某高嶺土礦崩落法轉充填法采礦工藝優化研究*

任建平，范富泉，王雷鳴

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌 330038）

1 引言

隨著我國礦產資源消耗逐年遞增，開采技術條件好的礦山基本上已投入生產，因此復雜礦床的開采逐漸得到重視，國內針對此類礦山的開采，主要是通過優化采礦工藝、提高機械化水平、簡化回采工序、減少作業暴露面積、提高回采率、降低貧化率等手段［1-2］，來保證礦山安全、高效、綠色生產。

目前，國內研究學者根據礦山實例開展了相關技術研究［3-5］。張德存等［6］針對松散破碎鈾礦體提出分層崩落法代替分層充填法，有效解決了巖石破碎、不穩固等復雜情況條件下的安全問題，同時將礦石損失率由5%降低至1.4%，為類似礦山的開采提供了新思路，但此方法對地表環境要求較高，具有一定的局限性；賈珍等［7］以某礦巖破碎的金礦為例，提出采用下向進路充填法，發現作為頂板的充填體可有效改善破碎的地質情況，提高頂板下作業的安全性，降低了巷道維護等成本，顯著提高了總體經濟效益，但此方法對充填體的強度要求較高；徐飛等［8］針對某“三下”鐵鋅礦提出了上向進路充填法代替原無底柱分段崩落法，不僅降低了礦石損失率和貧化率，還能較好地控制回采頂板的暴露面積，同時充填采空區可有效控制巖層移動和地表沉降。以上研究表明，國內針對開采技術條件較為復雜的礦山通常采用崩落法和暴露面積較小的進路式充填采礦法。

某高嶺土礦生產至今已有20 多年，采用分層崩落法造成的巖層擾動已經嚴重威脅到了礦區周圍地表建構筑物的安全，同時隨著人工成本的不斷攀升和井下作業人員老齡化問題的不斷加劇，分層崩落法已無法實現礦山安全、高效、經濟回采的要求。因此，礦山急需改變目前的回采工藝，尋找一種既能防止地表塌陷又能提高生產效率的采礦方法。為此，本文結合某高嶺土礦開采技術條件、開采現狀和存在的主要問題，對采礦工藝進行優化研究。

2 礦山概況

2.1 開采技術條件

某高嶺土礦區屬于低山丘陵地帶，低山、丘陵標高在50～100 m，平地標高在4～5 m。該礦區內有I～VI 號6 個高嶺土礦體，其中I 號礦體最大，占資源總量的98.58%，為礦山主要開采對象。I 號礦體走向近東西，平均傾角約50°，平均厚度為30～40 m，屬于急傾斜厚大礦體。高嶺土礦石松軟且內部節理裂隙發育，堅固性系數f 僅為0.1 左右，黏結性較強，具有遇水泥化、膨脹和崩解等特點。礦石頂板為次生石英巖和絹云母巖，不穩固；底板為大理巖和灰巖，巖石較為堅硬，但巖體完整性較差，中等穩固。開采時，采場內地應力較為集中，回采巷道易產生底鼓、變形等現象。

地表無較大水體，且與礦體間存在較厚的隔水層，大氣降水對礦坑充水影響較小。礦床主要的充水來源為底板的長興組-青龍群灰巖含水層，該含水層呈封閉-半封閉狀，地下水以凈儲量為主。

2.2 礦山回采現狀分析

目前，礦山采用分層崩落法，盤區（50 m×40 m）沿礦體走向布置，中段高度為40 m，分層高度為3～3.5 m。采切工程主要有采區天井和分層主巷道，礦體自上而下逐層回采。在覆蓋層下，垂直分層主巷道向礦體內開鑿尺寸為2 m×2 m 的回采進路，進路的上方和靠近崩落區的一側分別預留約1.5 m的護頂層和側柱，進路內采用木棚支護，支護間距為0.7 m。手持G10 型風鎬落礦，人工將礦石鏟裝到板車后，再裝入采區天井內的箕斗中，最后轉運至中段礦車中。待進路掘進至盤區邊界后，后退式撤出護頂層和側柱的木棚，緊跟回收自然崩落礦石。盤區生產能力約75 t/d，回采率約78%。根據現場調研，下向分層崩落法的采礦直接成本約52 元/t，其中人工成本約40 元/t。分層崩落法在生產實踐中主要存在以下問題：

