充填采礦法在大紅山鐵礦的應用

黃體興

摘要：充填采礦法是一種很符合持續發展理念、綠色礦山理念的實用技術，目前在大紅山鐵礦I號銅礦帶深部150萬t/a采礦工程、III、IV號礦體和280m小富礦體等處取得了良好的效果，不但可以減少尾礦和采切廢石的排放，而且有效的降低生產成本和提高安全性能。

還有二道河礦段100萬ta采礦工程未“三下”開采，也必須采用充填采礦法，目前正在建設配套的充填系統。

關鍵詞：充填采礦法；綠色環保；安全高效

1.大紅山地質和采礦方法簡介

1.1地質簡介

大紅山鐵礦根據礦體平面分布、產出部位、埋藏深度、構造邊界等因素，可劃分為淺部鐵礦、深部鐵礦、曼崗河北岸鐵礦、哈姆白祖鐵礦和Ⅰ號鐵銅礦帶等五個地段。五個地段經勘探查明有五個主要含礦帶，共計71個礦體，其中大型礦體3個、中型礦體7個、小型礦體61個。共計有鐵礦石總儲量45825.34萬t（未包含熔巖鐵礦）/55790萬t（含熔巖鐵礦），TFe品位36.32%/33.41%，其中表內34112.75萬t，TFe品位40.94%，表外11712.59萬t，Tfe品位23.05%。銅礦石總儲量約7567.15萬t，銅平均品位0.53%，伴生鐵品位TFe20.09%。

根據礦體產出層位和部位，由下而上劃分為7個含礦帶，其中有工業礦體的礦帶5個（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）。礦體的產出層位，上部以鐵礦為主，下部以銅礦為主。Ⅱ礦帶為主要鐵礦帶，Ⅳ、Ⅴ礦帶為鐵礦，Ⅰ、Ⅲ礦帶為鐵銅礦帶。各礦體的空間位置如下：

1.2采礦方法簡介

1.2.1無底柱分段崩落法采礦法

大紅山鐵礦中部采區、南翼采區和主采區等400萬t/a一期已回采結束的采區及西翼采區、西上采區、東上采區等400萬t/a二期正在進行的采礦工程均采用無底柱分段崩落采礦法。

主礦體整體回采順序自上而下開采，其中主采區合采部分礦體較為厚大，從礦體中部朝南北向拉槽，邊角部分輔助拉槽形成補償空間，礦塊回采時整體向切割槽兩翼及側翼后退式回采，多分段梯段式同時出礦，上分段回采工作面超前下分段回采工作面大于一個分段的距離。分采部分多從礦體上盤拉槽形成補償空間，礦塊回采時從切割槽位置后退式回采。崩落礦石采用6m?電動鏟運機（3m?柴油鏟運機作為輔助）鏟裝礦石通過礦塊溜井下放至階段（中段）有軌運輸水平裝車運至轉運系統，礦石經破碎后通過膠帶運至地表礦倉。

1.2.2點柱式上向水平分層充填采礦法

大紅山鐵礦I號銅礦帶深部150萬t/a采礦工程采用點柱式上向水平分層充填采礦法。主要開采對象是銅礦帶Ⅰ3、Ⅰ2及Ⅰ1礦體。礦體間夾層厚度從零米到幾十米不等。礦體整體走向近東西，向南傾斜，傾角一般在12°～55°之間，平均傾角35.7°；礦體厚度在1.7～21.4m之間，平均厚度6.9m。

I號銅深部一期采礦工程設計開采400～700m標高之間礦體，沿礦體傾向方向劃分為三個階段自下而上同時開采，階段高度100m，分段高度20m，盤區沿礦體走向布置，每300m劃分為一個盤區。采場分層回采高度4m，礦塊長度50m，礦塊寬度為礦體水平厚度，礦塊高度按一個分段高度劃分，礦塊內按8～12.5m間距留設5*5～12m點柱或條柱，每個礦塊上盤均布置充填回風上山貫通上分段回采聯道，斷面尺寸2m*2m，角度≥45°，礦塊間留4m寬間柱。采場溜井、回風上山等按300m間距設置，充填回風平巷按階段設置于礦體下盤，負責階段的回風和充填及作為上階段的排（集）水通道。

