上向進路充填采礦法充填接頂方案優化

溫龍新 楊晨暉 焦 鵬

（南京銀茂鉛鋅礦業有限公司）

上向進路充填采礦法回采率高、安全性好，能夠適用于各類復雜地質情況的礦體開采，在金川二礦區、會澤鉛鋅礦等諸多國內有色金屬礦山得到廣泛應用［1-6］。該采礦方法的核心工藝在于回采進路的充填接頂，即采用固化后的充填體替代原巖礦柱支撐采場頂板，以確保相鄰回采進路的安全。而接頂率則成為上向進路充填法應用的重要指標，直接關系到充填成本及安全性。本文以南京棲霞山鉛鋅礦為研究背景，對進路布置方式及充填組織進行優化，以期解決上向進路充填采礦法接頂率不足的問題。

1 工程背景

南京棲霞山鉛鋅礦是華東地區最大鉛鋅金屬礦山和國內最早的無尾礦庫、無廢石堆場、無廢水排放的礦山。礦山年采選生產能力35 萬t，采用平硐+盲豎井開拓，中段高度50 m，采礦方法為上向進路充填采礦法和上向水平分層充填采礦法，采場沿脈走向布置，長度為40～50 m，寬度為礦體厚度，采場底部留有5 m 厚底柱，單層回采高度3 m，回采結束后架設順路溜井并進行尾砂膠結充填。為提高回采率，降低采礦安全風險，礦山在井下-725 m 中段1603 采場試驗和應用了上向進路充填采礦法。試驗礦段在平面上位于-725 m中段42～44勘探線，在垂直縱投影上位于-675～-725 m 水平，試驗礦段沿走向長54 m，寬度為礦體厚度，-675 m 中段礦體從42 線50 m 向南西至44 線收縮至20 m；-725 m 中段42～44 線水平寬度約20 m，但44 線以西由于受構造影響，礦體急劇收縮，中段高度50 m，呈脈狀產出，總體傾向北西向，上盤從稍向北西傾，到反轉以小角度傾向南東向，傾角70°～90°。礦體下盤灰巖和礦體屬中等穩固，上盤粉砂巖、頁巖、泥灰巖受構造影響欠穩固。

上向進路充填采礦法充填作業時，每條回采進路開口處架設密閉式充填擋墻，在回采進路中安裝充填管和排氣管，對單進路進行強制充填接頂［7］，該方式充填接頂情況難于觀察，且最后接頂時，由于充填管路中剩余充填料或洗管水的巨大壓力，極易導致充填擋墻泄露料漿甚至被沖垮，造成巷道污染。為解決充填接頂和充填擋墻的矛盾，將充填擋墻設計成鋼筋混凝土擋墻，不但成本非常高，施工工期也較長，充填是否接頂只能依靠一些設計更為復雜的監測裝置。充填接頂的成本高、工藝復雜，導致上向進路充填采礦法這種安全性能良好的采礦方法應用率并不高。充填接頂方案如圖1所示。

2 回采進路充填接頂優化方案

為提高充填接頂效果，并增大一次充填量，提高充填作業效率，南京棲霞山鉛鋅礦對上向進路充填采礦法的接頂方案進行了改進，具體方案如下：

（1）每個回采進路由開口處下向施工，坡度-1%～-5%，回采進路迎頭處頂板低于開口處頂板30～60 cm，如回采進路長度小于25 m 時，可在各條回采進路迎頭施工垂直進路走向的充填巷，貫通相鄰的2～3條回采進路。

（2）在距離回采進路迎頭2～5 m 處頂板，或在充填巷內中間點的頂板處斜向上挑頂1.5 m，形成三角形的放砂硐室，將充填管道沿進路頂板或充填巷頂板引至放砂硐室處，并將充填管道出口牢固懸掛于放砂硐室頂板處。

（3）在回采進路入口與主聯絡道相交處，斜向上挑頂1.5～2 m，形成擋墻硐室，并在最高點對應位置架設上部敞開式的充填擋墻，充填擋墻上沿高出回采進路頂板0.3～0.5 m。充填管道沿擋墻上沿進入回采進路，并在回采進路入口外安裝三通閥，三通閥的支管引入待充填空區或緩沖池。在距充填擋墻上沿0.2 m 的高度安裝直徑與充填管道相同的泄水管，泄水管引入相鄰的待充填空區或緩沖池。

（4）回采進路采用尾砂膠結料分次充填，充填料漿濃度不低于65%，每次充填前后，用三通閥將引管水和洗管水排入待充填空區或緩沖池。接頂充填之前的倒數第二次充填時，洗管水直接排至充填區域，不再用三通引入待充填區域或緩沖池。但倒數第二次充填后，回采進路入口處的充填料漿液面與該處頂板的高差不應大于1 m。