（1）采用崩落法產生的巖層擾動已嚴重威脅礦區地表建構筑物的安全；

（2）由于井下采用手持風鎬落礦、人工裝礦和人推板車運礦的方式，單班井下同時作業人員多、勞動強度大、效率低；

（3）在崩落散體覆蓋層以下作業時，存在較大的安全隱患。

3 采礦方法的選擇

3.1 采礦方法初選

結合大量礦山實踐［9-10］表明，充填采礦法能有效控制巖層移動，減少圍巖的變形和破壞，同時可充分利用礦山固體廢棄物，進一步解決尾砂堆積等問題，為礦山帶來環境和經濟效益。根據高嶺土礦體的賦存條件和開采技術條件，并結合類似礦山采礦工藝研究，推薦上向進路充填法和下向進路充填法，均能很好地控制地壓、防止地表沉降，符合礦山安全生產的需求，具體如下：

（1）上向進路充填法。礦塊沿礦體走向布置，由于礦體下盤為含水層，因此采切工程布置在礦體上盤。在礦塊內劃分若干進路，以進路為回采單元，尺寸為3.3 m×3.3 m，自礦塊的底部向上逐層回采、充填，同一分層內進路采取隔一采一的回采順序。采用巷修機剝落礦石，卡車運輸，根據機械的生產能力和卡車的運輸速度計算，5 min 內可完成2 t 礦石的運輸，待達到一定暴露面積之后需停止工作立即進行支護，支護時間約為30 min，回采作業循環長度為0.5 m，耗時57 min，考慮到換班、休息和設備挪動等因素，一天有效工作時間約為16 h，因此單條進路的回采能力為183 t/d。回采完畢之后，采用尾砂膠結充填，充填體強度不低于2 MPa，礦石回采率為88%。

（2）下向進路充填法。礦塊布置、采切、進路尺寸、回采方式等與上向進路充填法基本相同。下向進路充填法從上至下逐層回采，進路內回采作業循環長度為1 m，單條進路生產能力為237 t/d。進路回采完畢之后，采用尾砂膠結充填，充填體強度不低于4 MPa。為保證充填體頂板的穩定性，可在充填前鋪設底筋和豎筋，提高充填體的完整性和穩定性，礦石回采率為92%。

3.2 采礦方法優選

3.2.1 技術性比較

由于回采技術條件的差異，兩種采礦方法在安全性、生產效率和損失率等方面存在差異。由表1可知，兩種采礦方法均采用進路式回采，但上向進路充填法頂板為高嶺土，進路作業條件較差，支護量大、作業時間長，導致生產效率偏低；回采結束后，礦體與充填體中的水接觸產生泥化、崩解，頂板和兩幫少量礦石落入充填體中，導致回采率降低。下向進路充填法頂板為充填體，優缺點與之相反，其在技術上更具優勢。

表1 上向和下向進路充填法技術性比較表

3.2.2 經濟比較

由于兩種采礦方法在回采、支護、充填等方面均存在差異，礦石的回采成本也有所不同。由表2 可知，下向進路充填法充填膠凝料、鋼筋消費和礦石運輸油耗較大，但支護木材可隨著礦石回采基本能回收。然而，上向進路充填法兩側支護木材基本留在充填體內，無法回收，造成兩種采礦方法的支護成本相差懸殊，從而導致上向水平分層充填法的直接生產成本偏高。同時，上向進路充填法單條進路生產能力較小，且作業的進路條數較多，增加了噸礦作業人員、設備投資和管理成本。總體來看，下向進路充填法比采礦直接生產成本低，經濟上更具優勢。

