多礦脈上向水平分層充填采礦法的優(yōu)化分析

石 勇

（金誠(chéng)信礦業(yè)管理股份有限公司，北京 101500）

上向水平分層充填采礦法是上向分層充填采礦法中的一種，與其對(duì)應(yīng)的還有一種采礦方法為上向傾斜分層填充采礦法，是礦產(chǎn)資源開采中常用的一種采礦方法，對(duì)開采工作面進(jìn)行分層開采，將礦石采出部分用填充物進(jìn)行填充，保證開采工作面的穩(wěn)定性和礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性。按照開采單元的大小，上向水平分層充填采礦法可分為礦塊上向分層充填采礦法和盤區(qū)上向分層充填采礦法，當(dāng)?shù)V房和間柱的布置是垂直于礦體走向時(shí)，多采用盤區(qū)上向分層充填采礦法，每個(gè)盤區(qū)包含多個(gè)礦房和間柱，并且一條斜坡道為一個(gè)盤區(qū)服務(wù)；當(dāng)?shù)V房和間柱的布置是沿著礦體走向時(shí)，多采用礦坑上向分層充填采礦法。按照采礦工作面中是否存在點(diǎn)柱，又可以將上向水平分層充填采礦法分為有點(diǎn)柱分層充填采礦法和無(wú)點(diǎn)柱分層充填采礦法，點(diǎn)柱的作用是用于支撐采礦空間頂板，其外形呈圓柱形或者方柱形，直徑在6m~9m之間。上向水平分層充填采礦法具有難度低、易實(shí)施、成本低等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其適用于開采礦石、圍巖比較穩(wěn)固的礦體，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到礦產(chǎn)開采領(lǐng)域中。隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷加快，人們對(duì)于礦產(chǎn)資源的需求呈現(xiàn)出持續(xù)上升的狀態(tài)，目前大部分埋深淺、易開采的礦山資源已經(jīng)基本開采完畢，為了增加礦產(chǎn)資源儲(chǔ)備量，國(guó)內(nèi)加大了對(duì)多礦脈的開采力度，多礦脈地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有較大的開采難度，上向水平分層充填采礦法在實(shí)際應(yīng)用中，采礦頂板下沉量較大，嚴(yán)重威脅了采礦安全，為此提出多礦脈上向水平分層充填采礦法的優(yōu)化分析。

1 多礦脈上向水平分層充填采礦法的優(yōu)化設(shè)計(jì)

多礦脈是一種以板狀為主、礦體形狀不規(guī)則、圍巖穩(wěn)定性較差的礦床，并且經(jīng)常與礦床地層形成一定的角度，上向水平分層充填采礦法在對(duì)多礦脈開采實(shí)際應(yīng)用中，采礦參數(shù)、填充材料選取和配比仍然沿用普通礦床上向水平分層充填采礦方法，并沒(méi)有考慮到多礦脈開采需求和地質(zhì)特點(diǎn)，這也是上向水平分層充填采礦法應(yīng)用過(guò)程中采礦頂板嚴(yán)重下沉的主要原因。針對(duì)多礦脈地質(zhì)特征和開采需求，對(duì)上向水平分層充填采礦法進(jìn)行優(yōu)化分析，主要是對(duì)采礦參數(shù)和填充材料方面優(yōu)化，下文將重點(diǎn)對(duì)該兩方面進(jìn)行優(yōu)化分析。

1.1 多礦脈上向水平分層充填采礦參數(shù)優(yōu)化

在一般情況下，上向水平分層充填采礦方法在應(yīng)用過(guò)程中，采場(chǎng)的寬度為18m，采場(chǎng)的長(zhǎng)度為75m。該采礦參數(shù)的選取是在礦床地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，可以搭建過(guò)寬或者過(guò)長(zhǎng)的采場(chǎng)，但是多礦脈地質(zhì)結(jié)構(gòu)多受到斷裂、褶皺、斷層等構(gòu)造影響，導(dǎo)致多礦脈地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極差，如果采場(chǎng)寬度、長(zhǎng)度等采礦參數(shù)取值過(guò)大，將會(huì)出現(xiàn)塌陷、采礦頂板下沉等現(xiàn)象[1]。根據(jù)以上分析，多礦脈上向水平分層充填采礦參數(shù)優(yōu)化是主要優(yōu)化內(nèi)容。為了確定準(zhǔn)確的開采參數(shù)，需要對(duì)多礦脈礦柱安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，其計(jì)算公式如下：

