破碎難采礦體的下向膏體充填法

瑪旦江 王貽明 吳愛祥 艾純明 楊錫祥 周發陸

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083;3.招金礦業伽師縣銅輝礦業有限責任公司，新疆 喀什 844300)

破碎難采礦體的下向膏體充填法

瑪旦江1，2王貽明1，2吳愛祥1，2艾純明1，2楊錫祥3周發陸3

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083;3.招金礦業伽師縣銅輝礦業有限責任公司，新疆 喀什 844300)

伽師縣銅輝礦業有限責任公司拜什塔木礦區1#礦體多年來采用無底柱連續開采分段崩落留礦采礦法進行回采，回采過程中存在地表陷落、鋼拱架失穩、巷道垮冒、貧化率較大、作業環境不佳等問題。針對開采過程中存在的問題，通過方案優選和技術經濟比較，選用下向進路膏體充填采礦法對1#礦體進行開采。下向進路膏體充填法很好地解決了圍巖穩定性差，鋼拱架失穩和巷道冒頂等問題。對采場結構參數和回采工藝進一步優化，采礦損失率從17%降低到4%～6%，貧化率從18%降低到5%～7%，尾砂利用率提高到90%～95%，增強了采礦作業的安全性，對同類礦山的生產具有一定的指導意義。

破碎難采礦體 膏體充填采礦法 方案優選 安全開采

隨著我國易采資源的逐漸枯竭，礦產資源開發重點轉向破碎復雜難采礦體，存在開采難度大、安全隱患高等技術難題[1]。對于中厚破碎礦體，充填法能很好地控制采場地壓，得到了廣泛的應用。但常規的分級尾砂充填存在采場脫水困難、易離析、細粒級尾泥處理難度大、穩定差等問題，在此基礎上發展了全尾礦膏體充填技術。

膏體充填技術是對膠結充填的進一步發展。膏體充填是具有良好穩定性、流動性和可塑性的膠結體，在重力或外加力作用下以柱塞流的形態輸送到采空區[2]。膏體充填的特點是料漿濃度大，質量濃度可達到75%～85%。膏體料漿像塑性結構體一樣在管道中作整體運動，固體顆粒一般不發生沉淀，不發生離析，呈柱塞狀流動；尾砂利用率高，一般為90%～95%。由于膏體充填料漿濃度高，無需脫水，因此減少了井下充填污染及排水費用。充填體強度高且水泥耗量少，可以適當降低充填成本。充填體易于接頂，有利于采場穩定和采礦作業安全性。膏體的穩定性、和易性和可泵性，決定了進行長距離輸送時不會造成堵管，從而解決了實際操作中長距離輸送的問題[3]。應用充填法采礦的基本條件是：礦體的上、下盤圍巖不穩固或者礦石、圍巖都很破碎的礦床；開采圍巖不穩固的高品位、稀缺、貴重礦石的礦體；地表不允許陷落，開采條件復雜，如水體、鐵路干線、主要建筑物下面的礦體和有自燃火災危險的礦體等，也是深部開采時控制地壓的有效措施[4]。

從長遠范圍及發展眼光看，膏體充填技術是充填采礦技術發展的主要方向。目前在國內外金屬礦山得到廣泛的推廣應用。膏體充填技術1979年首先由德國格隆德鉛鋅礦[5]開發成功，隨后在國內外日益引起重視。如澳大利亞的大型礦山卡寧頓(Cannington)礦、芒特艾薩(Mount Isa)礦業公司開采深部的3500礦體，加拿大薩德伯里地區(Sudbary)的克萊頓(Creighton)礦等礦山都使用膏體充填技術，并取得了相當好的效果[6]。

