中厚礦體開采中兩步驟分段空場嗣后充填安全施工技術

摘 要：由于中厚礦體開采過程復雜多變，為了確保作業安全，本文提出中厚礦體開采中兩步驟分段空場嗣后充填安全施工技術。通過平衡安全性和效率的權重，結合崩礦步距與礦石損失貧化率的關系，優化采場結構參數，采用灰砂比1∶8、砂漿濃度75%的充填材料配比方案，以優化充填體性能，采用兩步驟分段空場嗣后充填技術，實現安全高效回采與充填作業的方法。工程應用結果表明，應用該技術施工后，充填體強度均在2.5MPa以上，能夠有效支撐采空區，符合施工要求。

關鍵詞：中厚礦體；兩步驟開采；分段空場；嗣后充填；安全施工

中圖分類號：TD 853" " 文獻標志碼：A

在礦產資源開采領域，中厚礦體的開采一直是采礦工程師們關注的重點。這類礦體厚度適中、儲量豐富，對礦山企業的經濟效益具有重要影響。然而，中厚礦體的開采也面臨許多挑戰，例如地質條件復雜、開采難度大、安全風險高等[1]。因此，探索安全、高效的開采技術對于提高礦山企業的生產能力和保障人員安全具有重要意義。兩步驟分段空場嗣后充填采礦法作為一種先進的采礦技術，在中厚礦體開采中得到了廣泛應用。這種技術不僅能夠提高采礦效率，還能顯著降低采礦過程中的安全風險。因此，本文旨在深入剖析中厚礦體開采中的兩步驟分段空場嗣后充填安全施工技術，結合具體工程實踐案例，提出切實可行的改進措施與優化策略，旨在為類似礦山的開采實踐提供寶貴參考與借鑒。

1 工程概況

本工程聚焦于一座蘊藏豐富的中厚型銅鋅多金屬礦體，礦體平均厚度約為20m，延伸深度超過1000m，總儲量預估超過5000萬t。礦體內部構造復雜，穿插有薄層狀石英巖和方解石脈，增加了開采難度。礦體頂部覆蓋有相對穩定的石灰巖層，厚度約15m，為開采提供了一定的頂板安全條件；而底部則緊鄰破碎的花崗質巖脈，巖性變化大，對支護設計提出了更高的要求。為了應對這些地質條件，團隊選擇兩步驟分段空場嗣后充填技術。因此，本文針對該項目中兩步驟分段空場嗣后充填安全施工技術的應用進行研究，旨在確保開采過程高效且安全。

2 兩步驟分段空場嗣后充填安全施工技術要點

2.1 優化采場結構參數

為了提高開采過程中的安全性和效率，本文首先對采場結構參數進行優化。通過綜合考慮安全性和開采效率2個關鍵指標，設計一個多目標優化框架。在該框架中，將采場分段高度、礦房寬度、礦柱寬度及礦柱間距等關鍵參數作為優化變量，旨在尋找一個最優組合，以在確保作業安全的前提下，最大化開采效率。

選擇這些參數的具體原因如下。1）采場分段高度。采場分段高度的選擇直接影響采場的垂直分層布局，對頂板的穩定性和礦石開采的連貫性都至關重要。當分段高度過大時，容易出現頂板不穩定的風險；當分段高度過小時，會降低開采效率，導致作業成本增加。2）礦房寬度。礦房寬度即礦房在水平方向的寬度。這一參數對礦石回收率、礦房穩定性、開采靈活性都具有直接影響。過大的礦房寬度對礦房穩定不利，會增加安全風險；過小的寬度則對開采規模構成限制，降低生產效率。3）礦柱間距。礦柱間距直接影響礦柱的支撐效果，同時，也關系采場整體的穩定性。過小的礦柱間距會造成礦柱之間的應力分布不平衡，導致礦柱破壞的風險提高；過小的礦柱間距則可能達不到需求的支撐效果，導致頂板塌陷的風險提高。