公式（1）中，L 為礦柱抗壓強(qiáng)度，多礦脈礦柱抗壓強(qiáng)度為65MPa；D 為采場(chǎng)寬度；H 為采場(chǎng)長(zhǎng)度。將采場(chǎng)寬度取值為13 m、14 m、15 m、16 m、17m，采場(chǎng)長(zhǎng)度取值為50m、55 m、60 m、65 m、70 m帶入上述公式中，分別計(jì)算出不同采場(chǎng)參數(shù)下，多礦脈礦柱的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果分別為2.3K、2.5 K、2.1 K、2.0 K、1.8 K。根據(jù)多礦脈礦柱的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果，將多礦脈上向水平分層充填采礦參數(shù)優(yōu)化，將采場(chǎng)寬度調(diào)整為8-12m，采場(chǎng)長(zhǎng)度調(diào)整為55m，以此完成多礦脈上向水平分層充填采礦參數(shù)優(yōu)化。

1.2 多礦脈上向水平分層充填采礦法填充材料優(yōu)化

上向水平分層充填采礦法的填充材料主要以分級(jí)尾砂為主，分級(jí)尾砂原料主要來(lái)源于礦山開采的廢渣和廢料中，通過(guò)對(duì)廢舊砂石進(jìn)行分級(jí)，選取出37um以下的物體作為填充材料[2]。在一般普通礦山開采中，以分級(jí)尾砂作為主要填充材料，就可以滿足對(duì)礦產(chǎn)工作面的支撐需求。但是多礦脈地質(zhì)結(jié)構(gòu)不規(guī)則，顆粒直徑比較小的分級(jí)尾砂抗壓強(qiáng)度比較低，物理性能較弱，并不能滿足多礦脈工作面支撐需求，因此需要對(duì)填充材料進(jìn)行優(yōu)化。與分級(jí)尾砂對(duì)應(yīng)的是全尾砂，全尾砂是沒(méi)有經(jīng)過(guò)分級(jí)的礦石材料，其粒級(jí)比分級(jí)尾砂大，物理性能方面要優(yōu)于分級(jí)尾砂，下表為分級(jí)尾砂填充物與全尾砂填充物物理性能對(duì)比。

表1 分級(jí)尾砂填充物與全尾砂填充物物理性能對(duì)比

從上表中可以看出，全尾砂礦壓強(qiáng)度要優(yōu)于分級(jí)尾砂，因此在多礦脈上向水平分層填充開采中將分級(jí)尾砂填充材料更改為全尾砂，提高填充物的物理性能[3]。除此之外，為了使填充物的抗壓強(qiáng)度更高，還需要對(duì)填充物的配比進(jìn)行優(yōu)化[3]。傳統(tǒng)填充材料配比為：尾砂、水泥、水、減水劑的比例為6:2:1：1,這種配比配置的填充物擴(kuò)展度為250mm,塌落度為140mm，抗壓強(qiáng)度為19.8PMa,《多礦脈采礦技術(shù)規(guī)范》中要求填充材料的塌落度在130±15mm，擴(kuò)展度在100±45mm，抗壓強(qiáng)度不得低于40 PMa，由此可以看出傳統(tǒng)填充材料配比并不滿足多礦脈采礦技術(shù)要求。據(jù)有關(guān)研究資料中闡述，填充材料的抗壓強(qiáng)度、擴(kuò)展度以及塌落度與水泥摻量有關(guān)，因此選取三種不同水泥配比，測(cè)試填充材料的物理性能[4]。測(cè)試結(jié)果顯示：尾砂、水泥、水、減水劑比例為5:3:1：1，填充材料擴(kuò)展度為100mm,塌落度為80mm，抗壓強(qiáng)度為24.6PMa；尾砂、水泥、水、減水劑比例為4:4:1：1，填充材料擴(kuò)展度為80mm,塌落度為50mm，抗壓強(qiáng)度為45.4PMa；尾砂、水泥、水、減水劑比例為3:5:1：1，填充材料擴(kuò)展度為150mm,塌落度為130mm，抗壓強(qiáng)度為21.9PMa。根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，將多礦脈上向水平分層填充材料配比優(yōu)化為：尾砂、水泥、水、減水劑比例為4:4:1：1。

