍巖的穩固性和強度要求，適當調整充填配比，在保證上下階段圍巖不片幫、不冒頂的前提下留適當空間不充填，以節約水泥和骨料消耗；④探索建立廢石不出井系統，用廢石直接充填采空區，從而緩解提升運輸緊張問題，降低充填成本[3]；⑤針對單個采區出礦能力低的問題，應采取電耙裝礦，農用四輪車運輸出礦；⑥加強施工隊伍管理，注重對施工隊伍素質培養。

4 結論

采用充填采礦法，礦山需要新建充填料制備站、充填系統。單純從投資及成本考慮，直接經濟效益較差。但是從礦山整體考慮，由于利用了礦山廢石作為填充骨料，其間接經濟效益、社會效益和環境效益顯著，減少了廢石堆場的管理費，減輕了廢石對環境的破壞；有效控制頂板暴露面積，確保井下回采安全，直接控制地壓，緩解地表變形，保護草原生態；礦石回收率將提高到90%～95%，回收率提高到20%～25%(目前回收率為70%)。

可以預計，隨著采礦技術的進步和礦山設備的創新研發，以及機械自動化程度的提高，不光是貴金屬礦、富礦適合采用上向水平分層膠結充填法，此采礦法也將在其他類型礦山得到廣泛應用。

[1] 王湘桂，唐開元. 礦山充填采礦法綜述[J]. 礦業快報，2008(12)：1-5.

[2] 李德輝. 設計膠結充填采礦法的幾點看法[J]. 有色冶金設計與研究，1991(2):72-75.

[3] 聶世磊. 上向水平分層充填采礦法在麻姑山銅鉬礦的應用[J]. 金屬礦山，2002(3)：52-53.