西山分礦下向構筑工藝研究與應用①

吳 楊，劉再濤，王棟毅，彭 康

（1.重慶大學 資源與安全學院，重慶 400044；2.山東黃金礦業有限公司三山島金礦，山東 萊州 261442；3.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083）

隨著礦產資源逐步向深部帶、復雜帶轉移，高效、安全地回采礦體成為亟待解決的關鍵問題［1］。下向進路充填采礦法在保證地下回采作業安全性的同時，能有效控制地表沉降、保護生態環境、降低礦石“兩率”指標，已成功應用于國內外有色、黃金等礦山企業［2－4］。相比于上向充填采礦法“短掘短支”所產生的高昂支護費用［5－6］，下向進路采礦法僅需在首采層進行支護，從第二分層起回采作業均在人工假頂下進行，因此，合理確定回采進路假頂參數、保證人工假頂質量是確保下向采礦法安全應用的關鍵。基于此，本文針對三山島金礦西山分礦某破碎礦段礦體難開采、上向開采支護成本高等技術難題，開展了下向構筑工藝研究與應用。

1 工程背景

三山島金礦西山分礦目前采深已超千米，某礦段位于F1斷層上盤，礦體平均傾角45°，平均水平厚度20 m，平均金品位1.9 g／t，礦巖極其破碎，安全性差，給回采帶來了較大影響。在早期采用上向進路法開采時，為保障井下工作人員的安全，進路中全部采用鋼管、工字鋼等加強支護，月平均支護成本達48.57元／t，平均生產能力98 t／d，支護成本高且生產能力較低；另一方面，西山分礦的充填由新立充填系統提供，充填倍線遠大于10，難以實現高濃度充填。基于以上兩點原因，結合國內外類似礦體開采經驗，擬采用下向進路充填法回采該段破碎礦體。

2 下向構筑參數計算

目前，下向充填采礦法常見的承載層材料為混凝土和尾砂膠結體。混凝土的優勢在于強度高，但造價也高；尾砂膠結體強度相對較低，但造價低，是眾多礦山的主要選擇方法［7－9］。

人工假頂的穩定性是下向充填采礦法成敗的關鍵，通常采用承載層材料抗拉強度與其最大拉應力強度之比作為安全系數［10］，并且由金屬礦床的開采經驗可知，此安全系數應大于1.6［11］。結合西山分礦現有充填條件，西山深部高濃度尾砂充填系統暫未形成，擬定前期采用C30混凝土作為承載層材料，后期采用1∶4尾砂膠結體作為承載層材料。

2.1 C30混凝土

C30混凝土容重為23.3 kN／m3，分別根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》JTJ 023—85及《混凝土結構設計規范》GB 50010—2010中參考值計算以C30混凝土為承載層材料時承載層厚度與安全系數的關系，結果如圖1所示。

圖1 C30混凝土為承載層材料時厚度與安全系數的關系

通過安全系數法分析可知，安全系數隨承載層厚度增加而增大，結合西山分礦現場情況，當采用C30混凝土進行打底充填時，承載層厚度為0.65 m，此時安全系數為1.77。

2.2 1∶4尾砂膠結體

為了得到不同濃度尾砂膠結體在不同養護周期下的強度特性，在新立充填車間進行了充填體力學試驗，結果如表1所示，其抗壓強度和抗拉強度在整體上隨養護周期及充填體濃度增加而增加。根據新立充填車間力學試驗得到的分級尾砂膠結體力學參數，確定采用質量濃度72%以上、單軸抗壓強度不低于2.8 MPa的1∶4分級尾砂，通過安全系數法計算所得尾砂膠結體充填厚度與安全系數的關系如圖2所示。當采用1∶4尾砂膠結體進行充填時，承載層厚度為1.6 m，此時安全系數為3.81。

表1 三山島高強度尾砂充填體力學參數

圖2 尾砂膠結體為承載層材料時厚度與安全系數的關系

3 下向構筑工藝研究

西山分礦以C30混凝土或分級尾砂膠結體作為充填材料充入采場，經過一段時間的脫水、養護而達到相應強度，進而起到穩定采場的作用。為了加快施工進度，在上分層充填材料養護期間，可提前掘進下分層采場聯巷。其構筑工藝示意圖如圖3～4所示。

