分段空場嗣后充填采礦法在某銅鉛鋅礦的應用

任建平，齊炎，劉廣

（1. 中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038；2. 江西宜豐萬國礦業有限公司，江西宜春 336304）

某銅鉛鋅礦產狀為急傾斜，礦體形態復雜，礦石類型較多。 根據選別流程及指標要求不同類型礦石需分采分運。主礦體上覆蓋有灰巖含水層，且含水層發育廣泛，屬大水礦床；地表為大片農田及村鎮。 針對這類水文地質條件復雜、 開采技術難度大的 “三下”礦山，需要選擇合理的采礦工藝才能實現安全、高效地開采。大量礦山生產實踐表明，充填采礦法在充分利用礦山固體廢棄物（廢石、尾礦）的基礎上，能有效地減少圍巖的變形及受破壞程度， 實現礦石低損貧的開采[1-2]。

目前，該礦生產規模為600 kt/a，以回采銅鐵、鉛鋅礦石為主，采用的是上向水平分層充填采礦工藝。為充分發揮資源優勢，挖掘設備潛能，創造更好的經濟、社會效益，該礦生產規模擬進一步擴建至900 kt/a。然而，現有的采礦方法存在采場綜合能力較小、勞動效率偏低、采礦作業成本高等缺點，擴建后如利用現有采礦工藝需連續多中段同時回采， 易導致污風串聯和作業的安全事故。因此，為保證整個礦山生產作業的安全平穩， 高效實現老礦山升級改造和可持續發展，亟待重新選擇一種更加安全高效的采礦法。

1 礦山概況

1.1 礦體賦存條件

該礦區屬低山丘陵地區， 礦區內大面積為第四系覆蓋，占礦區面積的98%。 礦區地表有大量農田，且分布有村鎮和道路，不允許陷落。當地歷史最高洪水位為52.83 m，最低侵蝕基準面標高為40 m。

該銅鉛鋅礦為隱伏的中型銅、鉛、鋅、硫及鐵礦床，礦體分布于村前巖體（即主巖體）北部接觸帶及其附近。 主礦體規模中等到大，形態復雜，厚度不穩定。 開采范圍內共有5 個礦帶， 分為9 個礦體，即Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ3、Ⅲ4、Ⅲ5、Ⅲ6、Ⅲ7、Ⅳ8和Ⅴ9。 其中Ⅱ3和Ⅲ7為主礦體，分別占全區查明總礦石量的72.26%和7.79%，銅、鉛、鋅金屬量占全區的 87.74%和 2.18%。Ⅱ3、Ⅲ4、Ⅲ7礦體為第Ⅱ類勘探類型。Ⅱ3礦體分布于10#～51# 勘探線間，賦存標高 4～-700 m，總體走向近東西向，走向控制長為1 550 m，傾向北，傾角一般為 50°～70°，厚度為 0.16～105.14 m，平均 10.56 m。Ⅲ7礦體分布于10#～0#勘探線間，賦存標高-128～-570 m，傾向北北西，傾角 40°～60°，走向控制長 250.39 m；礦體厚度一般為 1～15 m，平均厚度為 11.57 m。

礦山主要有原生銅礦、原生鉛鋅礦、磁鐵礦、硫礦和銅鐵共生礦等，根據最低工業指標劃分，各種類型的礦石間具有一定的界限。為簡化采選生產工藝，將其劃分為銅鐵礦和鉛鋅礦兩大類。 兩大類礦體相對獨立，具備分采分運分選的條件。

截至2019 年12 月31 日，開采范圍內保有地質資源儲量詳見表1。

表1 保有地質資源儲量

1.2 開采技術條件

1）工程地質條件簡單。礦區主要巖石有大理巖、花崗斑巖、礫巖及銅硫礦和鉛鋅礦石。 礦石中，粉末狀褐鐵礦及風化的鉛鋅礦石較松散， 銅硫礦石及鉛鋅礦石強度較大，礦體圍巖為大理巖，隱爆角礫巖和斜長花崗斑巖。礦體直接圍巖多為完整的大理巖、花崗斑巖，一般為整體狀的結構，局部有裂隙，且以閉合裂隙為主。 礦體和圍巖堅固性系數為f＝6～8，穩固性較好。在溶洞發育帶、溶蝕裂隙帶、斷層破碎帶、風化帶等地帶，圍巖穩定性較差。

