上向水平進路分層膏體充填采礦法在謙比希銅礦的應用*

李 輝 張晉軍 施發伍 楊清平 王貽明 焦華喆

(1.中色非洲礦業有限公司；2.北京科技大學土木與環境工程學院；3.河南理工大學土木工程學院)

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·采礦工程·

上向水平進路分層膏體充填采礦法在謙比希銅礦的應用*

李 輝1張晉軍1施發伍1楊清平1王貽明2焦華喆3

(1.中色非洲礦業有限公司；2.北京科技大學土木與環境工程學院；3.河南理工大學土木工程學院)

介紹了謙比希銅礦西礦體厚大礦體回采方案和膏體充填系統，運用自立強度計算方法論證了膏體充填強度的適用性，引入小斷面控制爆破技術有效控制了爆破震動對充填體的破壞。上向水平進路分層膏體充填采礦法成功應用，回采率提高至75%～80%，貧化率控制在6%，采切比降低至90～100 m3/kt，實現了采場的安全高效回采。

上向水平進路分層 膏體充填采礦法 兩步驟回采 充填體強度 小斷面爆破

謙比希銅礦年產礦石量200萬t，金屬量3萬t。該礦西礦體處于國際三大銅礦帶之一的贊比亞—剛果銅礦帶[1]，成礦作用為沉積變質作用，礦體為泥質巖體[2]，地質條件較差[3]。受地質作用影響較大，礦體及周邊巖體破碎，RQD值極低(10%～20%)，且極易遇水泥化崩解。礦體走向近東西，走向長1 400～2 100 m，傾向南，傾角為30°左右，平均真厚度為7.36 m，礦體東部和中部厚度較大，西部厚度相對較小，僅3～4 m。原采用分級尾砂上向進路分層充填采礦法，回采率僅為55%左右，不僅造成礦石資源浪費，而且采切工程量較大，給礦山帶來巨大的生產經營壓力。為了獲得較高的礦山技術經濟指標，保證在安全高效基礎上實現最大經濟效益，通過現場調研及可研論證，最終成功引進了膏體充填技術[4]。

膏體充填技術是將地表固體廢棄物(尾砂、廢石、爐渣等)制備成不離析、不脫水、不沉淀的料漿，通過管道泵送至井下充填采場，充填濃度高，充填體強度增長迅速[5]，解決了井下泌水量大、環境污染、充填體強度低、回采率低、充填接頂率低、作業環境差的問題，代表了綠色礦山技術發展的方向[6]。由于其良好的經濟、環境、社會效益，發展突飛猛進，目前在有色、黑色、煤炭領域均廣泛應用[7]。

1 上向水平進路分層膏體充填采礦工藝

1.1 回采工藝

采用進路分層法回采，進路回采后，其直接頂板為破碎礦體，兩幫為充填體或礦體。在水平應力和垂直應力共同作用下，一定跨度的破碎礦體將產生彎曲變形，當應力達到臨界強度值時，頂板礦體壓曲破壞。

根據進路開采的特點，應用梁結構極限穩定理論分析礦體的寬度(圖1)，設水平應力和垂直應力分別為p、q，根據公式

式中,Ls為允許的礦體安全寬度，m；h為截面高度，即回采進路高度，4 m；[σT]為巖石的許用應力，MPa；σT為巖石的極限抗拉強度，MPa；q為進路頂板承受的均布載荷，MPa；n為安全系數，取6。

通過計算，推薦西礦體進路的寬度控制在4～6 m。

圖1 梁結構力學模型

謙比希銅礦西礦體厚大礦體主要集中在中東部，厚14～30 m，礦石平均品位為2.05%，約占整個西礦體總資源量25%。為了有效回收礦石資源，根據礦體賦存條件，采用兩步驟回采方案(圖2)。

圖2 兩步驟回采示意

礦塊中段高64 m，分段高16 m，采場長66 m，間柱寬3 m，回采分層高4 m。根據礦體賦存厚度，控制進路回采寬度4～6 m，從上盤向下盤依次回采。進路采用Boomer281型鑿巖臺車鉆鑿長3.4 m、直徑為42 mm的平行水平孔，裝入φ38 mm乳化炸藥，爆破礦石通過LH307型鏟運機倒入溜井。回采進路應加強支護，采用管縫錨桿與4.5 m長錨索聯合支護，錨桿支護規格為1.2 m×1 m，長錨索支護規格為3 m×2 m。上盤進路回采到位后進行底腳刷礦，制作柔性擋墻后即可進行膏體充填。下盤進路回采到位后進行頂角，完畢后可安排采聯壓頂，進行膏體充填。采場進路均采用1∶12灰砂比膏體料漿，充填結束后進入下一分層回采。