表2 單條進路上向和下向進路充填法成本對比 元/t

綜合比較兩種方案的技術與經濟指標，推薦下向進路充填法。

4 下向進路充填法工藝研究

下向進路充填采礦法如圖1 所示。盤區沿礦體走向布置，長100 m，寬約40 m，為礦體厚度，高為40 m，分段高度為10 m，分層高度為3.3 m，回采進路斷面為3.3 m×3.3 m，連續回采，不留設頂、底柱和間柱。盤區的采切工程布置在礦體上盤，主要有分段運輸巷道、分層聯絡道、斜坡道、礦石溜井、通風充填井等。為滿足設備爬坡性能的要求，將分層聯絡道的坡度控制在20%以內。

圖1 下向進路充填法

4.1 礦石回采

為了使充填體能起到良好的支撐作用，除了充填時盡量接頂外，另須采取上下兩層進路交錯布置的方式防止因上下分層的充填體平行布置，形成懸臂梁現象，造成充填體整體塌陷；同時交錯布置有利于提高充填體整體的穩定性，常用布置方案如圖2 所示。其中，當上、下相鄰分層進路垂直布置時，回采過程中單條充填體的暴露面積小，穩定性好，因此選用方案3。

圖2 上、下相鄰兩層進路布置圖

巷修機和礦用卡車通過斜坡道和分層聯絡道到達各分層，采用巷修機前端的釬桿剝落礦石，由巷修機的輸送帶輸送至后方等待的卡車中，再通過卡車運輸至礦石溜井。由于高嶺土礦體具有黏結的特性，為防止堵塞溜井，采用接觸面較為光滑的鐵板放礦機。

4.2 采場支護

回采進路直接頂板為強度較好的充填體。一步驟回采時，進路的兩側是較為破碎的高嶺土礦體，因此需隨著進路的回采在兩側架設木支護，間距為1～1.5 m；二步驟回采時，由于兩側和頂板均為穩定性較好的充填體，故可減少支護或不支護，還可回收一步驟回采架設的木材以循環使用。

4.3 采場通風

由于開采技術條件的限制，無法在礦體下盤設置回風井形成貫通風流，通風較困難，因此需要設置局扇以滿足回采進路的通風要求，推薦采用11 kW 的局扇抽出式通風。

4.4 充填工藝

進路回采完畢之后，清理進路并平整底板和進路兩側，在進路中鋪設網度200 mm×200 mm 的底筋和網度為1600 mm×1600 mm 的豎筋，豎筋高度為2 m。封堵進路出口，架設充填管道，將配好的充填體輸送至采空區內。礦山以觀山礦的粗尾砂、細尾砂和工業廢渣為骨料，普通硅酸鹽水泥為膠凝劑，通過一定比例混合制備出符合強度要求的充填體，灰砂比為1:4～1:8，質量濃度為72%～74%。

空區充填分兩次進行，第一次充填采用高灰砂比充填料漿，高度為進路的一半，可形成強度較高的承載層（28 d 強度不低于4 MPa），剩余空區采用低灰砂比充填料漿（28 d 強度不低于2 MPa），第一次和第二次的充填間隔時間應在24 h 以上，以保證第一次充填體充分沉降。充填工藝示意圖如圖3所示。

圖3 充填工藝示意圖

5 結論

（1）為了達到防止地表沉降、精簡井下作業人員、提高回采效率的目的，目前采用的分層崩落采礦法已不適用于該高嶺土礦的開采。

（2）針對目前礦山所面臨的勞動強度大、工作效率低以及地表塌陷等問題，首選回采暴露面積小的充填采礦法，初步選擇上向進路充填法和下向進路充填法。經技術和經濟分析，推薦采用安全、經濟、高效的下向進路充填法。

（3）下向進路充填法采用巷修機落礦、卡車運輸的方式，與現有采礦方法相比，提高了礦塊的生產能力，減少了井下作業人員，同時將礦石回采率提升至92%，符合礦山安全生產要求。