廠壩鉛鋅礦充填關鍵技術研究

張軍奎 張雄天 趙永峰 朱文志

（蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

礦業開發對國民經濟的發展至關重要，礦產資源開發利用的同時必然伴隨著生態破壞，環境污染等問題，因此，在實際開采中需要采取有效的措施進行優化，不斷創新新工藝、新方法，盡量減少礦業開發對生態環境的破壞［1-4］。充填采礦法可有效地減小采礦活動對生態環境的破壞，提高礦石的回采率和降低礦石的貧化率，同時可以預防和控制井下采礦時巖爆及火災的發生，可以較好地增加礦山企業的綜合效益。因此，充填采礦法在深部開采中的應用將會越來越廣［5-6］。本研究以甘肅省廠壩鉛鋅礦為對象，在深入分析礦山開采現狀的基礎上，提出了在廠壩鉛鋅礦采用充填采礦法的具體實施方案，并對充填采礦中的一些關鍵技術進行了分析研究，希望以此能夠對國內類似礦山提供一些借鑒。

1 礦山發展現狀及存在的主要問題

白銀有色集團廠壩鉛鋅礦是國家“七·五”、“八·五”期間重點建設項目，是白銀有色集團股份有限公司主要的鉛鋅原料基地，屬大型鉛鋅采選聯合礦山企業。該礦山開發建設開始于上世紀80年代，按照原設計規劃，礦山的整體開發建設分為露天開采和井下開采兩階段。截止2006年，露天開采終結，完全轉入井下開采。整合后的原廠壩、李家溝、小廠壩3個采區生產能力達到了300萬t/a。

礦山自1986年開始，無正規設計的群采活動存在于廠壩、李家溝采區，并且愈演愈烈，對廠壩和李家溝礦床造成了嚴重的破壞，形成了大量不穩定空區，初步估算總采空區面積達到了300萬m3，大量的不穩定空區對礦山安全生產構成了極大的威脅。此外，礦山一直沿用的空場采礦法，采礦損失、貧化率偏大，實際生產中損失率達22%、貧化率達20%，造成了礦產資源的嚴重浪費，制約了企業的可持續發展；同時多年的無序生產，導致通風條件較差。

2 充填采礦方法研究

針對廠壩鉛鋅礦實際生產中存在的問題，根據礦巖體穩定情況及礦山開采技術條件，結合現場實際及工程經驗，礦山實際生產中亟需采礦方法的變革。

根據礦山開采現狀及礦山發展的需要，結合國內外開采同類礦體的經驗與發展趨勢，廠壩鉛鋅礦采礦方法必須保證深部開采的生產安全，針對不同開采區域需體現出適應性和靈活性，同時生產能力大、效率高，為礦山達產創造條件。新選擇的采礦方法盡量利用礦山現有開拓采準工程，具有采準工程量少，投產快，礦石貧化、損失率低以及能耗少，成本低，投資省等優點。經過綜合分析及研究，最終確定廠壩鉛鋅礦采礦方法：①機械化上向水平分層膠結充填法，真厚度＜8 m的礦體；②分段空場嗣后充填采礦法，真厚度8 m以上的礦體，其中8 m≤真厚度＜15 m的礦體采用沿走向布置的分段空場法，真厚度≥15 m的礦體采用垂直走向布置的分段空場法。

2.1 機械化上向水平分層膠結充填法

本方法適用于厚度在3～8 m之間的礦體。

如圖1所示，礦塊沿走向布置，長100 m，高60 m，分段高12 m，分層高3 m，裝礦穿脈布置在礦塊中部，底柱高12 m，間柱寬8 m。

采準工程由中段穿脈巷道、脈外礦石溜井、采區斜坡道、分段巷道、分層巷道、充填回風井等組成；切割工程有切割平巷等。

采場內工作面從礦房兩側向充填回風井推進，暴露面積由小到大。根據礦巖穩固性和鑿巖設備，綜合考慮安全因素，設計分層高度3 m，分層控頂高度為5 m，首采層設計采高5 m，采完之后充填3 m（灰砂比1∶10的充填體2.5 m厚，灰砂比1∶4的膠面層0.5 m厚）。一個分層采完后，進行膠結充填，并為下一循環留2 m的作業空間，兼做爆破自由面。

