礬山磷礦安全高效充填采礦綜合利用先進技術

呂書平，常 偉，趙 海，吳 旭，王 超

(河北省礬山磷礦有限公司， 河北 張家口市 075641)

礬山磷礦安全高效充填采礦綜合利用先進技術

呂書平，常 偉，趙 海，吳 旭，王 超

(河北省礬山磷礦有限公司， 河北 張家口市 075641)

充填采礦方法開采過程中存在著效率、成本、安全、貧化、損失之間的對立統一矛盾。闡述了礬山磷礦西區充填采礦方法的優化過程，并結合生產實際，論述了分段菱形礦房充填采礦方法的關鍵技術、工藝流程及應用前景，為該采礦方法的進一步深入研究和優化提供了技術參數和指導方向。

高承壓含水層；采場結構參數；分段菱形充填采礦法；綜合利用

礬山磷礦根據高、低水位分界線將礦區分為東、西兩區，東區為低水位區，西區上覆高承壓Q2含水層。由于該含水層為附近居民的生活及農業用水，以及地表有公路、耕地和果園等不允許地表塌陷及破壞Q2含水層，致使礦山一直未進行采礦。造成礦山東西區開采下降速度明顯失衡，致使占礦區儲量2/3以上的西區磷鐵礦石資源不能開發利用，大大縮短了礦山服務年限，直接影響到礦山持續經營和發展。按原設計，東區到2017年將資源枯竭，而西區開發歷時6年已達到目前的90萬t/a，西區充填法采礦技術在保護地下水資源和生態環境的同時，實現了對西區礦體的安全高效開采，使長期不能開采的西區磷鐵礦石資源(保有資源儲量約3200萬t)得到充分開發利用，顯著提高了礦山經濟效益，對礬山磷礦的可持續、和諧發展起到突出作用。

1 西區充填采礦方法及工藝優化過程

為了使礦山持續穩定發展，礦山提出通過改變采礦方法對西區礦體進行開采。即西區采礦改原設計的疏干崩落法為充填法，在確保回采安全的同時保護水資源和地表環境。礬山磷礦已經開采東區十幾年，實踐中積累了較多礦巖變化規律、巖石力學性質的研究成果，以及西區基巖面、分化帶、Q2含水層厚度變化規律等第一手資料，具備實施充填采礦的技術優勢。

1.1 西區采礦方法技術優化過程

西區從2008年開始進行項目配套工程的設計和施工，2010年7月份開始采礦方法試驗，試驗工作進展并不順利，主要表現為礦巖層理、節理和裂隙發育，采場頂板不穩固，支護工作量大，如果工人在大面積暴露頂板下作業，作業安全條件差；因此，采礦工藝及采場布置形式多次被迫改變，先后由“點柱式”改為“垂直礦體走向留設連續間柱的房柱充填采礦法”，由于頂板暴露面積大又改為“上向水平分層兩步驟充填法”，一步驟礦房寬為8 m，二步驟礦房寬為7 m，但此種采礦方法仍然存在人員在大面積暴露頂板下作業，作業條件沒有得到改善。后又將“上向水平分層兩步驟充填法”改為“上向水平分層高低進路”(見圖1)以及“分段菱形礦房充填法”。從2011年7月份開始在437水平8-18#礦塊進行“上向水平分層高低進路”充填法采礦方法實驗；經過2年多的試驗，在回采第一分層時作業條件還比較安全，支護量相對較少，但在回采第二分層時由于第一分層充填接頂率較低，導致頂板大面積暴露，地壓顯現嚴重，每掘進2 m，均需要支護，作業效率低，安全作業條件差，回采成本高，采礦方法被迫改變。在進行上向水平分層進路法采礦方法試驗的同時，在425中段4-8#礦塊進行了“分段菱形礦房嗣后充填采礦法”試驗，經過近2年多的試驗，確定了此種采礦方法比較適合礬山磷礦礦巖條件。

圖1 上向水平分層高低進路采礦法

1.2 分段菱形礦房充填法采準工程布置

(1) 采用下盤脈外斜坡道采準，主要采切工程包括：分段沿脈聯絡道、分段采場聯絡巷、1#、2#鑿巖巷、出礦進路、出礦聯絡道、充填通風回風井、礦石溜井、切割井聯巷和切割井等。 采準工程布置首先確定分段沿脈聯絡道的位置，每個礦塊分別布置兩條溜井，溜井布置在下盤和出礦聯絡道位置，以此縮短掘進工程和回采出礦時鏟運距離，提高出礦效率。然后每個礦塊向礦體施工一條采場聯絡道，聯絡道到位后布置1～2條鑿巖巷，第一分段布置一條鑿巖巷，上部兩個分段布置兩條鑿巖巷，每個礦塊上下兩個分段對應形成一個菱形回采單元。具體布置見圖2。

