我國下向分層充填采礦法現狀及發展趨勢

鄧玉彬，周益龍，林永生

(1.廣晟有色金屬股份有限公司， 廣東 廣州 510610；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；3.翁源紅嶺礦業有限責任公司， 廣東 韶關市 512638)

0 引言

下向分層充填采礦法是20世紀50年代末試驗成功的采礦方法，該方法是在一個階段內自上而下分層回采、充填，以巷道掘進的方式在分層膠結充填體為人工假頂的保護下進行作業的回采方法。該采礦方法的使用成功，為降低坑木消耗、實現開采無軌化、提高采場產能和勞動生產率創造了條件[1-2]。

下向分層充填采礦法除滿足充填采礦法的一般適用條件外，主要用于礦石和圍巖均不穩固至極不穩固或地壓很大，礦石價值高、品位較高的有色、稀有和貴重的金屬礦床，以及其它采礦法難以回采的礦柱[2-3]。目前在我國金礦應用廣泛，例如前河金礦[4-5]、焦家金礦[6-7]等，在銅礦甚至是鐵礦也有它的應用案例[8-9]，其中金川銅鎳礦二礦區是我國采用下向分層膠結充填采礦法中規模最大，機械化程度、采場生產能力和勞動率最高的礦山，它采用兩步驟回采的機械化盤區下向膠結充填采礦法，同時配備6 m3鏟運機、全液壓雙機鑿巖臺車等大型設備，使盤區生產能力提高到 2000 t/d，達到世界先進水平[10-12]。

機械化程度低、采場產能小，采充成本高，工序管理復雜一直是我國下向分層充填采礦法應用的難題[1-2]。近年來，隨著采礦技術設備的不斷發展，以金川銅鎳礦為代表的下向分層充填采礦法礦山在機械設備應用、充填成本控制、現場作業管理方面取得了大量的技術成果和現場寶貴的經驗[12]。本文全面回顧我國下向分層充填采礦法的應用現狀，重點分析金川銅鎳礦等典型礦山的成功做法，并指出了當前存在的問題及后續改進的方向。

1 下向分層充填采礦法應用情況

下向分層充填采礦法采場布置主要是根據礦體的厚度確定，一般不受礦體形態變化的限制。當礦體厚度小于20 m時，采場沿礦體走向布置；礦體厚度大于20 m時，應根據礦區巖石力學實測資料，采場垂直或斜交礦體布置，以利于進路穩定和作業安全。采場長度應根據出礦設備確定，沿礦體走向布置時，電耙出礦一般為50 m，鏟運機出礦一般為100 m；垂直礦體走向布置時，一般劃分為盤區，盤區長度為50 m～100 m，長度為礦體厚度。進路布置形式有單側進路和雙側進路2種。礦體厚度大于8 m時，上下分層進路應相互垂直布置，在下分層進路回采時，使上分層進路充填體不至于全部暴露，而暴露的部分如同一橫梁架在進路之上，使之處于穩固的狀態，如我國金川二礦區、武山銅礦等。階段高度為30 m～60 m，分段高度為10 m～15 m（服務3個～5個分層）。電耙出礦分層高度為2.0 m～3.5 m，鏟運機出礦為3.0 m～5.0 m。電耙出礦進路寬度為2.5 m～4.0 m，鏟運機出礦為4.0 m～5.0 m。我國應用下向分層充填采礦法的代表性礦山的工藝參數及主要技術經濟指標見表1[1]。

表1 下向分層充填采礦法工藝參數及主要技術經濟指標[1-2]

2 下向分層充填采礦法典型礦山

2.1 金川銅鎳礦[10-14]

金川銅鎳礦是我國下向分層充填采礦法的先行者和引領者，經過五十多年的技術實踐與發展，高價值破碎礦體充填采礦技術取得了顯著的進步，達到世界先進水平。

金川銅鎳礦礦體厚大、礦石價值高、礦區地應力大以及礦巖破碎，1965年建礦投產的龍首礦區先后采用過分層崩落法和上向分層膠結充填采礦法，但受礦巖穩固性條件制約，最終選擇作業安全性最佳的下向六角形高進路膠結充填采礦法進行開采，目前年產礦石165萬t。1985年建成投產的二礦區曾沿用龍首礦的上向分層充填法和下向高進路分層充填法，并對其它采礦方法開展過工業性探索，先后試驗研究VCR法、大孔空場嗣后一次充填法，對機械化盤區上向進路膠結充填法和機械化盤區下向進路膠結充填法進行產能對比，最終采用機械化盤區下向進路膠結充填采礦法，目前二礦區年產能力450萬t，是金川集團的主力礦山。