每個分層出礦結束后，對本分層聯巷壓頂形成下一分層的分層聯巷，壓頂廢石出1/3，余下的2/3則用鏟運機鏟平，鋪好路面，之后開始充填。

本方法礦房長度100 m范圍內劃分成2個50 m長的小礦房，小礦房之間高差為1個分層，交替回采與充填；若局部頂板圍巖不穩固，則可以在25 m或更小的采場長度范圍內進行回采與充填作業循環。

正常分層回采結束并清場后，通過壓頂形成充填擋墻（每個分段的最后分層必須構筑充填擋墻），進行全尾砂膠結充填。充填高度3.0 m，下部2.5 m充填體灰砂比為1∶10，上部0.5 m澆面層采用灰砂比1∶4的充填體（3 d強度>0.5 MPa）作為下一分層回采時的作業平臺，灰砂比1∶10與1∶4兩者分次充填。最后一分層根據頂柱厚度要求和頂柱的穩固性調整采幅，采高為2～4 m，采完后充填接頂。

充填擋墻的砌筑一般在采空區充填前3 d完成，擋墻砌筑完畢后，附近采場爆破作業時應做好防護工作，以避免爆破沖擊波破壞擋墻。開始充填時，一次充填高度控制在1.0 m，待充填體凝固后方可繼續充填，以防充填擋墻受力過大。充填面超過充填擋墻最高點后，一次充填高度可為2.0 m，但以充填面不積水為原則。

回采分層的通風主要采用局扇。局扇可懸吊于巷道頂部，把風筒接到采場內，進行壓入式通風。污風經上盤充填回風井進入上階段回風巷，通往回風井。

機械化上向水平分層膠結充填法三維立體示意見圖2。

2.2 分段空場嗣后膠結充填法

如圖3所示，本方法礦塊長25 m（垂直走向布置）或50 m（沿走向布置），階段高60 m，底柱高12 m，間柱寬9 m（垂直走向布置）、8 m（沿走向布置），分段高16 m，采用平底結構，鏟運機出礦穿脈間距8 m。

采準工程有穿脈裝礦巷道、采場礦石溜井、分段平巷、出礦穿脈、出礦穿、分段鑿巖巷道、人行通風天井、采區斜坡道；切割工程有切割平巷、切割井、切割槽。總體回收順序如下：

第一步先采礦房，礦房回收時將對應的上中段底柱一同回收，其中底柱上部留5 m護壁分隔上中段塹溝及塹溝上的充填體，之后進行充填（灰砂比1∶10）。

第二步回采間柱，回收間柱時，兩側都是灰砂比1∶4的充填體，采用上向水平分層充填法回采，連同上中段底柱一同回收，并留5 m安全護壁，鏟運機出礦，回采結束后充填（灰砂比1∶4）。

第三步回收安全護壁，采用進路法分條帶間隔進行回采，回采結束后巷道頂部敷設充填管進行充填（灰砂比1∶10），之后再采相隔條帶，直到結束。

礦房自切割槽開始向礦房另一翼退采，在分段巷道中用BommerK41X中深孔鑿巖臺車鉆鑿扇形中深孔，排距為1.9 m，孔底距為2.6～3.7 m。BYJR-100型裝藥機裝藥，非電微差雷管導爆索起爆。崩落礦石進入底部塹溝后，采用鏟運機運至采場溜井。