（5）最后一次接頂充填時，引管水直接排入回采進路，以確保管路暢通，充填料漿濃度及灰砂比應當提高等級，即充填料漿濃度不低于67%，灰砂比不低于1∶4。由于充填料漿密度大而引管水的密度小，因此引管水會漂浮在充填料漿之上，且最后會由泄水管排出進路或由充填擋墻滲出進路。

（6）最后一次接頂充填時，人員在充填擋墻處觀察充填料漿的液面上升情況，當充填料漿的液面超過進路入口處的頂板高度時，打開三通閥將管道內剩余尾砂料及后續洗管水排入待充填空區或緩沖池，同時停止充填作業。由于充填管道中充填料漿存在一定的壓力，因此當回采進路迎頭處接頂后，充填料漿會在壓力的作用下，由回采進路的迎頭向回采進路開口處流動，在此過程中排出進路內空氣，實現充填接頂。局部頂板不平整而存在空區時，由于布置在進路頂板上的充填管道在充填料漿流動過程中存在一定的振動，并將這種振動作用傳導至該區域的充填料漿，因此會加速將頂板不平整區域的空氣排出，實現最終的高效充填接頂。

改進后的上向進路充填采礦法充填接頂方案如圖2所示。

3 優化實例分析

3.1 礦山試驗

為回采試驗礦段礦體，礦山在試驗礦段布置了相應的采準工程，包括2 個溜礦井、2 個人行井、2 個充填通風井、1 個采區斜坡道。試用時，在試驗礦段的42～44 勘探線垂直礦體布置12 條采礦進路，并沿脈走向在礦體上盤和底盤布置了2 條采切巷。試驗礦段采礦進路設計規格為4 m×3 m（寬×高），頂板為1/4 三心拱，進路坡度為2.5%下坡施工，采切巷設計規格為4 m×5 m（寬×高），頂板為1/4 三心拱，水平坡度施工。采用腳手架、木板及土工布架設成充填擋墻，充填管懸掛在采切巷頂板上并安裝排放沖洗管水的三通閥。充填材料為選礦全尾砂和42.5 級普通硅酸鹽水泥，一期采礦進路充填灰沙配比為1∶3，二期采礦進路正常充填灰沙回采配比為1∶6，膠結面充填灰砂配比為1∶4，充填濃度為70%，單日充填量約300 m3，采礦方法如圖3所示。

3.2 優化結果

為了解該采場各一期回采進路充填接頂情況，礦山在二期進路回采時對一期進路的接頂情況進行觀測和統計。礦山同時對各一期進路被揭露的充填體進行了單軸抗壓強度檢測。相關統計和檢測結果如表1所示。

注：回采進路的接頂率=進路平均接頂面積/進路平均總面積。

優化后的充填接頂方案在南京棲霞山鉛鋅礦試用，有如下優點：

（1）接頂率高。由于回采進路呈下坡布置，且充填管道出口布置在進路迎頭區域，在最后一次接頂充填時能夠有效排出進路內氣體，利用充填料漿壓力實現自然充填接頂。同時由于充填擋墻上部為敞口式，也能夠便于人員清楚地觀察到充填接頂情況。

（2）安全性好。充填擋墻為敞口式，能夠消除充填接頂時充填管道及回采進路內的料漿及空氣壓力，不會造成充填擋墻受壓漏漿或被沖垮。

（3）充填成本低。充填時采用常規的木擋墻或沙袋砌筑擋墻即可，無需砌筑成本較高的混凝土擋墻，同時無需設置大量監測接頂情況的儀器儀表及其他裝置，充填接頂為自然接頂，無需高壓泥漿泵注漿強制接頂或者二次爆破強制接頂。

（4）工藝及施工管理簡單，易推廣。各項充填接頂的措施簡單，僅需進行2次挑頂形成高于進路頂板的硐室，然后利用管道壓力及進路傾斜頂板實現自然接頂，無需其他過多輔助設備和裝置，充填擋墻為常規擋墻，便于推廣。

4 結 論

（1）針對傳統上向進路充填采礦法所存在的充填接頂的成本高、工藝復雜等問題，提出優化方案：在回采進路迎頭處挑頂形成三角狀砂硐室，同時在回采進路入口處挑頂并架設上部敞口式充填擋墻；充填管道內的料漿壓力及回采進路頂板的自然坡度共同實現充填接頂，針對局部不平整頂板區域空區情況，利用充填管道流動產生的振動將空氣排出，從而提升局部接頂率。

（2）礦山布置采準工程對優化方案進行試驗，通過對回采情況進行觀測與統計，發現充填接頂率顯著提高，安全性好，工作人員易于觀察，同時具有充填成本低、易于推廣的優點。