金川銅鎳礦實現安全高效開采的關鍵是機械化設備的全面應用和有計劃的產能規劃。金川公司在少量引進國外臺車的同時大量使用自主研發的鑿巖臺車，還自主生產了鏟運機、礦用卡車等。采用盤區劃開采，形成多個獨立作業區域提高產能，大盤區能力超過2000 t/d，小盤區能力基本上都不小于600 t/d～700 t/d。金川二礦區一般2個～3個盤區劃分為一個采區，某采區里面有3個小盤區，每個盤區長100 m，寬70 m～80 m，每個盤區平均每天有 4～5條進路在回采，該采區的生產能力為2000 t/d～2500 t/d。

充填工藝方面，為了匹配下向分層充填采礦法的作業安全，充填體單軸抗壓強度3 d要達到1.5 MPa，28 d要達到5.0 MPa，充填金川銅鎳礦已建成14套高濃度自流輸送充填系統和1套全尾砂膏體充填系統，前者充填集料采用3 mm棒磨砂+戈壁砂，由于全尾砂粒度較細，脫水困難，為保持料漿的高濃度，該系統尚未添加全尾砂，膠凝材料為42.5級普通水泥，同樣受濃度限制未添加容重較小的粉煤灰，添加劑為水泥用量 1.5%的早強劑，灰砂比1:4，漿液濃度77%～79%，單套系統平均充填能力可達90 m3/h，每天運行時間10 h以上。自流輸送充填工藝存在充填體早期強度低、沉縮率高、脫水泥漿污染以及不能處理尾砂等問題，為此金川于1999年建成了我國第一套膏體充填系統，目前該系統的年充填能力超過20萬m3。金川全尾砂膏體充填工藝為：充填集料為棒磨砂和尾砂，添加尾砂可使可泵性變好，但尾砂量占比小于40%，膠凝材料為普通水泥和粉煤灰，粉煤灰添加量為150 kg/m3，添加劑主要是減水劑，用量為水泥的1%以上，料漿濃度約為80%，每小時的充填能力可達90 m3，年充填能力可到20萬m3。充填成本控制在140 元/t～160 元/t，采充成本 250 元/t～280 元/t。

2.2 前河金礦[4-5]

嵩縣前河礦業前河金礦現隸屬于中金黃金股份有限公司，成礦類型為構造蝕變巖型中低溫熱液金礦床，礦體呈不規則脈狀，屬急傾斜薄礦體。礦石品位較高，但儲量有限。礦體及其頂底板巖石受蝕變和構造影響嚴重，礦巖破碎松軟，穩定性極差，且遇水泥化，工程揭露后自穩性差。礦體開采技術條件差、開采難度極大，1990年建礦投產以來主要采用下向分層膠結充填采礦法開采，目前年生產能力為18.15萬t。

上下盤不穩固薄礦體回采鑿巖爆破工藝采用偏下盤布置炮眼無掏槽控制爆破技術、微差爆破技術，維持上盤圍巖的穩定性。首分層進路采用高強聚酯纖維網+中空注漿長錨索聯合支護方式，其他分層回采進路和充填聯絡巷采用木棚支護以控制支護成本。采用人工出礦與電耙絞車聯合出礦方式，落礦點距中央雙格溜井5 m以內，采用人工出礦，剩下的則采用電耙出礦。為了降低充填成本，減少鋼筋用量，不再應用吊筋和上下盤錨桿，并且根據進路充填的強度要求及時調整充填配比，不承受直接頂板壓力的空間采取不充填等方式。主要應用下向進路充填法的同時，根據礦巖穩固性情況采用留礦法、上向充填法等。

前河金礦的充填站為簡易式，具有較大的靈活性，隨著開采標高的不斷降低，充填站水平也相應的下降了100 m。充填骨料就地取材，采用附近河流的河砂和卵石，膠凝材料則采用 42.5級普通水泥。通過各方面的優化管理，目前充填作業成本控制在100元/t左右。

2.3 武山銅礦[8, 15]