此外在填充材料制作過(guò)程中，添加適量藥劑，可以使填充材料質(zhì)量濃度為70%的全尾砂漿沉降特性得到明顯的改善，同時(shí)在每立方米中70%的質(zhì)量濃度的全尾砂漿中增加藥劑也可使清濁界面得到快速的沉降。再向立式砂倉(cāng)中添加適量的藥劑可以實(shí)現(xiàn)砂漿的動(dòng)態(tài)沉降，實(shí)現(xiàn)在輸入砂漿的過(guò)程中，將填充材料完全溢出填充，從而有效控制采礦頂板的下沉。通過(guò)以上對(duì)采礦方法的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)多礦脈上向水平分層填充采礦法的優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)以某多礦脈為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該礦脈面積約4562m2，長(zhǎng)度約268m，礦體深度為1168m~1545m，礦山內(nèi)含豐富的銅、金、鐵等礦產(chǎn)資源，礦石類型以石英脈型為主，次為硅質(zhì)巖型和花崗斑巖型，開采難度比較大。實(shí)驗(yàn)分別使用傳統(tǒng)上向水平分層填充采礦與優(yōu)化后的采礦法進(jìn)行采礦，礦洞填充材料分別選取分級(jí)尾砂和全尾砂，填充材料按照上文提出配比進(jìn)行調(diào)配，開采過(guò)程中記錄開采頂板的下沉情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)以采礦頂板下沉量作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨機(jī)選取十個(gè)采礦區(qū)域頂板下沉數(shù)據(jù)，對(duì)優(yōu)化前后多礦脈上向水平分層填充采礦法進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

表2 優(yōu)化前后采礦頂板下沉量（mm）對(duì)比

從上表中可以看出，應(yīng)用優(yōu)化后的多礦脈上向水平分層填充采礦法采礦頂板下沉量明顯低于優(yōu)化前，傳統(tǒng)采礦法采礦頂板下沉量在2.15m~6.85mm之間，平均下沉量為4.12mm，而優(yōu)化后的采礦方法頂板下沉量在0.09~0.14范圍內(nèi)，平均下沉量為0.11mm，實(shí)驗(yàn)證明了此次提出的優(yōu)化方案具有良好的實(shí)用性，可以有效解決采礦頂板的下沉問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

上向水平分層充填采礦法的應(yīng)用對(duì)多礦脈或者其他復(fù)雜礦脈開采質(zhì)量具有重要作用，本文針對(duì)目前現(xiàn)有的上向水平分層充填采礦方法中的缺點(diǎn)和不足，對(duì)其進(jìn)行合理優(yōu)化，改善其在多礦脈開采應(yīng)用中采礦頂板下沉量較大的問(wèn)題，有效保障了多礦脈開采安全，并且可以在一定程度上提高多礦脈采礦工程的質(zhì)量和礦產(chǎn)資源的利用率。但在該采礦方法中仍然存在其他某些方面的問(wèn)題，制約著多礦脈采礦的效率和速度。因此，還需不斷對(duì)上向水平分層充填采礦法進(jìn)行優(yōu)化研究，從而提高對(duì)礦產(chǎn)資源的利用率，使多礦脈采礦工程更加規(guī)范化，促進(jìn)采礦企業(yè)的發(fā)展。