(2) 礦塊沿礦體走向布置，長為50～60 m，寬為礦體水平厚度，18～20 m，中段高度為45 m，分段高為10～12 m，礦塊之間留設8 m寬的礦柱，在間柱內從上下兩個中段之間布置了通風、充填、泄水斜井。礦塊內按分段自下而上沿礦體傾向共計布置3個菱形礦房，高24 m，長25～52 m，寬為礦體水平厚度。底部結構布置在菱形礦房的底部，6～7條出礦進路和一條鑿巖巷，形成裝礦底部結構，由于礦山鑿巖設備及裝藥設備的限制，在下部兩個菱形礦房中央設計輔助鑿巖分段，兩個分段鑿巖巷鑿巖，底部鑿巖巷切割“V”型塹溝作為受礦巷，聯合出礦進路出礦，大大提高了回采率；礦房內殘留礦石，利用遙控鏟運機出凈；礦房出礦結束后立即充填，保證空頂時間不超過4個月，并嚴格接頂，待充填體終凝后再回采上分段礦房，進入下一采充循環。在礦房回采之前從上部中段礦體下盤沿礦體走向布置加固巷，從加固巷垂直礦體傾斜方向沿礦房全長向上布置施工長錨索。

圖2 分段菱形礦房充填法

試驗期間不斷進行采場結構參數優化和技術創新。對分段菱形礦房充填法礦房參數、底部結構、充填工程、充填灰沙比、采切比、頂板預支護、出礦設備改進等進行了優化，降低了采切比和采礦成本，提高了出礦效率和出礦的安全性；對充填參數和充填灰沙比進行優化，提高了充填接頂率、降低了充填成本。

經過現場工業試驗和近幾年采礦方法的不斷優化，西區充填法采礦試驗取得了成功，不僅實現了西區高承壓水下安全采礦的目的，同時也在逐步優化采礦方法、降低采礦成本、提高生產效率等方面進行了大量的研究工作。西區回采截止到2015年底共計回采工業礦體礦量251.24萬t，礦化圍巖85.27萬t，為礦山產能的提升和持續穩定發展奠定了基礎。西區采礦成本從2012年平均150元/t降低至2015年90元/t。充填成本從2012年的25元/t降低至2015年的12元/t。主要指標見表1。

表1 分段菱形礦房充填采礦法主要技術經濟指標

2 分段菱形礦房充填法關鍵技術和設備

(1) 保安礦柱安全合理厚度確定技術。在礦巖物理力學參數測試、工程地質調查研究、巖體質量評價及巖石力學參數工程處理等基礎上，通過巖土工程三維應力分析數值模擬軟件，對護頂隔離礦柱合理安全厚度和東西區隔離礦柱寬度進行了優化研究；確定：三層礦體均開采時護頂礦柱的厚度值數值模擬結果為121 m；兩層礦體開采時護頂礦柱的厚度值數值模擬結果為76 m。通過數值模擬計算，得到東西區隔離礦柱的最小安全寬度值為16.46 m。

(2) 保安礦柱加固技術。為防止礦體開挖后產生順層抽冒現象，在保安礦柱底部垂直礦體真厚度方向，按照排距3 m，每排3根，長度18～25 m的長錨索進行加固，進一步提高保安礦柱強度。

(3) 原有地質勘探鉆孔封孔檢查與堵漏技術。原地質勘探因控制礦體需要，都穿過了含水層和礦體，若原地質鉆孔未封孔或封孔質量不合格，地質鉆孔將成為導水通道，對采場生產構成威脅。采用手持GPS對全部地質勘探鉆孔進行地表位置定位，篩查出未封孔或封孔質量不合格的鉆孔，在地表采取水泥注漿方式對其進行處理。

(4) 物探探測導水構造技術。除未封孔或封孔質量不合格的地質勘探鉆孔可能構成導水威脅外，地質構造是可能導水的最大隱患；在地表采用電法物探手段，查明較大可能導水構造，結合井下井巷工程對其進行處理：預留保護礦(巖)柱。

(5) 充填接頂技術。分段菱形礦房回采完畢后形成的采空區主要采用從上部充填巷道每隔15 m施工充填鉆孔,保證充填料漿多點下料、多次充填、分區接頂工藝；接頂層提高充填料漿濃度，適當提高灰砂比；在礦房頂部提前施工充填巷道，采場爆破后和充填巷道貫通，利用充填料漿和采空區的高差等措施提高接頂率。

(6) 高精度導爆雷管和爆破振動測試儀的應用。采用高精度導爆管對采場進行爆破并定期采用爆破振動測試儀測試爆破振動，不斷優化爆破參數，有效控制了西區單響藥量，提高了爆破效果，大大降低了對地表居民區及Q2承壓水層的擾動，保證了西區礦體的安全回采。

