無軌填廢上行式采礦方法的研究與應用

楊周成，徐偉，陳軍

(貴州省貴定縣盛源礦業有限責任公司， 貴州 貴定縣 551300)

貴州省貴定縣竹林溝鋅礦6 m以上的厚礦體一般采用自上而下的下行式開采方法，這種方式具有初期投資較小、建設工期較短、生產系統較容易完善等優點，但缺點和隱患也很突出，比如一開始投產就較容易破壞淺表環境、消耗排土場地、破壞下分段圍巖穩固性（應力逐段向下傳遞）、兩分段之間的三角礦損失率較高、臥底打眼采礦難度較大、火工品炸材消耗較高等。

為實現廢石運輸出地面最小化，采用廢石上行鋪填后挑頂采礦的方法，能更有效地避開下行式臥底開采時卡鉗、礦房高度不可控等技術難題。

1 工程地質條件

無軌填廢上行式采礦方法的適用條件為：

（1）礦房圍巖穩定性較好，即在第一次無軌回采后在礦柱的支撐下能維持到無軌填廢鋪平也不發生冒頂，否則嚴禁填廢作業；

（2）必須具備使用無軌設備系統；

（3）礦體傾角水平—傾斜時，礦石厚度≥6 m，礦體急傾斜以上、礦石厚度≥3 m或者礦層之間的夾石≤3 m時均可采用。

礦體賦存于望城坡組一段（D3w1）地層的中下部，距離蟒山組地層一般為18.53～29.70 m，礦層頂底板巖性均為薄至中厚層狀白云巖，偶夾泥質白云巖，局部具褐鐵礦化，局部晶洞較發育，晶洞內多被方解石晶簇充填。其中礦體的直接頂板一般具輕微黃鐵礦化、白云巖化作用，巖石RQD一般為62%～78%，單軸飽和抗壓強度為24.38～141.35 MPa，平均為64.64 MPa，底板具有輕微的硅化作用，巖石較致密，節理裂隙不發育，硅化層厚度一般為3～5 m，遠離礦體，硅化逐漸減弱，底板巖石RQD為66%～82%，單軸飽和抗壓強度為32.16～77.06 MPa，平均為51.71 MPa，節理裂隙不發育，巖石較堅硬，力學強度較高。在調查過程中大多數坑道頂板較完整，未見有支護，只有斷裂破碎帶及旁側裂隙發育地帶巖體破碎，有支護，但破碎范圍在垂直斷層方向不超過20 m，此外，采空區內形成的最大跨距約40 m，說明工程地質條件整體較良好。頂底板較為穩定，但斷層及其旁側由于斷層作用，頂底板圍巖較破碎，穩定性較差。除此之外礦床內礦體頂、底板均屬堅硬巖組，其穩定性好，工程地質條件良好。

（1）Ⅰ號礦體。Ⅰ號礦體位于F1斷層南西側（下盤），分布在2號勘探線與8號勘探線之間，礦體呈似層狀、透鏡狀產出，產狀與圍巖基本一致，傾向320°～355°，傾角24°～27°。礦體沿走向長度約160 m，往北東向被F1斷層控制；沿傾向延伸約220 m。賦存標高+1140～+1225 m。礦體厚度0.66～6.71 m，礦體平均厚度3.42 m，厚度變化系數55.24%，為較穩定型，礦體鋅平均品位4.04%。礦石品位變化系數為64.49%，為均勻型。

（2）Ⅱ號礦體。Ⅱ號礦體位于F1斷層北東側（上盤），F2斷層南西側（下盤），分布在1號勘探線與4號勘探線之間，礦體呈似層狀、大透鏡狀產出，產狀與圍巖基本一致，傾向296°～345°，傾角16°～27°。礦體沿走向長度約280 m，往南西向被F1斷層截斷，往北東向被F2斷層截斷；沿傾向延伸大于850 m；賦存標高+840～+1176 m。礦體厚度 0.97～15.10 m，平均厚度4.54 m，厚度變化系數55.16%，為較穩定型；礦體鋅平均品位6.43%， 礦石品位變化系數為66.60%，為均勻型。

（3）Ⅲ號礦體。Ⅲ號礦體位于F2斷層北東側（上盤），分布在0號勘探線與9號勘探線之間。礦體呈似層狀、透鏡狀產出，產狀與圍巖基本一致，傾向264°～323°，傾角15°～23°。礦體沿走向長度約350 m，往南西向被F2斷層截斷，往北東向在9線附近逐漸尖滅；沿傾向延伸大于760 m。賦存標高+910～+1185 m。礦體厚度0.51～17.30 m，平均厚度3.83 m，厚度變化系數98.46%，為較穩定型，礦體鋅平均品位6.82%，礦石品位變化系數為57.20%，為均勻型。

2 開采工藝

根據已知開采技術條件，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體中≤3 m的未滿足無軌填廢上行式開采工藝要求，Ⅱ號礦體、Ⅲ號礦體中≥3 m的礦體使用無軌填廢上行式開采工藝的井巷工程布置。已在+1010 m中段進行無軌填廢上行式井巷布置。如圖1所示。