2）水文地質條件復雜。 礦體位于當地侵蝕基準面以下以溶洞為主的巖溶充水礦床， 礦床直接頂板即為富水性中等的巖溶裂隙含水層（內灰水），間接頂板為巖溶液發育、富水性強、補給源豐富的強巖溶含水層（外灰水）。 地下水與地表水（獅水河）存在水力聯系，雨季獅水河水補給地下水，旱季地下水補給河水。 在礦區50 km2分布的灰巖地帶都是相互貫通的，沒有明顯的天然屏帳隔斷其水力聯系，且潛水流場主要由北面向礦區流動和補給。

3）環境地質條件中等。 礦山開采將可能引發和加劇巖溶地面塌陷和采空地面塌陷地質災害的發生，但由于-65 m 以上不開采，采空區及時采用尾砂膠結充填等綜合措施的應用， 采空地面塌陷地質災害發生的可能性將會降低；礦、廢石不易分解有害組分；礦區無放射性影響。 廢石、尾砂除用于井下充填外，基本外銷或綜合利用。

2 采礦方法現狀分析

現在礦山主要采用上向水平分層充填采礦法。采場沿走向布置，以盤區為回采單元進行采準切割；選用YT-28 型鑿巖機進行淺孔鑿巖，每個工作面配備2～3 臺鑿巖機。爆破采用銨油炸藥，排間微差起爆方式爆破；為了減少對頂板的破壞和便于管理維護，在靠近頂板的炮孔采用光面爆破。出礦以電耙為主，局部新采場采用電動鏟運機。 該方法存在生產組織和通風管理難的問題。為避免污風串聯，各中段在上盤還需新增獨立回風道，開拓工程量大且存在安全生產隱患[3]。除此之外，該方法還存在如下問題：1）采場綜合能力小。 如按現有采礦模式實現600 kt/a 到900 kt/a 的改擴建，將有4～5 個中段同時作業，才可達到相應的生產能力。 這不僅會給生產組織和通風管理帶來壓力，也會增加采區穩定性的維護難度。2）采礦作業成本綜合偏高。 為了滿足擴建至900 kt/a 生產規模，需逐步淘汰現有電耙出礦方式，優化回采工藝，引入鏟運機等高效機械化裝運設備，但設備效率難以發揮，設備運行及維護管理成本高；3）連續多中段同時回采，還會增加人工假頂澆筑、假底維護、后期礦柱回收的難度，采礦作業綜合成本偏高。

由于-225 m 以上中段的采準工程已形成，為充分利用已有工程和提高作業安全性，以-225 m 中段為界，分成上下兩個回采區進行采礦。 -225 m 以上繼續沿用上向水平分層充填采礦法，-225 m 以下的連續中厚及厚大礦體推薦采用分段空場嗣后充填法回采，平均水平厚度21.6 m，采出礦量約占總礦量的62%。

3 分段空場嗣后充填采礦法

3.1 礦塊結構參數及采切工程

1）礦塊結構。 礦塊一般沿走向布置，礦塊長50 m，寬為礦體水平厚度，高40～50 m，頂柱高5 m，不留設底柱和間柱。垂直礦體走向布置采場，分段高度為13.3 m，采場寬度為 10 m。

2）采準切割工程。 以礦塊為回采單元并進行采準切割布置。礦體下盤20～30 m 外設分段巷道，斷面3.2 m×3.3 m， 通過分段聯絡道與輔助斜坡道連通；沿分段出礦巷道約隔10～12 m 掘多條裝礦平巷以聯通脈外緊貼礦體布置的分段鑿巖巷道。 每個礦塊中央、脈外設1 條礦石溜井，與最下部分段巷道連通。采場底部出礦采用平底結構，局部礦巖條件稍差的采場采用塹溝結構。 垂直礦體走向布置鑿巖進路巷道，作為起始回采時的自由面，并在鑿巖進路巷道端部布置切割天井，連通上部的回風聯絡道，便于采場通風。

分段空場嗣后充填采礦法示意(采場垂直礦體走向布置)如圖1 所示。 采切工程量計算見表2。

圖1 分段空場嗣后充填采礦法示意（單位：m）

表2 礦塊采切工程量計算

3.2 回采工藝

1）鑿巖：采用深孔鑿巖臺車沿鑿巖巷道布置垂直扇形孔，炮孔孔徑為 65 mm，排距為 1.5～2.0 m，孔底距為 1.5～2.0 m。 深孔鑿巖臺車臺班效率為 250～350 t。