武山銅礦是一座有五十多年建礦歷史的大型地下礦山，為江西銅業集團有限公司主力礦山之一，目前生產能力為 5000 t/d，三期擴建工程規劃產能翻倍。武山銅礦礦巖均不穩固，屬難采礦床，初期采用整體鋼筋混凝土假頂分層崩落法開采，因礦巖破碎、礦體自然，1989年之后技術改造為充填法開采，南礦帶采用上向水平分層尾砂充填法，穩固性相對較差的北礦帶則采用下向進路膠結充填法，目前北礦帶仍采用該采礦方法，南礦帶因膠結充填能力不足則改為安全性較好的鋼筋混凝土假底下向進路式水砂充填法。經過不斷的采礦工藝改造，武山銅礦成為我國采用下向分層充填采礦法開采的代表性礦山。

機械化設備的利用是提高下向分層充填采礦法生產能力的關鍵，武山銅礦通過引進鑿巖臺車，替換0.75 m3電動鏟車為2 m3內燃機鏟車，采場生產能力提升50%以上，平均產能達到110 t/d。充填成本高是制約上向分層充填采礦法應用的另一重要原因，通過采充成本分析，支護用坑木和充填用水泥成本占到60%，采用錨網支護替代部分坑木，添加粉煤灰替代水泥，梳理采充作業工序保障作業的連續性，武山銅礦將采充成本控制在200元/t。

充填體質量的好壞是下向分層充填法順利實施的關鍵，武山銅礦通過一系列措施提高充填體質量。砌筑充填擋墻時在底部埋設一根排水管，方便排出充填之前的空區積水，安裝污水閥門截留洗管水流入空區。假頂構筑采用吊筋加底部鋼筋網的常規方法，吊筋分為長短筋，長筋端部焊接鋼板增強抗拉能力。在分層充填體中埋入油桶，利用油桶空間構成下分層回采的回風通道，改變膠結采場高溫的工作環境。為解決充填管端口充填料堆積和下料不均勻等問題，在充填管端口前埋設空區頂柱分散充填料，以及在充填管上開下料小孔。為了解決當前及三期擴建工程分級尾砂、河砂供應短缺以及尾礦庫庫容壓力，武山銅礦正在新建一套全尾砂膏體充填系統，目前初步井下工業試驗已取得成功。

3 存在的問題及改進方向

下向分層充填采礦法存在的主要問題是充填工藝所占采場各工序作業總時間長和采充總成本多，構筑人工假頂以及充填體要求質量高限制了采場產能[15-16]。金川公司提高采場機械化率，縮減了鑿巖、出礦時間，建立膏體充填系統，本質上提高充填體強度，縮短了充填工序占用時間，有效提升了采場生產能力。但是，開采類似于前河金礦小規模薄礦體時，機械設備利用率難以快速提高，產能難有進一步提升空間。

充填質量要求導致全尾砂難以用于井下充填，利用河砂作為充填集料使得充填成本居高不下，當高價值礦體開采枯竭時，貧礦開采仍采用現行工藝，礦山企業在經濟上將難以承受。

針對以上突出問題，前河金礦等巖金礦山應探索引進采礦小型化設備，提高鑿巖、出礦效率；優化人工假頂構筑工藝，保證所需強度的同時降低鋼筋的使用量[6]；采用回采廢石部分替代砂子作為充填集料，探索膏體充填工藝的可行性，試驗全尾砂-廢石充填工藝，降低充填成本[17]；加強充填工序作業管理，充分發揮料漿凝結強度，縮短回采轉層時間[18]。

4 結論

（1）我國自1970年代應用下向分層充填采礦法以來，相關的充填采礦技術取得快速發展，該采礦法現已廣泛應用于金、銅、鎳、鉛鋅等有色和貴重金屬礦床的開采，并有向松軟破碎和高地應力強巖爆傾向礦床應用的趨勢。

（2）以金川銅鎳礦、前河金礦、武山銅礦為代表的下向分層充填采礦法礦山，在采場布置、采場結構參數優化、機械化設備利用、充填成本控制以及現場管理等方面持續改進，助推我國在該方法的應用技術達到世界先進水平。

（3）我國下向分層充填采礦法仍存在機械化程度不高、充填成本難控制的問題，特別是巖金礦山應探索引進采礦小型化設備，提高鑿巖、出礦效率；充填工藝方面應進一步發展以全尾砂-廢石為骨料的膏體充填系統，降低充填成本和改善井下環境的同時解決礦山固廢堆存問題。