圖1 上行式開采布置

斜坡道布置于礦區中央，距離礦體底板10 m以上的脈外（用于進風和運輸）；礦區的東、西邊界分別布置回風巷，通過+1050 m中段平巷與總回風巷連接形成完善的通風系統；斜坡道與東、西兩側回風巷之間布置沿脈分層平巷，各分層之間沿礦層傾向施工切割槽貫通（除切割槽的斷面為1.8 m×1.8 m的矩形巷道外，其他巷道斷面均為4.2 m× 3.6 m三心拱形斷面），切割槽的作用有3方面，一是使每個礦房在開采作業時具備通風流暢，及時排除炮眼和鏟運設備尾氣，二是除分層平巷這個出口外的第二個安全出口，三是爆破作業回采的自由面。當采切井巷工程布置完成后，即可采用無軌填廢上行式開采方法進行采礦作業。

2.1 第一次無軌回采

第一次采礦與普通房柱式采礦方法一樣，從外向內，礦房沿走向按20 m寬布置、礦柱沿走向按5 m×5 m留設，采高8 m，如圖2所示。

圖2 第一次無軌回采

2.2 第一次無軌填廢

為了提高生產組織效率和降低采場冒頂、片幫風險，第一個礦房第一次采高完成后應及時填廢，第一次采高8 m，填廢5 m，過高會造成第二次回采時打眼空間不好架機，過低無法蹬渣打眼并且浮渣浮石無法撬干凈。利用鏟運機鋪平壓實好填充的廢石，避免鏟裝第二次所采礦石時有較多的填廢材料（人工假底）混入而造成礦石貧化。鏟、堆出運輸措施道，便于無軌設備鏟運第二次回采礦石。如圖3所示。

圖3 第一次無軌填廢

2.3 第二次回采

回采高度根據切割槽揭露的礦體頂板來決定，如果在第一次回采后剩余厚度可一次采全高，原則上第二次一次采出，若在第一次回采后剩余厚度在10 m以上，則第二次回采需跟第一次一樣采8 m，邊采邊填廢，如圖4所示。

圖4 第二次無軌回采

2.4 第二次無軌填廢

在第二次回采后，剩余礦石厚度已全部采完，利用鏟運機可直接填廢至頂板，回采作業上行至上一個分層，剩余礦石未全部采出的則需要第三次回采，第三次填廢，以此類推，如圖5所示。

圖5 第二次無軌填廢

3 技改效果

3.1 經濟效果

貴定縣竹林溝鋅礦在2018年6月7日之前，年平均產5萬t原礦，且平均品位約為2%，盡管2017年鋅金屬價格奇高，但產值仍然很低，采用無軌填廢上行式開采方法以來，生產能力直接提升至30萬t/a，品位提升至平均4%以上，年平均產出約2萬t鋅金屬，隨著采掘布局的調整和完善，公司年均產值達4億元，是有軌開拓時的16倍，經濟效益跨越式提升。目前除了工業場地回填需要運輸少量廢石出來外，基本做到了“廢石不出井”。無軌填廢實現了技術上可行、安全上可靠、經濟上高效的目的。

3.2 無軌設備的靈活使用

在2018年2月技術改造以前，貴州省貴定縣竹林溝鋅礦采用有軌斜井開拓，未布置輔助斜坡道，沒有配置無軌設備。有軌運渣礦斗不便運輸廢石到采空區進行卸載充填，由于沒有鏟運機，也就無法把充填的廢渣鋪平，填廢作業基本停滯，所有探礦延深或采準掘進的廢石全部靠主斜井（有軌巷道）提升出地面堆渣場，然后再由外場運輸貨車拉到選礦廠排土場堆存，不僅占用了提升礦石的時間，也占用了排土場用地，而且還增加了外場貨車費用，采空區全部閑置無用。應用無軌填廢上行式開采方法后，采空區運用無軌運輸系統能夠可控地進行填廢作業。凡下個中段開拓或分段采準所產生的廢渣，均可利用鏟運機裝入礦用車后運至采場進行充填，填廢后的采場較空置采場更穩定，降低了采場片幫冒頂的風險，并且隨著填廢厚度的逐漸增加，采場頂板到廢石底板的高度逐漸減小，勢能降低，從而降低了安全生產風險。

3.3 降低地表破壞與沉降的影響

在采用無軌填廢上行式開采方法前，貴州省貴定縣竹林溝鋅礦采用有軌斜井開拓，按自上而下順序開采至+1050 m水平，由于采空區未進行無軌填廢作業，受采動影響的作用，地表發生過滑坡與沉降，導致進礦公路改道，礦山在治理滑坡和公路改道上面不得不額外投入了大量資金才使得礦山恢復正常運轉。而自從采用無軌填廢上行式開采方法后，采場頂板沒有發生過大面積垮落，填充的廢石增加了礦柱的強度，且礦柱被廢石所包圍，自然減少了礦柱開裂、片幫的情況，從而降低了地表破壞與沉降影響。

4 結論

無軌填廢上行式開采方法存在一定的局限性，其適用的技術條件比較苛刻，考察過其他鉛鋅礦山 和多金屬礦山，大多數不滿足應用前提條件，只有礦體頂底板穩固到能支撐第一次回采后沒有立即垮落或片幫時才行，這也是無軌填廢上行式開采方法在國內外不常用的原因之一。此外，前期投資要一次性到位、建設期長等也是影響應用的重要因素；所以真正實施無軌填廢上行式開采的礦山不多，但鑒于其相比較下行式采礦方法具有非常明顯的技術優勢和經濟方面的突出優點，在開采技術條件類似的地下礦山非常具有推廣應用價值。