2）爆破：選用粒狀銨油炸藥、非電毫秒雷管及導爆管起爆，裝藥器裝藥，分次爆破。 為加快爆破炮煙和粉塵排出，采場采用 FK（JK55）-1 No.5 局扇加強通風。

3）出礦：采下礦石用2 m3遙控柴油鏟運機裝運礦石卸至采區溜井，再下放到中段電機車運輸水平。鏟運機臺班效率為150～250 t。

3.3 采場通風

新鮮風流由中段運輸巷道、采區斜坡道進入，經過分段平巷、進風聯絡道進入各分段采場。清洗工作面后，污風由采空區排入上中段回風巷道，形成上下中段風流不串聯和較穩定的并聯網絡。

3.4 采場支護

鑿巖出礦巷道中的人員作業場所， 在礦巖較穩固時，一般不需要支護，僅局部不穩固頂板、側幫及底部結構，采用錨噴或錨網噴加固措施進行支護。具體參數為：1）管縫式錨桿。 Φ43 mm×3.0 mm，L=1.8 m，材料為 16Mn。 2）梅花形布置。 間距為 1.2 m，排距為1.1 m。3）鋼筋網。采用鋼筋 Φ5.0 mm，材料為 Q235，間距為 0.1 m×0.1 m。 4）噴射混凝土。 噴射厚度為100 mm，強度為 C25。

3.5 充填工藝

礦房回采結束后， 采用分級尾砂充填料對礦塊采空區進行嗣后膠結充填， 保障了采空區的圍巖穩定，保護了地表不受破壞，維持原有的生態環境。

一步回采的采場采用灰砂比1∶16 的充填料漿進行充填，14 d 強度達1 MPa 以上； 二步回采的采場采用灰砂比1∶18 的充填料漿進行充填，14 d 強度達 0.5 MPa 以上。

為盡可能減少頂柱厚度， 也為了后期回收頂柱創造條件， 礦房及礦柱底部3～4 m 采用灰砂比1∶12的料漿進行充填，28 d 強度達2～3 MPa；頂部采用多次充填的方式，提高充填接頂率，也為礦山安全回采提供保證。

4 半工業試驗結果

為確保分段空場嗣后充填采礦法未來在礦山實際生產中的可靠性和運用效果， 于2020 年1 月7日—6 月23 日選擇具有代表性的706-2 采場進行半工業試驗研究。 采場剖面示意如圖2 所示。

圖2 試驗采場剖面（單位：m）

區域礦石類型主要為黃銅礦、銅磁鐵礦，礦體傾角在45°～69°之間。 利用現有工程進行設計施工，各分段鑿巖巷通過已施工的平巷采用鏟運機進行出渣，鑿巖巷內布有切割槽、切割天井、底板人行井、充填井等。 主要工程及布置如下：1）分段鑿巖巷。 利用已施工的平巷開口施工， 設計分段凈高度為12 m，巷道施工規格為 3.0 m×3.5 m， 為便于鏟車出渣，斜坡坡度為10°。2）切割井及切割槽。利用現有的盲豎井作為切割井，切割槽布置在切割井位置。由于該口井距離采場邊較遠， 為保證后期深孔爆破人員裝藥安全，要求切割槽西邊需刷出人行通道，井口位置做好防護及警戒工作。3）鑿巖穿脈。平面鑿巖穿脈目前已形成。4）出礦穿脈及出礦進路。為保證后續出礦安全及出礦效率，利用現有工程設計1# 出礦穿脈及出礦進路6 條。

分段空場嗣后充填采礦法和目前使用的上向水平分層充填采礦法（垂直走向布置）的技術經濟指標對比如表3。

表3 技術經濟指標對比

由表3 可知， 改進后的采礦方法技術經濟效益明顯。

5 結論

該銅鐵鉛鋅硫多金屬礦針對升級改造和可持續發展中存在的問題，采用了更高效的采礦方法，并通過采場半工業試驗的驗證， 使分段空場嗣后充填法順利實施。采礦工藝的優化，不僅提高了采場綜合能力，減少了同時作業的采場數和井下人員，保證了整個礦山生產作業安全平穩進行且順利投達產， 還提高了各項生產技術經濟指標， 這對國內類似礦山具有重要的借鑒及指導意義。