盤區交錯式上向水平分層充填采礦法

張潤達，李江，朱晨迪

(1.招遠市國有資產經營有限公司， 山東 招遠市 265400；2.招金礦業股份有限公司大尹格莊金礦， 山東 招遠市 265414；3.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；4.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012)

0 引言

由于點柱式上向水平分層充填采礦法[1]用留點柱的方式來控制采場頂板管理取得良好的效果，因此被廣泛應用于大尹各莊金礦。但是隨著開采深度的增加，地壓顯現越來越明顯，因此對礦柱的尺寸要求越來越大，初步統計礦柱造成的損失率超過30%，造成了大量礦產資源的浪費現象，且由于上盤破碎帶的存在揭露后，極易造成巷道冒落、垮塌，導致靠近上盤的礦柱無法安全回采。另一方面由于深部地壓的原因，造成資源回收困難、作業安全風險高，且該回采方式無需充填接頂，對充填體強度要求低，該方法只能用于巖體穩固性相對較好的區域，致使部分穩固性差的區域無法開采。為了解決目前礦山遇到的問題，對采礦方法進行改進，采用盤區交錯式上向水平分層充填采礦法[2]作為礦山主要采礦方法，并垂直礦體走向布置的方式回采，該采礦方法降低了礦石損失率、貧化率，實現礦山安全生產。

1 開采技術條件

大尹格莊金礦有1#、2#礦體，其中1#礦體沿走向長約1080 m，2#礦體沿走向長約1000 m，大尹格莊斷裂將礦體分隔開來，1#、2#礦體傾角為 20°～30°，為緩傾斜礦體，厚度從數米到四十多米不等，平均厚度為13 m～15 m，礦體連續性好，采深已達900 m以上，品位為2.8 g/t～4 g/t。上盤主要由碳酸鹽化的英云閃長巖組成，以綠泥石化蝕變為主，下盤主要由黃鐵絹英巖化花崗巖組成，上下盤圍巖整體屬于中等穩固。但節理裂隙發育，節理裂隙以泥質膠結為主，局部位置有小斷層，軟弱帶，受其影響，工程揭露后易形成“三角形”滑動體冒落，因此該部分穩固性較差。礦石體重為2.78 t/m3，巖石體重為2.60 t/m3～2.80 t/m3；松散系數為1.5；礦石抗壓強度為 68.76 MPa，巖石抗壓強度為 55.77 MPa～106 MPa。

2 采礦方法優選

2.1 采礦方法選擇

礦山原來采用點柱式上向水平分層充填采礦法[1-3]，由于要留設礦柱維持頂板巖層穩定，造成了礦石損失率大，且隨著開采深度的增加，地壓顯現導致留設的礦柱出現破壞等現象，綜合礦山地質現狀、礦體賦存特點，以及上盤破碎帶的存在，提出了垂直礦體走向布置的上向水平分層充填法。

2.2 上向水平分層充填采礦法

依據礦山5000 t/d生產能力的要求，提出了上向水平分層充填采礦法[4]，該方法以貧化損失小、適應礦體形變能力強、靈活的特點而被廣泛應用，一般適用于價值較高的礦體回采，根據大尹格莊開采技術條件及生產能力的要求，具體采礦方法如圖1所示。

圖1 上向水平分層充填采礦法

（1）采場結構參數。礦體分為兩步驟開采，礦體呈現中厚到厚分布，局部地區礦體較薄，盤區寬60 m，按15 m劃分一個礦塊，在采場底部留6 m底柱，不留頂柱，采場之間不留間柱，開采下一中段時回收底柱[5]。

（2）采準切割。沿脈運輸巷設置在下盤，供出礦、人員等使用，巷道尺寸為3.2 m×3.0 m。分段運輸巷的布置極為重要，每4個分層由一個運輸巷負責，由于鏟運機轉彎半徑的需求，運輸巷與采場聯絡道至少需要7 m的轉彎半徑，斜坡道采用折返式布置，斜坡道布置的位置在礦體下盤。關于采場聯絡道的布置，采場聯絡道主要連接采場和運輸巷，施工原則重車上坡坡度較小，重車下坡坡度較大。對于溜礦井的布置考慮運輸及礦山實際施工的需要主要設置在下盤，整個采場在布置時不需要頂柱和間柱。

（3）回采工藝。鑿巖在首層拉槽需要使用氣腿鑿巖機，其余分層都采用Boomer281鑿巖臺車鑿巖，采用水平炮孔，直徑為45 mm，深度為4 m。對于水平孔具有控頂高度小、頂板比較平整等優點；每一次鑿巖完成后，高壓風清理炮孔，采用人工裝藥，毫秒微差導爆管雷管起爆；對于采場通風，采場新鮮風主要從斜坡道、運輸巷經采場聯絡道進入，在采場內部經過回環流動將污風由采場人行回風井吹入上中段回風巷。采場通風效果不好時，應采取機械強制通風，確保采場通風效果。采場崩落下的礦石經過2 m3柴油鏟運機鏟運，一方面直接將鏟下的礦石經分層聯絡道、分段運輸巷直接裝車，另一方面由鏟運機鏟裝后直接倒入溜井內。

（4）采場充填。充填工作在每一層出礦完成后立即進行，由于下分段開采對頂板的要求，因此對底部分層充填強度要求較高。充填料漿濃度為1∶6，1∶10，底部2個分層進路均采用全尾砂膠結充填，主充填管道由充填回風井下放到采場。充填管道用廉價塑料管，根據采場的充填情況，充填前期如果在部分澆面出現積水的情況，此時應該在充填擋墻上設置一些用過濾網包裹的廢舊鋼管將水排出。