我國也非常重視膏體充填技術的研究。金川公司于1991年就建立和鑒定了膏體充填試驗系統，并于1996年建成了正式膏體充填生產系統[7]，其他如武山銅礦、大冶銅綠山銅礦[8]、云南會澤鉛鋅礦等，也積極籌建膏體充填系統[9]。其中，云南會澤鉛鋅礦膏體充填系統是我國最先進、最成功的膏體充填系統。它主要優點是可以利用全尾砂充填，且充填后不用脫水，充填體強度高。同時通過對全尾砂、水淬渣的利用，可實現礦山廢棄物的零排放。隨著生態環境保護對礦產資源開發的要求越來越高，膏體充填技術在我國具有廣闊的應用前景[10]。

1 礦山開采技術條件

1.1 礦床賦存條件

拜什塔木礦區出露的主要地層有下泥盆統、上石炭統、下二疊統、白堊系、古近系、新近系及第四系；全礦區共圈定了7個礦體，大山口礦段圈定了2個礦體，拜什塔木—天源騰礦段圈定了3個礦體，西克爾礦段圈定了2個礦體。其中拜什塔木—天源騰礦段是主要礦段，含礦層中共圈出大小工業礦體3個，由西向東編號Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3，其中Ⅰ-1礦體規模最大，為主礦體，Ⅰ-2和Ⅰ-3號礦體規模較小。拜什塔木及天源騰礦段960～633 m標高間Ⅰ-1、Ⅰ-2號礦體，地質資源量為348.02萬t。設計范圍內Ⅰ-2號礦體可利用礦量為22 765 t，且其距離Ⅰ-1號礦體較遠，不利于開拓及采準工程布置，因此暫不考慮利用。

I-1礦體：分布在37～4號勘探線，礦體在0～15號勘查線直接出露地表，標高為1 300～1 330 m。礦體控制最低標高為711 m，控制最大傾斜深度500 m。礦體呈層狀—似層狀，地表出露長度650 m，沿走向控制長度達1 050 m。礦體平均厚度6.24 m，屬厚度穩定型礦體,礦體地表傾向195～199°，傾角80°。礦體厚度在走向上由西向東有由薄變厚再變薄的趨勢，即中部較厚兩端變薄的趨勢。礦體(或含礦層)中上部主要為中細粒砂巖、鈣質粉砂巖，局部夾砂質泥巖，底部為砂礫巖。礦體直接頂板圍巖為細粉砂泥巖，底板為含粉砂泥巖。巖層一般比較堅硬，韌性較好，但層理較發育，泥巖遇水易軟化穩固性較差，易片幫坍塌，坑道掘進需要進行支護。隨著礦山采深加大，坑道中涌水量可能增大，會對礦山開采帶來安全隱患，采礦難度較大。此外，如開采塌陷影響到斷裂裂隙構造含水帶，將有可能會發生突水。

1.2 礦山目前存在的問題

拜什塔木銅礦礦體及上下盤圍巖具有遇水泥化、崩解特性。調查發現，距離礦體約93、115和217 m共計有3個含水帶。如果繼續沿用現有崩落采礦法，一旦崩落區與含水帶貫通，則極有可能出現已有開拓、采準巷道大面積失穩、乃至淹井事故等，存在極高的開采風險和安全隱患。此外，礦山地應力大，現有支護方式單一，且支護強度低；無法封閉巖面。井下木背板1～2 a后腐朽引起承載力降低，承擔支架與圍巖之間承擔應力傳遞載荷的背板木的作用大大消弱，支護對圍巖的約束作用逐漸減小，圍巖在地應力作用下逐漸松動、脫落，最終導致巷道失穩。

2 采礦方法選擇與回采方案設計

2.1 采礦方法選擇

針對拜什塔木銅礦礦體穩定性很差的特點，最佳的采礦方法是利用充填法控制上下盤圍巖移動和地壓，鑒于礦體厚度不大，傾角較陡，可選用的采礦方法有上向進路膠結充填和下向進路膠結充填法。

