三山島金礦深部礦體上向水平分層充填采礦法優化研究與應用

賈萬玉，吳若菡，萬串串

(1.山東黃金礦業(萊州)有限公司三山島金礦，山東 萊州 261400；2.礦冶科技集團有限公司，北京 102628)

淺部礦產資源逐漸枯竭，深部資源開發是目前全球礦業發展的趨勢。隨著深部已探明資源量逐步增加，資源開發不斷走向地球深部，世界主要礦業大國相繼進入深部開采。據不完全統計，目前超過1 000 m的礦井已有100余座，分布在南非、加拿大、德國、俄羅斯、波蘭等地區和國家，其中以南非最具代表性，最深達4 800 m[1-3]。我國金屬礦產資源開發技術近年來取得了長足進步，部分技術達到或超越了國際領先水平，2004年我國的千米深井僅有8處，2018年全國千米深井已達80余座，并以每年10～25 m的速度向下延伸，我國深部資源開采逐漸成為新常態[4-6]。本文以三山島金礦西山礦區深部礦體開采為背景，通過分析目前生產中存在的技術難題，從采場聯絡道(以下簡稱“采聯”)布置、回風聯絡道(以下簡稱“風聯”)布置、回采工藝等方面進行優化，以應對深部開采高應力作用對工程穩定性的影響。

1 三山島金礦開采現狀

三山島金礦西山礦區目前開采深度已超過800 m，擬開發的西嶺礦區礦體也集中賦存在-800 m以下，這兩個礦區作為三山島金礦未來主要生產區域均已進入深井開采區域。目前三山島金礦主要采用上向水平分層充填采礦法回采礦體，按照采場結構劃分主要有點柱式、盤區式、普通分層式及進路式上向水平分層充填采礦法[7-8]。在實際生產過程中，主要依據礦體賦存形態及礦巖穩固情況選擇合適的采礦方法。西山礦區進入深井開采區域后，1 640線以南區域礦體賦存情況不理想，礦體厚度及走向長度均逐漸縮短，該部分區域主要采用普通分層式、進路式采礦法進行回采；1 640～1 800線間賦存厚大礦體，礦石平均品位1.9 g/t以上，局部礦體厚度超過60 m，且礦體沿走向方向賦存連續，礦石內夾石賦存情況較少，適合于采用高效采礦方法進行回采，目前該區域均采用垂直礦體走向盤區式上向水平分層充填采礦法。

2 目前存在的技術難題

深井開采不可避免帶來高巖溶水壓、高地應力、高地溫、強烈開采擾動等問題，這些問題直接導致深井開采安全性差、效率低、成本高、環境惡劣，影響深井安全高效開采[9-10]。

從西山礦區-780中段以下深部開采區域生產現狀來看，深井開采面臨的高地應力問題是直接制約深井安全高效開采的主要因素。在高地應力作用下，西山礦區深部圍巖出現與淺部圍巖截然不同的破壞形態，深部各巷道、采場的頂板、兩幫垮塌現象比比皆是，脆性巖體在持續高地應力作用下，有時會出現巖爆現象，安全隱患日益突出，給生產造成巨大影響。

用上向水平分層盤區采礦法回采1 640線以北厚大礦體時，礦房、礦柱均垂直礦體走向布置，每分層礦房、礦柱對應的一步、二步采場規格均設計為10 m寬×4 m高×礦體厚。該采場結構參數在-780中段以上區域應用時未發現異常，但進入深部后，隨著地應力作用逐漸顯現，采用常規10 m寬采場跨度，在實際回采中發現，在現有支護條件下，采場支撐能力不足，采場回采過程中需不同程度預留部分點柱支撐頂板，造成一定的礦石損失且點柱后期回收安全風險很大。因此，進入-780中段以下區域后，在盤區上向水平分層采礦法設計時，通常將原10 m寬采場跨度縮小為8 m寬。

在實際生產中發現，盡管通過縮小采場跨度，能有效解決盤區采場因頂板暴露面積大需預留點柱造成礦石損失問題，但采場跨度縮小后，相同范圍內盤區采場數增加，帶來盤區采聯間距進一步縮短、中分段巷采聯開口數增加、采場回風風聯布置困難等系列問題，特別在高地應力作用下，采聯垮塌、風聯提前揭露、中分段巷上盤側失穩等現象頻發，同樣制約了盤區采礦法的安全高效回采。