在確定關鍵參數后，引入一個權重因子來平衡安全性和效率之間的權重分配，構建如公式（1）所示的優化問題模型。

maximize a?fs（H，W，P，D）+（1-a）?fe（H，W，P，D）（1）

式中：a為權重因子，用于平衡安全性和效率的重要性；H為采場分段高度；W為礦房寬度；P為礦柱寬度；D為礦柱間距；fs和fe分別為安全性和開采效率的函數。

通過對公式（1）的求解可以確定優化后的采場結構參數。針對給定的優化結果，本文設定H=15m、W=25m作為優化后的參數值。15m的分段高度能夠在當前地質條件下提供足夠的穩定性，同時又不會因過高而導致開采難度增加。25m的礦房寬度在保證礦房穩定性的同時，能夠提供足夠空間進行高效的開采作業。

本文進一步假設開采效率E與礦房寬度W成正比，計算在優化礦房寬度下的具體開采效率值，如公式（2）所示。

E=k?W （2）

式中：k為單位寬度下的開采效率。

針對優化后的礦房寬度W=25m，計算相應的優化開采效率E=k?25[2]。

進一步考慮崩礦步距與礦石損失貧化率之間的復雜關系，利用公式（3）進行描述。

（3）

式中：B為崩礦步距，表示在崩落開采作業中，每次爆破后礦石崩落的距離，崩礦步距會影響礦石的損失和貧化；L為礦石損失貧化率，是衡量開采過程中礦石損失和貧化的指標；a為礦石損失貧化率的極限值；b為控制礦石損失貧化率隨崩礦步距變化的變化敏感度；c為背景值，表示當崩礦步距為0時，礦石損失貧化率的初始值，這個值反映了在沒有崩礦步距的情況下，礦石損失貧化的基礎水平。

通過優化調整崩礦步距B=1.56m，計算在優化步距下的礦石損失貧化率，進一步減少開采過程中的資源浪費和成本支出。通過上述步驟優化采場結構參數，可以在提高開采效率的同時，有效保障作業安全。

2.2 設計充填材料配比

在中厚礦體開采過程中，為了確保充填體的穩定性和強度，同時提高采礦作業效率并控制成本，本文對充填材料的配比進行科學設計。這一設計工作的核心目標是在滿足礦山安全開采嚴格要求的前提下，優化充填體的物理力學性能，實現效率與成本的最佳平衡。

經過深入分析與篩選，選擇充填制備站分級后的尾砂作為主體骨料。尾砂具有低成本、易獲取且環保的優勢，且兼具良好的物理力學性能[3]。同時，引入32.5級普通硅酸鹽水泥作為關鍵膠結成分。接下來，本文系統規劃充填材料配比的設計流程，并聚焦于灰砂比、砂漿稠度及養護時長這三大關鍵因素對充填體性能的影響。為了找到最優的配比組合，設定不同比例的灰砂比（1∶4、1∶8、1∶12）、多個水平的砂漿濃度（75%、65%、55%）以及不同的養護時間（7d、14d、28d），以全面評估這些因素對充填體性能的影響[4]。具體見表1。

在綜合考量工程需求、成本效益及施工便捷性等多方面因素后，本文采用灰砂比為1∶8、砂漿濃度為75%的配合比方案。這一方案在確保充填體強度和穩定性的同時，也能兼顧采礦作業的效率與成本控制。

2.3 實施回采與充填作業

在采場結構參數優化和充填材料配比設計完成后，為了確保作業的安全與高效，采用兩步驟分段空場嗣后充填施工技術進行回采與充填作業。

兩步驟分段空場嗣后充填施工技術是一種先進的地下礦山開采方法，主要形式是先回采部分礦石形成空場，再利用充填材料對頂板和側壁進行支撐，以提高采場的穩定性。其優勢在于能夠實現開采作業中的精確調控，降低礦石損失率。同時，通過及時填充空場，降低地壓影響，減少巖體移動帶來的安全隱患。借助這一技術，能夠有效改善作業環境、提高生產效率，并顯著提高資源回收率、完成成本優化。

利用兩步驟分段空場嗣后充填施工技術進行回采與充填作業的流程如圖1所示。

在回采階段，按照上向扇形布置鑿巖巷道進行鉆孔。以粒狀銨油炸藥配合非電導爆系統，從切割天井開始，形成切割槽并側向崩礦。崩落礦石經集礦后，由LH514E型鏟運機運至溜井。

針對爆破作業，采用BQF-100型裝藥器精確裝藥，并利用非電毫秒導爆系統實現微差起爆技術[5]。通過精心編排起爆順序，確保從掏槽孔開始，依次至輔助孔、主爆孔，并以光爆孔收尾的順序進行爆破，實現爆破能量的有序釋放與疊加，提高爆破效果與安全性。掏槽孔示意圖如圖2所示。