各中段首分層用1：4灰砂比的水泥尾砂漿充填，并在其底板鋪設200*200Φ16鋼筋網，以利于下中段最上分段的回采；其它分層回采結束后先用廢石充填，再用分級尾砂充填，之后最上層的0.8m用1：6灰砂比的膠結尾砂漿充填，以利于鏟運機和汽車運行。各中段首采分層充填厚度2.5m，留出1.5m，以留出上分層回采爆破的空間，其它分層每次充填總厚度同回采分層厚度，為4m（最后一個分層充填接頂）；為便于充填時的脫水和回采時的排水，在采場回采聯道適宜位置設置濾水孔。采礦方法大樣圖見圖2：

1.2.3分段空場法采礦法（含嗣后充填）

大紅山鐵礦分段空場采礦法主要應用于III、IV號礦體、720m頭部、分采采區和I號銅礦帶淺部（760～800mI1礦體）。礦體沿傾向方向劃分為階段自上而下開采（分采采區自下而上），階段高度40～80m，分段高度10～30m，盤區沿走向布置，長約100～200m，沿傾向水平寬度約40～45m（含礦柱）左右，盤區內按沿走向長50-80m劃分礦塊，礦塊寬度40～45m（含礦柱）左右礦塊及盤區間沿傾向留沿傾向礦柱，盤區間沿走向留沿走向礦柱，礦柱寬度6～8m（礦體較厚時取大值，礦體較薄時取小值）。

采用嗣后充填空區的采區在盤區或礦塊回采結束后及時澆筑密閉墻密閉采空區，之后采用廢石或分級尾砂充填采空區，廢石采用卡車運至上盤充填平巷通過充填小井對空區進行充填，分級尾砂則通過充填鉆孔下放至采空區充填，尾砂質量濃度要求68～70%。采礦方法大樣圖見圖3：

1.2.4房柱法采礦法

大紅山鐵礦房柱法采礦法主要應用于I號銅礦帶淺部、720m頭部和III、IV號礦體厚度為3～9m的緩傾斜礦體。礦塊沿走向布置，礦塊長50m，水平礦體礦塊寬約55m，傾斜礦體按20m分段高對應的水平寬度劃分。沿走向相鄰4個礦塊劃分為一個盤區。礦塊間沿走向和傾向留隔離礦柱，礦柱寬度3m，礦塊內均勻留點柱，點柱間距約9～11m，點規格為3×3m，在礦體較厚的地段，礦柱應適當加大，保證礦柱能有效留設并穩定支撐。傾斜礦體的分層高度按水平寬度約9～11m對應的高度劃分。

回采工作面自上而下逐步推進，回采作業采用氣腿式鑿巖機打淺孔爆破落礦。傾斜礦體回采時，先將各分層未掘到盤區端部的回采進路推進到盤區端部，之后各分層自盤區兩端向盤區中部后退回采礦石。水平礦體回采時，利用已掘到盤區端部的回采進路作為回采通道，自盤區兩端向盤區中部后退回采礦石。回采過程中，必要時應采用錨桿或錨索對頂板進行錨固，以保證生產安全。采礦方法大樣圖見圖4：

4.充填采礦存在的問題及改進方向

以玉溪大紅山礦業有限公司為例，在綠色開采過程中取得豐碩成果的同時，亦存在不少問題亟待解決。

2.大紅山鐵礦充填簡介及應用現狀

2.1充填系統簡介

充填系統主要服務于Ⅰ號銅礦帶深部150萬t/a及III-IV礦體80萬t/a采礦項目。深部I號銅礦帶充填方式為廢石+分級尾砂膠結充填，III、IV礦體充填方式為廢石+分級尾砂水力充填。充填料選用大紅山鐵礦井下掘進廢石和選廠產出的尾砂，采用立式砂倉和攪拌槽制備充填礦漿自流輸送工藝。

選廠尾砂通過Φ53m濃縮機濃縮后，底流濃度為40%左右的尾砂漿經過渣漿泵、新增充填隔膜泵加壓，輸送至充填制備站2#立式砂倉頂部的旋流器，經旋流器分級后得到濃度為68%左右的尾砂漿，通過分料槽分別為4個立式砂倉給料。經過沉砂、水氣聯動造漿放出質量濃度67%～70%的尾砂漿進入攪拌槽攪拌。膠結充填時，按灰砂比1：4的比例加入P42.5標號的水泥，制備成質量濃度為70%～74%的砂漿，再由管道自流輸送到井下進行充填；分級尾砂水力充填時則不需添加水泥。旋流器分級后溢流和立式砂倉頂部溢流細粒泥級尾砂通過立式砂倉溢流口經Φ530mm管道自流至二、三選廠濃縮池。充填系統流程如圖5所示。