1.2 膏體充填系統流程

全尾砂膏體充填有三大技術環節，即尾礦濃密、膏體制備和膏體輸送。添加單耗為20～30 g/t絮凝劑在25%～40%選廠尾砂料漿，利用深錐濃密機沉降濃縮至66%～68%，通過深錐底流泵泵送至一級攪拌槽，與水泥進行初步混合，混合充填料漿進入二級攪拌槽再次活化攪拌后，即可制備出濃度為67%～70%的合格膏體，由KOS2180HP型柱塞泵經地表充填鉆孔和井下內徑為124 mm襯膠鋼管輸送至充填作業面，平均充填能力為65 m3/h。膏體充填系統流程見圖3。

2 充填體強度核算及爆破控制

根據《有色金屬礦山生產技術規程》規定，上向分層充填采礦法膠結充填體的強度應滿足充填體保持自立和在承受爆破震動時不塌落的要求，通常不應小于1 MPa，同時，滿足鏟運機運行澆面強度通常為4～5 MPa。

在贊比亞，水泥不僅價格昂貴，而且供應量不足，在一定程度上限制了膏體充填水泥添加量的提高。同時，謙比希西礦體全尾砂中-200目(-74 μm)為70.85%，-400目(-37 μm)為46.98%，粒度極細，導致灰砂比在一定范圍內調整對其膏體強度增長幅度不大(表1)。通過在充填體表面鋪墊礦石可以保證鏟運機在澆面運行。現對充填體在側向暴露自立強度進行核定和驗算，并減少鄰近采場生產爆破擾動。

圖3 膏體充填系統流程

灰砂比膏體濃度/%不同天數膏體強度/MPa7d14d28d1∶8680.190.300.481∶12680.180.230.461∶1668000.211∶8700.400.60.901∶12700.240.320.501∶16700.200.250.31

2.1 充填體自立強度

充填體自立模型如圖4所示，保持自立的條件：在潛在破壞滑移面上，破壞阻力之和大于造成充填體失穩的動力。失穩的動力一般是指上部充填體的重力(G1)；破壞阻力包括潛在滑移面上的滑動面應力(T)和滑動充填體側壁與圍巖之間的剪切滑移阻力(T1)。即

(3)

圖4 充填體自立模型

對圖4進行力學分析,則

(4)

(5)

(6)

式中,L為充填體長度，取60 m；H為充填體高度,m；C為充填體黏結強度，取0.15 MPa；RV為充填體自立強度;U為充填體內摩擦角，取30°；k為側壓系數，取0.5；U1為礦體內摩擦角，取26°；C1為礦體黏結強度，取3 MPa；α為坍塌角，α=45°+U/2。

將式(4)～式(6)代入式(3)中，則

(7)

計算得出RV=0.36 MPa。

綜上分析，灰砂比1∶12、濃度67%～70%膏體可以滿足充填體自立強度要求。

2.2 控制爆破技術

二步驟進路回采鄰近低強度充填體，必須采取分段微差控制爆破技術，以盡可能降低爆破沖擊對充填體的破壞，控制和減少充填體垮塌造成的礦石貧化。

斷面分2次形成，第一次按小斷面布孔鑿巖和爆破(圖5中的陰影部分)；第二次按成巷斷面布置周邊孔起爆光爆層或采用非爆破方法開挖到巷道邊界。

圖5 小斷面超前光面爆破施工示意

掏槽眼深3.7m，輔助眼、二環眼、底眼深3.5m，使用φ38mm乳化藥卷；成型眼深3.5m，使用φ25mm藥卷。預留礦柱爆破時，采用“多打眼、少裝藥”方式，炮孔間距為550mm，炮孔距充填體300mm，采用φ25mm藥卷，孔內采用不連續裝藥結構，盡量降低爆破對充填體的破壞。鑿巖采用Boomer281型鑿巖臺車，設計每炮裝藥量為185.249kg，分6個段別起爆，炮眼利用率為84%，每炮進尺2.94m。充填體界面爆破控制設計見圖6。