為了保證采場工作面的空氣質量，充分利用礦山主扇形成的負壓效應，利用礦山主扇形成的負壓效應，實現新鮮風流與污風的有效置換。

進入充填作業階段后，采取分階段、多層次的充填策略。這種充填策略的優勢在于可以分散礦山結構所受壓力，循序漸進地穩定礦山結構，規避單次大體量填充帶來的不穩定風險。同時，分階段充填有利于充填材料的合理規劃，可根據實際開采進度安排使用，提高資源的利用效率。

首段充填時，特別注重膠結充填體的使用。在地表充填站精心制備充填料漿，通過管道自流系統，將充填料漿輸送至采場。先充填高為2m、灰砂比為1∶8的膠結充填體，以增強強度，再充填全尾砂或廢石，并在頂部加設厚度為0.5m的膠結充填體接頂，作為下一分段回采的底板。其他分段充填時，除頂部保持膠結層外，主要采用全尾砂或廢石進行直接充填，以降低成本并提高充填效率。由此，完成了本文中厚礦體開采中兩步驟分段空場嗣后充填安全施工技術的研究。

3 工程應用

3.1 施工準備

為了驗證本文技術的可行性，根據上述項目實際需求，精心規劃并配備關鍵設備、材料及安全防護設施，具體準備情況見表2。

當進行施工時，礦房與礦柱的回采順序嚴格遵循既定規劃，在每次礦房回采完成后，必須立即啟動充填作業，避免因采空區長時間暴露而引發地壓突變或頂板失穩。

3.2 應用結果及分析

為了驗證本文方法的有效性，將其應用于上述實際的中厚礦體開采項目中，并設定充填體的最低設計強度為2.5MPa，以確保工程的安全性與穩定性。在施工過程中，針對不同部位的充填體強度進行檢測，結果見表3。

根據表3可以看出，各區域充填體強度優異，分布均勻且達標。具體來說，礦房1南部、中部及北部區域的充填體強度分布均衡，表明充填材料的選擇與施工工藝控制得當。礦柱區域的充填體強度較高，尤其是礦柱3頂部區域的充填體強度達到了3.31MPa，為礦山的整體穩定性提供了堅實保障。而礦柱2與礦房2間過渡區的充填體強度雖略低于其他區域，但仍保持在安全范圍內，體現了施工過程中的精細調控。這是由于本文方法通過平衡安全性和效率的權重，結合崩礦步距與礦石損失貧化率的關系，優化了采場結構參數。這種優化確保了采場設計的合理性，從而為后續的充填作業提供了良好的基礎。另外，采用的灰砂比1∶8、砂漿濃度75%的充填材料配比方案，能夠提供足夠的強度和穩定性，同時確保充填體的均勻性和密實性。采用的兩步驟分段空場嗣后充填技術可以有效控制充填體的形成過程，確保充填體在不同區域的一致性和強度。該技術的應用有助于提高充填體的整體性能。綜上所述，本文技術在工程應用中取得了顯著成效，不僅提高了充填體的強度，確保了礦房與礦柱的結構穩定與安全，還保障了整體開采安全。

4 結語

本文通過精細化的采場結構參數優化與充填材料配比設計，結合先進的機械化鑿巖與精確爆破控制技術，不僅提高了兩步驟分段空場嗣后充填安全施工作業效率，更確保了作業過程的安全可靠。隨著科技不斷進步和環保要求日益提高，中厚礦體開采將面臨更多新的挑戰與機遇，應繼續秉承創新、綠色、安全的理念，不斷優化和完善兩步驟分段空場嗣后充填技術，推動其在更多礦山的廣泛應用，為礦產資源的合理開發與利用貢獻更大的力量。

參考文獻

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[3]王正奇，李廣濤，廉柏棟.拉拉銅礦塹溝式分段空場嗣后充填采礦法及膠結礦柱結構參數研究[J].采礦技術，2023，23（3）：34-37.

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[5]任建平，齊炎，劉廣.分段空場嗣后充填采礦法在某銅鉛鋅礦的應用[J].有色冶金設計與研究，2021，42（6）：4-7，13.