圖3 C30混凝土作為人工假頂時采場進路充填示意圖（單位：mm）

下向充填采礦法主要步驟如下：

1）預留碎礦墊層和鋪設塑料布。當進路回采結束后，需及時進行平場和充填作業，防止礦巖破碎而導致的兩幫圍巖掉落。平場作業應達到進路無殘礦、底板縱橫向平整的效果。平場結束后，將塊度不大于40 mm的碎礦平整鋪設在進路底板之上，鋪設厚度200 mm，最后再將塑料布置于碎礦之上，并在兩幫向上折起0.5 m。預留碎礦墊層主要有兩個作用，一是減少下分層開采爆破作業對假頂的損傷，二是降低假頂冒落引起的礦石貧化。鋪設塑料布是為了分隔碎礦和充填材料，防止碎礦膠結，達到下分層接頂平整的目的。

2）鋪底筋網。取爆破后掉落的大塊廢石或木垛置于塑料布上，使底筋網至少被架高0.1 m，使其被打底料漿完全包裹，以提高整體強度。其中，底筋網主筋直徑12 mm、副筋直徑12 mm、網度0.3 m×0.3 m；主筋在下、副筋在上，主副筋相交處用16＃鐵絲纏繞加固或焊接。當兩幫為充填體或礦體時，左右兩端各多出1 m用于相鄰底筋網搭接；當側幫為圍巖時，需在距底板1 m高的圍巖中打入管縫式錨桿，采用錨桿將應力傳至穩固圍巖中，實現極破碎圍巖中長錨桿懸吊承載作用，上（下）盤進路主筋與錨桿焊接，每根錨桿上焊接3根鋼筋。首采層回采結束后，第二層開始沿兩幫副筋布置吊筋，上端與頂板鋼筋網連接，下端與底板鋼筋網連接，間距2 m。

3）管路吊掛。管路吊掛如圖5所示，出氣管最高，充填管略低于出氣管，充填接頂后出氣管滿了直接溢流。信號管比充填管低10 cm，泄水管比信號管低20 cm。充填管盡量靠前吊掛，其次，進路采用木材、塑料布、土工布進行密封，板墻要牢固，密閉要嚴實。

圖4 1∶4分級尾砂膠結體作為人工假頂時采場進路充填示意圖（單位：mm）

圖5 上下盤錨桿施工及充填管道布置示意圖（單位：mm）

4）布設脫濾水管。脫濾水管沿長度方向布設在進路底板，管徑30 mm、條數2～3條，并在管上鉆鑿直徑10 mm的小孔，孔間距100 mm，最后采用土工布包好，以防止漏漿。

5）布設充填擋墻。采用可拆卸循環式充填擋墻，考慮充填體溢流問題，需構筑兩道板墻，間隔3～4 m，在靠近充填體一側，使用螺旋支柱斜頂在管卡處，確保板墻安全、可靠，同時還需架設泥漿泵將溢流充填體抽到本采場或相鄰充填采場，解決清淤工作量大的問題，降低成本。

6）采場充填。為了達到較好的接頂效果，采用分次充填的方式進行充填。第1次為打底充填，采用C30混凝土或高強度尾砂膠結體作為充填假底；第2次為普通充填，采用灰砂比1∶10、質量濃度72%～73%的料漿，可減少充填成本，穩固后單軸抗壓強度不低于1 MPa，充至離進路頂板0.5 m左右的位置；第3次接頂充填，采用灰砂比1∶10、濃度72%～73%料漿接頂充填。信號管流漿時充填站立即關閉放料閥門，清洗攪拌桶及沖刷充填管路。

4 應用效果

在西山分礦某破碎礦段進行了現場工業試驗，采用C30混凝土作為人工假頂承載層材料，鋪設厚度0.65 m，所有流程均按設計規范要求。轉層后頂板揭露平整，穩定性好，塑料薄膜未發現明顯脫落，底筋網未暴露，混凝土假頂整體性好。

5 結 論

1）安全系數隨承載層厚度增加而增加，西山分礦下向進路斷面為3.6 m×3.0 m，采用C30混凝土作為承載層材料時，鋪設厚度不小于0.65 m；采用抗壓強度不小于2.8 MPa的尾砂膠結體時，鋪設厚度不小于1.6 m。

2）下向構筑工藝在西山分礦某破碎礦段取得了良好應用，現場接頂平整，人工假頂整體穩定性好，不但減輕了支護成本及支護工作量，還保證了回采作業的安全性。