圖6 充填體界面控制爆破設計(單位：mm)

通過采用充填體界面控制爆破技術，有效降低了爆破對充填體的破壞，提高了充填體完整性，降低了采場出礦貧化率。同時，對于采場穩定性也起到積極作用(圖7)。

圖7 充填體界面爆破效果

3 實施效果

2013年12月底—2014年12月底，上向水平進路分層膏體充填采礦法在謙比希銅礦西礦體成功應用，累計完成膏體充填量10.4萬m3，消耗水泥3 527 t，充填采場達60個左右。2014年西礦體回采率為67.2%，貧化率為8.9%，采切比由原來的180 m3/kt下降到120 m3/kt。尤其對于中部厚大礦體采用兩步驟回采膏體充填技術后，回采率達75%～80%，貧化率為6%左右，采切比降低到90～100 m3/kt，實現了提高生產技術經營指標，延長礦山服務年限，降低礦山綜合運營成本的目的。

4 結 論

針對謙比希銅礦西礦體中部厚大礦體，采用上向分層進路分層膏體充填采礦法，應用梁結構極限穩定理論，計算得出進路寬度為4～6 m；通過膏體自立強度理論計算，采用灰砂比1∶12、濃度67%～70%膏體充填采場，其強度滿足回采要求；采用低強度充填體界面控制爆破技術，有效降低和預防爆破震動對充填體破壞，對于提高采場穩定性及保證出礦品位起到了積極作用；該方法成功應用后，大大提高了技術經濟指標，且安全可靠，保證了礦山高效持續生產。

[1] 張晉軍,施發伍,陳志敏,等.謙比希銅礦破碎礦巖巷道分類分級支護技術[J].現代礦業,2013(7):74-76.

[2] 張東紅,肖 波,張 璨.贊比亞沉積型銅(-鈷)礦地質及未來礦業展望[J].地質與勘探,2013,49(3):577-588.

[3] 趙興國.贊比亞謙比希銅礦床地質特征[J].地質與勘探,2010，46(1):183-190.

[4] 胡文達,焦華喆,王貽明,等.基于H-B指數的謙比希銅礦全尾砂漿臨界濃度確定[J].現代礦業,2013(5):17-19.

[5] 王洪江,陳琴瑞,吳愛祥,等.全尾砂濃密特性研究及其在濃密機設計中的應用[J].北京科技大學學報,2011,33(6):676-680.

[6] 瑪旦江,王貽明,吳愛祥,等.破碎難采礦體的下向膏體充填法[J].金屬礦山,2014(3):4-8.

[7] 楊耀亮,鄧代強,惠 林,等.深部高大采場全尾砂膠結充填理論分析[J].礦業研究與開發,2007(4):3-4，20.

Application of the Upward Horizontal Drift Hierarchical Paste Filling Mining Method in Chambishi Copper Mine

Li Hui1Zhang Jinjun1Shi Fawu1Yang Qingping1Wang Yiming2Jiao Huazhe3

(1.Africa Mining Public Limited Company, China Nonferrous Metals Co.,Ltd.; 2.Civil and Environmental Engineering School, University of Science and Technology Beijing; 3.School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University)

The stoping scheme and paste filling system of the large and thick ore-bodies of the west ore-bodies in Chambishi copper mine are analyzed, the applicability of the paste filling strength is testified by adopting the independent intensity computation method, the destruction of blasting vibration to filling bodies is controlled effectively by using the controlled blasting technique with small section. The application results of the upward horizontal drift hierarchical paste filling mining method show that the recovery rate is improved to 75%～80%, the dilution rate is controlled to 6%,the stripping ratio is lowered to 90～100 m3/kt, therefore, the safe stopping with high efficient of the stope in Chambishi copper mine is realized.

Upward horizontal drift hierarchical, Paste filling mining method, Stoping with two steps, Intensity of filling body, Basting with small section

*國家自然科學基金項目(編號：51574013, 51374034)；國家安全生產監督管理總局安全生產重大事故防治關鍵技術科技項目(編號：Henan-0005-2016AQ)。

2016-08-12)

李 輝(1987—)，男，工程師，碩士，22592 利比亞基特維。