為此，亟需針對盤區采礦法的上述問題進行系統優化，有效規避常規盤區采礦法諸多安全隱患，為深井開采條件下上向水平分層充填采礦法安全高效回采提供有效的保障。

3 改進措施

3.1 “人字形”采聯優化布置

西山礦區根據礦體賦存形態，普遍采用上向水平分層盤區充填采礦法，采場寬度為10 m，采聯斷面為3.6 m×3.3 m，以往采準設計中各盤區采場采聯均由中分段巷開口進行施工，采聯最大間距僅為6.4 m，在采聯兩幫垮塌情況下，采聯“間柱”寬度僅能維持在4 m左右，安全隱患較大。特別是進入深井開采區域后，盤區采場由10 m寬縮小為8 m寬，相鄰采聯間距僅4.4 m，在高地應力作用下，相鄰采聯間巖柱破壞較嚴重，相互影響。由現場施工情況可知，各采聯開口對施工后的中分段巷應力狀態造成破壞，采聯開口處往往成為工程“薄弱區”，該區域頂板冒落頻發，兩幫支護失效、維護困難，安全隱患大，如圖1所示。

鑒于盤區采場各采聯開口頂板冒落、兩幫支護失效頻發現象，對盤區采準工程進行優化，研究提出“人字形”采聯布置形式，即一步采場采聯施工結束后對采聯開口范圍內5 m左右巷道加強支護，確保該部分巷道長時間處于穩定狀態，一步、二步采場采聯共用該部分巷道，二步采場采聯施工時不再對已趨于穩定的中分段巷再次造成破壞，對于維護主運輸巷道穩定意義重大。具體布置形式如圖2所示。

“人字形”采準工程優化方案在-735中段、-780中段盤區一步、二步采聯施工中得到驗證，如圖3所示。從效果上看，該方案解決了盤區采聯開口多、布置密集造成中分段巷破壞等問題，有效杜絕了開口處巷道頂板冒落、兩幫垮塌對生產的影響，應用效果顯著，該方案作為有效手段在西山礦區-780中段以下、1 640線以北盤區采準工程中得到推廣應用。

3.2 “脈外雙通道”優化布置

西山礦區深部1 620線以北區域為熱水淋水、破碎區域，該區域節理裂隙發育嚴重，巖體完整性差，趨于散體結構，且節理間普遍存在泥質充填，自身穩定性較差，加之涌水存在，巷道往往一經揭露即出現不同程度的冒落。因此，深部中分段巷開拓過程中，局部區域需要架設U型鋼聯合混凝土墻進行支護，見圖4。該支護作為中分段巷永久性支護，已支護區域無法開口施工采場采聯。

為解決中分段巷永久性支護區域采準工程無法施工的問題，研究提出采用“脈外雙通道”布置形式，即在支護區域兩端圍巖條件較好區域施工采聯，采聯施工后平行于中分段巷方向施工脈外通道，避開中分段巷已支護區域，通過布置脈外通道將各采聯進行連接，確保采準工程正常施工。圖5為已支護區域脈外雙通道優化布置圖。

3.3 采場通風工程優化布置

采用上向水平分層充填采礦法回采時，一步、二步采場之間不留間柱，采場風井統一與上中段風聯聯通。為確保厚大礦體采場通風效果，盤區采場風井常布置在礦體內，對應風井上口同樣布置在礦體內。常規回風風聯常采用兩種布置形式，一種是主風聯布置在礦體內，主風聯與風井直接連接，不設或少設小風聯；另一種是主風聯布置于廢石內，通過主風聯施工長距離小風聯與風井貫通，如圖6所示。

實際生產中，當主風聯布置于礦體內，采場回采至近主風聯底板高度時，常常由于風聯空區造成風聯處采場頂板塌方，且采場一旦揭露風聯，采場頂板部分區域冒落加重，局部高度超過7 m左右，安全隱患增大，直接造成風聯下方采場兩側礦體無法回收；即使主風聯布置在廢石內，需施工長距離風聯，仍然存在采場頂板揭露風聯后，采場下盤至采場中央風井處頂板超高問題，呈現“凸形”頂板，安全隱患依然存在。