新鮮風流經中段運輸巷進入底部結構，上部各分段新鮮風流從采區斜坡道進入鑿巖聯絡巷至采場，清洗采場后，污風從采場經充填回風井至上一中段的回風石門至回風井。

在礦房（礦柱）開采完成之后，砌筑充填擋墻封堵各出口，進行充填，充填管路從上中段的充填聯絡巷至礦房（礦柱）的充填井，進入采場充填。

分段空場嗣后膠結充填法三維立體示意見圖4。

3 充填材料配比試驗研究

不同配比充填材料力學性能差異較大，尤其充填材料配比中超細尾砂比例較高時，對充填材料的流動性及力學性能影響較大。超細尾砂沉降速度慢，約為分級尾砂的1/10，尾砂濃縮效果較差，為達到理想的沉降效果，通常需加入一定比例的絮凝劑，導致充填成本增大；此外，超細尾砂滲透性約為分級尾砂的1/100，脫水性差，井下采場充填后固結時間較長，強度較低，存在較大的安全隱患。目前超細尾砂的處置主要是排放到尾礦庫進行儲存，但超細尾砂存在著孔隙水壓大，自然外排風干后固結強度低，難以筑壩等問題。因此，對超細尾砂的合理應用不僅可解決尾砂來源不足，還可解決堆存于尾礦庫帶來的環保和安全隱患問題。

結合廠壩鉛鋅礦具體情況，由于尾砂中粒徑小于74μm細顆粒含量超過74%（具體分析見3.1節），為滿足廠壩鉛鋅礦實際充填強度及流動性要求且合理處置超細尾砂，考慮在充填材料配比中增加部分細石（-1 mm）作為骨料，為確定合適的添加比例，進行了充填材料配比試驗研究。擬定了充填濃度為68%～80%，灰砂比為1∶4～1∶15，細石添加比例分別為20%、30%、40%多組試驗方案。

3.1 尾砂基本性質測定

采用MASTERSIZER 2000激光衍射粒度分析儀對廠壩鉛鋅礦全尾砂粒徑進行了測定，見圖5及表1。

全尾砂分布粒徑如下：d10=2.295 μm，d50=28.605 μm，d90=139.958 μm，d平均=55.136 μm。

通過尾砂粒級分析試驗可知，廠壩鉛鋅礦全尾砂中超細尾砂含量比例較高，若直接采用全尾砂膠結充填，不利于充填體強度的形成。

全尾砂比重、容重等參數測定見表2。

3.2 膠結充填材料強度配比試驗

根據確定的試驗方案，對每組試驗進行3 d、7 d、28 d、60 d 4個齡期的強度測試，每組齡期澆注3個試塊，共制作有效試塊324個。采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的金屬模澆注，終凝后拆模，為模擬井下充填環境，將試塊放入恒溫箱內進行保濕養護，溫度調節到20℃左右，濕度調節到96%左右。

采用YAW-300D型微機控制恒應力抗壓抗折壓力試驗機對充填試樣進行了單軸抗壓強度測定。試驗結果見表3。

注：尾砂8、細石2指尾砂與細石的質量比為8∶2，其他類推。

3.3 基于MATLAB的單軸抗壓強度試驗結果分析

MATLAB是美國MathWorks公司出品的一款數學軟件，具有強大的數據分析能力。為深入分析不同材料配比對充填試樣強度的影響，利用MATLAB軟件的meshgrid模塊以細石摻量、灰砂比、質量濃度3個因素作為自變量，以不同養護齡期的強度為因變量，建立了不同配比充填試樣3 d、7 d、28 d、60 d的三維數據模型。其結果如圖6～圖9所示。

通過對以上各個養護齡期、不同配比的充填試樣的強度分析發現，當濃度一定時，水泥添加量越多，試塊凝結速度越快，各齡期試塊的強度越大，齡期從3 d到7 d、28 d、60 d時，各組配比試塊強度均有一定的增幅。以全尾砂∶細石為7∶3的骨料配方為例，對于質量濃度為75%的7 d試塊，灰砂比1∶4、1∶6的試塊強度分別為1∶6、1∶10的9.04、3.09倍；對于質量濃度為75%的28 d試塊，灰砂比1∶4、1∶6的試塊強度分別為1∶6、1∶10的1.12、18.05倍。其他配比的骨料配方試塊強度也遵循此類似的強度增大的規律。