從表1可以看出若采用上向進路膠結充填采礦法，采礦進路的支護及穩定性問題將非常突出，人員、采礦設備安全風險高，一旦發生冒頂，也會引起盤區生產能力降低、損失貧化指標增大，采礦成本提高等一系列問題。因此，擬采用下向進路膠結充填采礦法，膏體充填是拜什塔木銅礦最佳充填方式。

根據礦區礦床賦存特征、開采技術條件及礦山開采現狀，擬采用下向傾斜進路膏體充填法開采，進路傾斜角度為6°，傾斜進路主要是為了充填接頂，同時有利于礦石運搬。依據礦體厚度不同，布置不同數目的進路。當礦體厚度小于6 m時，采用單進路回采，當礦體厚度大于6 m時，布置2條或多條進路回采。

表1 上、下向進路膠結充填采礦法比較(針對該銅礦現場條件)Table 1 Compare of uphand and underhand drift paste backfill method(Aimed at the mine site conditions)

2.2 回采方案設計

(1)礦塊布置及結構參數。盤區尺寸為200 m×60 m，盤區長200 m，中段高度為60 m，沿走向每200 m劃分1個盤區，盤區寬度為礦體水平厚度，盤區之間不留頂底柱和間柱，每個盤區分為兩個礦塊，每個礦塊單獨回采，共用1條礦石溜井和回風充填井。該采礦方法分段高度為12 m，每個中段布置5個分段，每個分段服務3層進路回采。分段平巷之間用盤區斜坡道相連，分段平巷與礦體通過分層聯絡道相連，垂直礦體走向布置分層聯絡道。回采進路沿走向傾斜布置，傾斜角度為6°，進路高度4 m，進路寬度根據礦體厚度而定，但不小于3 m，不大于6 m。進路回采完畢后進行膏體充填。

(2)采切工程布置。采用下盤脈外無軌采準方式，以盤區為回采單元布置采切工程，主要采切工程包括分段平巷、盤區溜井、分層聯絡道和切割巷道等，主要采切工程規格如表2所示。

表2 盤區無軌采準系統主要采準工程規格Table 2 Mainly mining engineering specification table of panel trackless mining system

盤區斜坡道形成后，在高度方向上每隔12 m掘進下盤分段平巷，其斷面規格為3.6 m×3.2 m，分段平巷與階段運輸巷道之間由折返式斜坡道連接，坡度為11°。而后自分段平巷每隔100 m向礦體掘進分層聯絡道。自分段平巷礦塊中央位置垂直礦體掘進分層聯絡道直至礦體下盤，其斷面規格為3.6 m×3.2 m，分層聯絡道最大坡度為10°。分層聯絡道掘進礦體后，自礦體下盤掘進切割巷道至礦體上盤，切割巷道斷面為4 m×4 m。

盤區礦石溜井布置在礦體下盤，卸礦口與分段平巷之間由溜井聯絡道相連，原則上每個盤區布置1條礦石溜井，卸礦口與分段平巷相通，井筒規格為2 m×2 m，放礦硐室與階段運輸巷道相通。巷道掘進中的廢石可排入相鄰的廢棄分層聯絡道中。每一階段布置1條廢石溜井，用于排出巷道掘進中的多余廢石。該采礦方法采切工程量如表3所示。

表3 下向進路膏體充填采礦法采準切割工程量Table 3 Preparation and cutting work′s ratio of underhand drift paste backfill method

(3)回采工藝。自礦塊中央切割巷道向兩翼前進式回采，逆傾斜掘進。采用MERCURY-14單臂式鑿巖臺車打傾斜炮孔，角度與進路傾斜角度相同，與水平面夾角為6°，孔深3.5 m，炮孔直徑φ38 mm。采用角錐形掏槽，并用控制爆破技術，確保進路形狀規整，并減少對上分層充填體及圍巖的破壞。