充填體強度要求充填完成后的28 d強度到達2 MPa，以保證下一中段采場的開采安全。不同采場均采用上下不同配比的充填方式[6]，澆面濃度采用1∶4的灰砂比，澆面層高0.5 m。同時為了滿足礦山生產能力的要求，采用多個采場相互交替作業的形式，用來提升礦山的生產能力。

2.3 上向水平分層充填法主要經濟指標

上向水平分層充填采礦法主要技術經濟指標見表1。

表1 上向水平分層充填采礦法主要技術經濟指標

3 回采工藝研究

根據礦山實際情況和建設要求，進一步分析上向水平分層充填采礦法，根據回采順序的不同可分為3種，對比分析每種采礦方法的生產能力、生產成本、充填成本等。

3.1 盤區交錯式上向水平分層充填采礦法

運用該方法時，盤區的劃分根據礦體的尺寸而定，最終確定盤區的尺寸為長60 m，將礦體厚度作為盤區寬度，采場的布置垂直礦體走向，盤區內分礦房礦柱，采取兩步驟回采的形式，先采礦房再采礦柱，礦房超前礦柱 3～4個分層，采場之間不留間柱，按12 m～15 m劃分一個礦塊，一、二步驟采場寬度分別為8 m、7 m。回采時兩步驟采場交錯回采，一步驟回采 3～4個分層，再進行二步驟回采。采場回采結束后進行充填，一、二步驟都采用膠結充填[6]，非膠結充填用于剩余采場充填。該方案主要有如下優點：

（1）回采時對礦體邊界的控制較好，工人勞動產出率較高；

（2）對于空區充填工作，充填完成較好，且礦石采出率較高；

（3）一步驟采礦條件好；

（4）應用該方法能快速實現采場達產且能實現多中段一起回采。

回采順序如圖2所示。

圖2 盤區交錯式上向水平分層充填采礦法回采順序

3.2 凸型階梯式上向水平分層充填采礦法

凸型階梯式上向水平分層充填采礦法，盤區的劃分根據礦體的尺寸而定，采場的劃分采取連續的形式，形成依次連續向上回采的方式，該采礦方法具體為先在每一個盤區中間先采，以相鄰采場回采滯后于中間 2～3個分層的順序回采，回采形式類似于階梯的方式，中間超前相鄰整體向上推進，最終確定盤區的尺寸為長60 m，將礦體厚度作為盤區寬度，采場的布置垂直礦體走向，底柱高6 m，8 m作為一個采場的寬度，形成中間高兩邊低的形態，整體形態上呈現“凸”型式回采?；谙刃纬傻牟蓤龀昂笮纬刹蓤?個分層，采場的回采完成后開始充填，采用膠結充填。

該方法的主要優點如下：

（1）礦石回收率有較大提高；

（2）采場形成后可快速整體向上推進，施工簡單；

（3）沒有二步驟回采難題；

（4）由于整體向上推進，采場穩定性較差。

回采順序如圖3所示。

圖3 凸型階梯式上向水平分層充填采礦法回采順序

3.3 三角型階梯式上向分層充填采礦法

關于該采礦方法，將礦體按一定尺寸劃分盤區，盤區內取消間柱和點柱，劃分連續的采場，采場之間連續依次向上回采，盤區內采場一端高一端低，具體為盤區一端采場先采，相對于對側的采場滯后于先采的采場，當在采場內形成類似的三角型采場后，隨著工作面的形式整體向上回采。隨著工作面向上回采的過程，在每層形成采礦、出礦、充填的循環作業方式。沿礦體走向劃分盤區，最終確定盤區的尺寸為長 32 m，將礦體厚度作為盤區寬度，采場的布置垂直礦體走向，底柱高6 m，8 m作為一個采場的寬度。盤區內采場一端高一端低，呈三角型階梯式回采，相鄰采場之間回采高度相隔3個分層，回采結束后均采用膠結充填。該回采工藝的優點如下：

（1）采場內不留設間柱和點柱，較大地提高了礦石回收；

（2）采場內一旦形成三角型后，可沿著整體形狀向前回采；

（3）沒有二步驟回采難題；

（4）采場穩定性比盤區式較好，但低于凸型式。

具體回采方案如圖4所示。

圖4 三角形階梯式上向水平分層充填采礦法回采順序

3.4 主要技術經濟指標對比

對上向水平分層充填采礦法回采工藝[7-9]進行優化后，分別從生產能力（盤區生產能力、中段生產能力）、采切比、損失率、貧化率、充填成本等方面進行對比分析，其結果見表2。

依據表2數據，為了實現生產能力5000 t/d的生產需要，對3種不同形式的回采順序進行比較，發現盤區交錯式采礦法可以實現多中段同時生產的目的，這樣就能滿足礦山生產能力的需求。通過進一步對比發現，該回采方式的采切比較小，噸礦充填成本也較低，取得了較好的經濟效益。

表2 采礦方法技術經濟指標對比

4 結論

（1）根據大尹格莊金礦礦巖中等穩固，局部不穩固的情況，選用的盤區交錯式需要兩步驟開采，相對于其他2種采礦方法，采場穩定性較差，由于二步驟需要在一步驟充填體周圍開挖，必須適當的采用錨桿加固技術，對于實現安全回采沒有問題。

（2）采用盤區交錯式采礦方法，能同時滿足多個采場同時回采，多中段同時作業，中段生產能力大，可以達到 2745 t/d，且該采礦方法的采切比也較小，可以達到快速生產增加效益的目的。

（3）采場內不留設間柱和頂柱，該采礦方法的礦石損失、貧化率均為 8%，可以在很大程度上回收礦產資源，增加礦山效益。

（4）對于生產組織管理，盤區交錯式生產組織管理相對簡單，能充分提高機械化設備效率，生產效率高。