充填料漿濃度是決定充填體強度的另一主要因素，當水泥添加量一定時，隨著料漿濃度的增大，試塊各齡期的強度也逐漸增大。例如，對于全尾砂∶細石為8∶2的骨料配方，灰砂比為1∶4的7 d試塊，濃度為78%、76%的試塊強度分別較76%、74%高出了25.77%、8.38%；灰砂比為1∶6的28 d試塊，濃度為78%、76%的試塊強度分別較74%、72%高出了24.73%、41.83%；灰砂比為1∶10的60 d試塊，濃度為78%、76%的試塊強度分別較76%、74%高出了3.43%和650.48%。其他配比骨料配方試塊強度也遵循此類似的強度增大的規律。由此可見，提高充填料漿濃度是提高充填質量的主要措施之一。

當水泥添加量和質量濃度一定時，隨著養護齡期的增大，試塊強度有大幅提高的趨勢。例如，對于全尾砂∶細石為7∶3的骨料配方，灰砂比1∶4的79%、77%、75%、73%濃度試塊，齡期為7 d的強度分別較3 d增長2.25、2.29、2.21、1.79 MPa，即分別增長了1.59、2.62、2.55、3.97倍；灰砂比 1∶6的 79%、77%、75%、73%濃度試塊，齡期28 d的試塊強度分別較7 d增長了 4.99、4.55、3.63、2.24 MPa，即分別增長了 10.26、11.96、10.69、11.21倍。其他配比骨料配方試塊強度也遵循此類似強度增大的規律。

綜合以上分析發現，在養護齡期確定的情況下，灰砂比、質量濃度、細石摻量3個影響充填試樣強度的因素中，灰砂比對充填體強度影響最大，質量濃度次之，細石的添加對充填體初期強度影響較大，對后期強度影響逐漸減緩。從改善級配角度來看，添加適當比例的碎石對試塊強度顆粒分布與力學架構有利。添加細石的試塊當中，細石添加比例為30%時強度較好，即全尾砂∶細石=7∶3。早期強度的快速形成對于早期強度要求較高的上向水平分層膠結充填采礦法較為有利，采礦安全性更高。礦山采用充填工業泵進行充填砂漿的輸送，根據工業泵的輸送性能，當全尾砂∶細石=7∶3時，各灰砂比質量濃度為74%～78%時泵送效果最佳。

4 結 論

（1）在深入分析甘肅廠壩鉛鋅礦生產現狀的基礎上，針對礦山開采中存在的問題，結合生產實際，提出了采用充填采礦的方案。

（2）根據廠壩鉛鋅礦的生產現狀、圍巖穩定性、礦體賦存情況，提出了適合廠壩鉛鋅礦生產實際的充填采礦方法，利用三維建模技術構建了三維采礦模型，并對具體的采礦工藝進行了分析論證。

（3）針對廠壩鉛鋅礦尾砂中超細顆粒含量較高的問題，提出了全尾砂+細石膠結充填方案，并對不同配比充填材料進行了充填試驗研究。分析發現，在養護齡期確定的情況下，灰砂比、質量濃度、細石摻量3個影響充填試樣強度的因素中，灰砂比對充填體強度影響最大，質量濃度次之，細石的添加對充填體初期強度影響較大，對后期強度影響逐漸減緩。對于早期強度要求較高的上向水平分層膠結充填采礦法摻加一定的細石對充填體強度的早期形成較為有利。

（4）通過對利用MATLAB數據分析軟件建立的各個養護齡期不同配比的充填試樣的三維數據模型分析，同時結合廠壩鉛鋅礦充填工業泵的輸送性能，最終確定全尾砂∶細石=7∶3、各灰砂比質量濃度為74%～78%時充填效果最佳。