采用2號巖石乳化炸藥，人工裝藥。藥卷直徑32 mm，周邊眼設計采用22 mm的小直徑藥卷，長度均為200 mm。起爆采用非電微差導爆管起爆。

爆破通風完畢后，人工撬除浮石，而后采用鏟運機出礦，鏟裝的礦石直接卸入盤區溜井。每個盤區4個作業面同時回采。

(4)采場通風。進路回采完畢充填時，在盤區兩側分別預留1條充填回風井(采用架設模板方式)，作為采場回風井。新鮮風流經分段巷道→分層聯絡道進入采場，作業面的污風由回采進路→充填回風井至上中段回風系統。

(5)采場支護。巷道頂板以濕噴混凝土結合錨桿支護為主，局部特別破碎地點用錨桿加金屬網支護。采場一般不需要支護，局部破碎地點采用水壓支柱護頂或錨桿支護。具體支護形式根據現場巖石破碎程度而定。

2.3 膏體充填工藝

2.3.1 充填材料

(1)水泥。采用32.5普通硅酸鹽水泥。

(2)全尾砂。拜什塔木銅礦選廠尾礦-200目含量占70%，粒級較細，排放濃度為20%～25%?？梢娫摰V尾砂粒級組成適宜于膏體充填；但由于其濃度較低，須經濃縮脫水進一步提高礦漿濃度。

(3)粗骨料。粗骨料改善充填物料的級配，可形成更高濃度的膏體。添加粗骨料使充填系統的濃度更容易保證在膏體范圍內，充填工藝更加可靠。經過現場調研，擬采用戈壁集料，通過人工篩分方式，控制物料最大粒度小于10 mm。

(4)冶煉水淬渣。冶煉水淬渣是一種可用的膏體制備材料，拜什塔木銅礦冶煉水淬渣產量約2萬t/a。

2.3.2 強度及材料配比

設計采用下向進路膏體充填，鋪底層2.0 m厚采用高強度充填，28 d充填體強度4～5 MPa，其余部分膏體強度1～2 MPa。根據當地可用膏體制備材料，可采用2個方案，即全尾+水泥+廢石和全尾+水淬渣+水泥的膏體制備方案，經技術經濟比較，推薦膏體充填料配比如下。

(1)全尾+水泥+廢石膏體。采用全尾+水泥+廢石制備膏體，28 d強度要求為4～5 MPa時，建議灰砂比為1∶5，廢石與尾砂用量比為1∶(3～5)，膏體濃度73%～76%。

28 d膏體強度要求1～2 MPa，建議灰砂比為1∶(10～12)，廢石與尾砂用量比為1∶(3～5)，膏體濃度為74%～76%。

(2)全尾+水淬渣+水泥膏體。經實驗，水淬渣作為膠凝材料對于膏體強度貢獻并不明顯，因此，不建議水淬渣作為膠凝材料使用。

當水淬渣作為粗骨料制備膏體時，需要28 d膏體強度為4～5 MPa，建議灰砂比1∶5時，淬尾比1∶(7～9)，膏體濃度75%～76%。

需要28 d膏體強度為1～2 MPa，建議灰砂比1∶8時，淬尾比1∶5；灰砂比1∶7時，淬尾比1∶8，膏體濃度均為75%～76%。

2.3.3 采場充填

每條進路回采完畢后，立即進行膏體充填，順傾斜充填。在切割巷道內用空心磚修筑充填擋墻對進路進行封口，并噴射30～50 mm厚的混凝土。

充填管自充填回風井進入采場。充填準備工作包括清理進路礦石、修筑充填擋墻、敷設鋼筋、鋪設充填管等。充填前在進路內沿進路軸向和垂直于進路軸向敷設縱橫筋，同時敷設豎筋，使充填后形成鋼筋混凝土結構，增加充填體強度。

縱橫筋布置：縱橫筋規格均為φ14 mm的A3圓鋼。縱筋沿進路走向布置，間距為1.00 m；在縱筋上布置垂直進路走向方向布置橫筋，間距1.00 m，形成1.00 m×1.00 m的主筋網度，縱筋與橫筋之間采用綁扎絲綁扎，橫筋長度為長出進路寬度0.5 m，并將長出部分彎向充填體；而后在每2根主筋之間鋪設2根φ8 mm副筋，主副筋之間用綁扎絲捆綁，形成0.33 m×0.33 m的鋼筋網度。