(7) 遙控鏟車的引進與應用。鑒于西區分段菱形礦房充填采礦法的回采性質，單個礦塊回采到后期后，頂板暴露面積約為900 m2，空區長度為30 m，此時如果單單依靠電動鏟運機進行出礦，在不進入空區的情況下，損失率較高，不能滿足出礦需求，針對此問題，引進了國產遙控鏟運機，大大提高了礦石回采率，提高了經濟效益，同時確保了井下工人作業的安全。

(8) 空區探測儀的應用。礬山磷礦于2014年1月份引入了VS150-MK3三維激光掃描儀，經過一段時間的實踐應用，三維激光掃描技術確實對礦山的生產及安全具有很好的指導意義。采用三維激光掃描儀可以準確測算出采空區的體積，為下一步充填設計的完善和充填量的計算和C料量的準確計算以及爆破參數的優化和控制貧化率等提供了技術支持。

(9) 進口和國產液壓臺車的引進與應用。由于原施工中孔設備均為YGZ-90鉆機，施工中孔精度差，效率低，產生大塊較多，為了解決此問題，引進了施工中孔精度更高的進口液壓simber1253鑿巖臺車及國產華泰HT鑿巖臺車，引進設備后經實踐液壓1253鑿巖臺車鑿巖效率為120 m/班，國產華泰鑿巖臺車為100 m/班。大大提高了中孔施工效率，提高了施工中深孔的精度，改善了爆破效果。

3 結 論

(1) 研究提出了充填法采礦、礦柱支撐與位移變形監測多元化保護Q2含水層協同開采技術。本研究在采區和中段之間留有適量的保安礦柱，其能非常有效支撐圍巖和采場頂板，控制位移變形。位移和變形監測能檢驗充填體和礦柱的支撐效果，預報安全隱患。

(2) 研究開發了分段菱形礦房尾砂膠結充填采礦法，該采礦法是結合崩落法和充填法以及礬山磷礦西區礦體形態而研究開發的采礦方法，為國內外首創。該采礦方法的創新充分利用了無底柱分段崩落法的出礦結構，實現了分段空場采礦，嗣后充填空區，既有崩落法的采礦高效率，又具有充填法的安全性。

(3) 回采單元設計為菱形塊體，回采后空區頂板形狀近似拱形，利用了拱形巷道受力結構好的特點，也提高了礦房頂板的穩定性。采用計算機三維有限元數值模擬方法，建立礬山磷礦井下開采數學模型，對多種可能的采場結構參數、采空區暴露面積、礦柱尺寸、頂板隔離層厚度以及回采過程中的應力、應變和位移變化等方面進行數值模擬分析，為采礦方法選擇、開采順序優化、頂板隔離厚度確定等提供了理論依據。通過數值模擬和試驗，確定了礦柱安全尺寸、采礦方法的主要結構參數及適合于該采礦方法的充填工藝，有效防止了頂部高承壓含水層可能導致的危害。

(4) 該采礦方法設備、人員不直接在暴露面積較大的采場頂板下作業，作業安全條件較好；生產效率高，勞動強度小；充填成本低，充填接頂率高、質量好。采用遙控出礦設備，實現了空場條件下的安全高效出礦。

(5) 建立了適合礬山磷礦特點的地壓監測網系統。包括井上井下沉降觀測系統，微震監測系統。為礬山磷礦地壓活動控制與安全管理提供了可靠的依據。

(6) 豎井充填鉆孔管路耐磨技術研究，徹底解決充填鉆孔磨損快的問題，提高了充填鉆孔的使用壽命，保證了充填的及時性。

(7) 延長礦山服務年限，維持企業和礦區和諧發展。礬山磷礦隨著近幾年西區采礦的成功，增加可采礦量3200萬t，按目前的采礦規模礦山服務年限可新增14 a，更重要的是能夠穩定職工工作和生活，使職工安居樂業，實現職工與企業的和諧發展。

礦區周邊為國家葡萄種植產業示范園區，所在地也是歷史文化悠久的旅游保護區，西區充填法采礦能有效地控制采場頂板大面積沉降和塌陷，防止Q2隔水層和護頂隔離礦柱破壞，能夠有效保護高承壓水的安全，保護地下水資源和生態環境，使礦區周邊環境不被破壞，地表耕地、路面等不沉降。實現礬山磷礦西區礦體安全高效開采的同時，示范工程對于礦區生態環境保護具有積極的現實意義。

礬山磷礦西區 Q2高承壓含水層下采礦方法的試驗成功在國內化學礦山或者其它類似礦山行業中，緩傾斜、中等穩固圍巖、中厚以上賦存條件的磷礦山或者其它礦巖條件破碎的礦山可推廣或借鑒。分段菱形礦房充填法采礦，生產成本低，安全高效，工藝易于掌握，生產組織方便，為國內外類似礦山提供了開采經驗。

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王 耀(1982-)，男，碩士，采礦高級工程師，主要從事采礦技術工作。

2016￣10￣17)