為有效解決上述安全隱患，研究提出“廢石內布置主風聯，一步、二步采場共用風聯方案”。即將主風聯布置在礦體下盤穩固的廢石內，確保采場回采結束后主風聯依然可用；此外在一步、二步采場交界處布置小風聯，小風聯與一步、二步采場風井連接，兩采場共用一條小風聯。采場施工至風聯底板標高時，一步采場風聯下側預留1 m保護巖柱，確保風聯不揭露、不破壞，該部分巖柱通過二步采場回收。此外，在風井設計上，采場風井仍布置在礦體內部，為減少一步采場最后分層預留礦柱范圍，同時減少二步采場回收礦柱難度，風井設計時風井上口位置盡量靠近礦體下盤，通過合理布置風井位置，有效縮短共用風聯長度，同時減少預留礦柱尺寸，降低礦柱損失風險。圖7為盤區一步、二步采場共用風聯優化圖。

3.4 “雙采幅、三采幅”回采工藝改進

用上向水平分層充填法回采礦體時，由于采準工程量較大，施工時常常待中分段巷施工結束后或施工至各采聯開口時再按順序依次施工各采聯及切割巷。該種作業方式下，采準工程施工進度及采場投產時間往往受中分段巷施工進度制約，采場投產時間從中分段巷施工起至少需歷時三個月。采準工程施工周期太長，不利于采場快速形成，對于生產正常接續影響較大。

為解決中段礦體回采時采準工程量大及采場投產時間過長的難題，研究提出“雙采幅、三采幅”回采工藝，即中分段巷施工至盤區第一個一步采場采聯時，一步采場采聯與中分段巷平行施工，一步采場采聯施工至礦體后，沿礦體走向方向或水平方向布置脈內聯絡道，脈內聯絡道與一步采場切割巷、中分段巷平行作業。脈內聯絡道形成后，順序施工第二個、第三個一步采場切割巷，此時中分段巷繼續施工，但無需施工第二個、第三個一步采場采聯。工程施工結束后，依靠一步采場采聯及脈內聯絡道可實現兩個、三個一步采場同時開采，即實現單一采聯輔助回采多盤區采場效果。上向水平分層充填采礦法常規施工方案與“雙采幅”施工方案對比見圖8。

采用該種方案，一步采場采聯可不再施工，借助第一個一步采場采聯及脈內聯絡道可實現多個盤區一步采場集中轉層。各分層一步采場回采結束后，對采場及脈內聯絡道進行統一充填，為確保二步采場在已充填聯絡道下方回采安全，聯絡道充填前可在二步采場對應區域施工鋼結構底部結構，結構兩端進入一步采場輪廓內，并且在二步采場范圍聯絡道兩幫進行吊掛。借助鋼結構支撐作用，確保二步采場充填體下安全回采。脈內聯絡道鋼結構底部結構布置見圖9。

4 結論

1)對于盤區采場各采聯開口段頂板冒落、兩幫支護失效頻發現象，優化采用“人字形”采聯布置形式，通過一步、二步采場采聯共用開口區域加強支護巷道，不再對已趨于穩定的中分段巷再次造成破壞，可解決盤區采聯開口多、布置密集造成中分段巷破壞等問題，有效杜絕開口處巷道頂板冒落、兩幫垮塌對生產的影響，應用效果顯著。

2)為解決中分段巷已支護區域采準工程無法施工的問題，優化采用“脈外雙通道”布置形式，即在支護區域兩端圍巖條件較好區域施工采聯，采聯施工后平行于中分段巷方向施工脈外通道，實現已支護區域脈外采聯的正常施工。

3)針對目前脈內、脈外布置回風風聯存在安全隱患大的問題，優化采用“廢石內布置主風聯，一步、二步采場共用風聯方案”，通過合理布置風井位置，有效縮短共用風聯長度，同時減少預留礦柱尺寸，降低礦柱損失風險。

4)為解決中段礦體回采時采準工程量大及采場投產時間過長的難題，優化采用“雙采幅、三采幅”回采工藝，依靠一步采場采聯及脈內聯絡道可實現兩個、三個一步采場同時開采，實現單一采聯輔助回采多盤區采場效果，減少采場投產時間，盡快形成采場回采條件。

本文中涉及的針對上向水平分層充填采礦法優化改進的技術措施，是經實踐檢驗的切實可行的解決辦法及思路，可為其他類似開采技術條件的礦山提供技術參考。