沿進路方向每隔4.0 m布置3根φ16 mm的A3圓鋼豎筋，豎筋下端彎勾勾在縱橫筋搭接處，并用扎絲將吊筋與縱橫筋牢固綁扎在一起，豎筋上端與上分層充填體底筋相連，并用扎絲綁扎牢固。頂板打錨桿固定充填管路。

采用分層充填，共分上下2層，下層打底充填高度為2 m，充填體強度為4～5 MPa；上層為接頂充填，充填體強度為1～2 MPa。

將膏體從充填回風井送入待充填進路，充填應盡可能連續進行，以有利于形成整理充填體。充填體側部礦體經過7 d即可開始回采作業，下部則至少要經過28 d才能進行回采作業。

3 技術經濟指標

采用下向進路膏體膠結充填采礦法，將會為礦山帶來巨大的經濟效益和社會效益，見表4。

4 結 論

(1)系統分析拜什塔木銅礦礦體遇水變軟，穩定性差，礦巖破碎等開發安全問題，通過方案優選和技術經濟比較，選用下向進路膏體充填采礦法對1#破碎礦體進行開采。

表4 采礦主要技術經濟指標Table 4 Main technical and economic indicators table of mining

(2)下向進路膏體充填法很好地解決了圍巖穩定性差,鋼拱架失穩和巷道冒頂等問題；采場結構參數和回采工藝進一步優化；損失率從17%降低到4%～6%，貧化率降低到5%～7%，尾砂利用率提高到90%～95%。

(3)選用下向進路膏體充填采礦法，采用全尾+水泥+廢石制備膏體，該法大大提高礦山的經濟效益、減少對環境的污染，同時保證井下員工及設備的安全作業。

(4)膏體充填技術在破碎難采礦體開采掘進中取得了良好的應用效果，提高了采礦作業的安全性，增加了采礦收益，并且可實現礦山無廢、綠色開采。

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(責任編輯 徐志宏)

Underhand Drift Paste Backfill Mining in Broken and Refractory Mines

Ma Danjiang1，2Wang Yiming1，2Wu Aixiang1，2Ai Chunming1，2Yang Xixiang3Zhou Falu3

(1.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China; 2.TheKeyLaboratoryofHigh-EfficientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，Beijing100083，China;3.ZhaojinMiningJiashiCountyTonghuiMiningLimitedLiabilityCompany，Kashi844300，China)

1#ore body of Baishitamu copper mine in Jiashi County Tonghui Mine Co.，Ltd.adopted non pillar continuous mining with sublevel caving stoping method，and there are such problems in mining as surface fall，steel arch lost stability，roof caving of roadway，high dilution rate，poor operating environment.Aiming at the problems existing in the mining process，the underhand drift paste backfill method was adopted to exploit 1#ore body after plan optimization and comparison of technical and economic characteristics.Results show that this mining method commendably solved the safe problems，including poor stability of surrounding rock，instability of steel arch and roof caving of roadways.Stope structural parameters and mining process were optimized with the loss rate decreasing from 17% to 4%～6%，dilution rate reduced from 18% to 5%～7%.While tailings utilization rate increased to 90%～95%.The underhand drift paste backfill mining enhanced the safety of mining.It is of great significance to the production of other similar mines.

Broken and refractory mine，Paste backfill mining，Plan optimization，Safe mining

2013-11-14

長江學者和創新團隊發展計劃項目(編號：IRT0950)，國家“十二五”科技支撐計劃項目(編號：2012BAB08B02)。

瑪旦江(1989—)，男，碩士研究生。

TD853.34+3

A

1001-1250(2014)-03-021-05