2.2充填采礦法的應用效果

從2013年元月充填制備站投入運行以后，充填采礦法在大紅山鐵礦開始應用，其中I號銅礦帶深部150萬t/a采礦工程采用點柱式上向水平分層充填采礦法和III-IV礦體80萬t/a采礦工程采用分段空場法（嗣后充填）采礦方法。已采用廢石+尾砂或尾砂充填處理采空區368萬m?，處理量為70多萬m?/a。井下掘進廢石排入采空區，基本實現廢石不出井，提高充填強度和脫水效果的同時減少了廢石運輸成本和運輸風險，還能減少廢石場建設維護。尾砂消耗量約50萬m?/a，有效減少尾礦外排量。采用充填采礦法的采空區處理情況如下表：

充填采礦法與其它采礦方法對比，有一下優點：

（1）充填體充入采空區后直接與圍巖接觸，對圍巖提供一定的側向壓力，從而可以有效地調整采場系統的能量釋放速度，提高地下采礦系統中抵抗動態作用的能力，限制圍巖變形的繼續發展，防止采空區繼續冒落。

（2）充填體具有應力隔離作用。充填體是在采場開挖后充入的，雖然其后受到開挖的影響，并承受部分轉移來的應力，但在采場結構中畢竟充填體的剛度小，變形性能大，因而所承受的應力較小，這就可以對采場圍巖高應力區起到一定的應力隔離作用，保證回采工作的安全。

（3）充填體可以改善礦柱的應力狀態，提高礦柱的強度和支撐頂板的能力。空區充填后，充填體包裹礦柱，給礦柱表面一定的側壓力，使礦柱處于三維應力狀態，提高礦柱強度。對于礦柱發生破壞的采場，如果立即進行充填，則破壞很快停止而趨于穩定狀態，巖音頻度迅速降低以至消失。

（4）雖然尾砂充填體承載能力有限，但其重要的作用是消除了空區，可阻止頂板變形破壞的發展，消除頂板大面積冒落的可能性，避免災難性的地壓活動。

（5）充填體在深部開采時可控制巖爆的產生，并可有效抑制地表塌陷。

2.3充填技術的發展

隨著國家政策的轉變，對安全生產、環境保護等的要求越來越高，充填采礦法可以較少甚至消除尾礦庫、廢石場等工業危害，是符合持續發展理念、綠色礦山理念的實用技術，應用和發展前景十分廣闊。對于大紅山鐵礦而言，為降低充填采礦成本、提高充填體質量，實現充填采礦的創新發展和擴大應用成果，需進行以下方面的應用研究應用：

（1）將分級尾砂改造為全尾砂，既增大了尾砂消耗量，又減小了細粒級對尾礦庫的危害；

（2）尋找水泥替代品，研究能滿足充填體強度要求的新型低成本膠結材料來降低充填成本；

（3）結合邊角小礦體采礦和充填的特點，設計出滿足安全規范又便于充填的新工藝，實現因礦生法、因礦而異的充填采礦技術新理念；

（4）加強充填全過程的自動化和智能化改造，實現信息化、智能化的充填信息管理系統；

（5）利用尾砂和廢石對塌陷區進行治理；

（6）利用充填技術對1號銅淺部，II1頭部等前期形成采空區進行治理。

3.結束語

充填采礦法是實現金屬礦綠色開采發展的重要載體。從當前采礦工程領域的發展中，充填技術已經成為了該領域發展中十分高效的一種方法。由于充填采礦法具有安全、高效等多個方面的優勢，是其他許多方法不可取代的。然而，從實際的充填技術應用中，我們也不難看出該技術中還存在著一些不足。因此，我們必須不斷的對充填技術進行研究和分析，創造出更好、更有效的應用方法來解決當前存在的問題，進而在促進充填技術應用提高的基礎上，促進采礦工程領域的發展和進步。

參考文獻：

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