頂板破碎富水礦山的機械化上向水平分層充填采礦法

徐 恒 王貽明 艾純明 劉曉輝

(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)

冒頂片幫和礦坑突水是典型的金屬礦山地質災害，是由礦山開采活動直接誘發的人為地質災害。冒頂片幫是是礦山開采導致的最直接的地質災害，也是礦山生產安全的主要危害。研究表明，頂板冒落可分為地質構造因素造成的冒落、應力集中造成的冒落和設計回采過程中的潛在問題造成的冒落三類［1］。而礦井底板突水災害是地下采礦過程中由底板薄弱通道溝通底部含水層和采掘空間進而影響礦井正常和安全生產的一種地質災害，造成人員和財產的損失。礦坑突水是金屬礦山多發性地質災害，其突發性強、規模大、后果嚴重。礦坑突水已成為金屬礦山的主要地質災害［2］。地下水和礦山壓力是在突水中經常起作用的來源［3］。

針對冒頂片幫和礦坑突水危險，各礦山采用了多種措施進行防治。目前礦山主要采用的防治頂板冒落的措施有:預留礦柱、人工支護、人工假頂、切頂和預留護頂層等，如云南馳宏鋅鍺股份有限公司麒麟廠礦采用人工充填混凝土形成人工礦柱，有效防止了頂板大面積冒落［4］;蒙自礦冶公司白牛廠礦山采用水壓支柱護頂，進行連續采礦［5］;鳳凰山銅礦則采用長錨索、短錨桿聯合護頂技術，大大降低了冒頂片幫事故的發生［6］;內蒙獲各琦銅礦針對采礦過程中出現的頂板冒落和局部層狀脫落問題，采用15 m 長錨索支護，局部問題采用短錨索［7］;康家灣礦區深部礦體采用預留護頂層的方法來對破碎頂板進行控制等［1］。對于礦坑突水，無法利用單一的方案進行有效的治理，通常需要進行多種措施的綜合利用，單一的防治措施主要有留設礦巖柱、帷幕注漿堵水、放水降壓、超前探水等，如高陽鐵礦即采用注漿堵水和放水降壓等綜合性的防治水措施［8］。另外，為了更安全地采出地下礦石資源，防止引發井下突水事故，合理選用對圍巖破壞小，減小爆破震動的爆破方法也是十分可取的。

在礦山頂板破碎、礦山富水的背景下，根據礦山地質構造地應力特征、礦體產狀、采區應力動態變化以及采礦工程巖體結構的穩定性，合理的選擇采礦方法、采場結構參數、地壓控制技術等，結合礦山開采技術朝著高效率采礦、無廢害采礦和連續采礦的趨勢，進行機械化開采，實現頂板破碎富水礦山的安全高效開采和礦產資源的充分利用，兼顧礦石回采率、貧化率等技術經濟指標，具有重要的現實意義。

1 采礦方法選擇與采場布置

1.1 開采技術條件

華東某銅礦為典型的頂板破碎富水礦山。礦山主要有1#與2#礦體，兩者地質賦存條件類似。2#礦體已開采完畢，采礦方法主要為點柱式上向水平分層充填采礦法，采用水砂充填。1#礦體平均厚度12 m，礦體長度540 m，礦體傾角為傾角70° ～85°，為急傾斜中厚礦體。礦體形態沿走向呈彎曲的透鏡似板狀，底部有分支復合現象。礦石堅硬穩固;礦體上盤為花崗閃長巖，易風化，大部已蝕變，吸水變軟，極易成土，屬于不穩固巖石;下盤為大理巖，穩固性較好，屬穩固性巖石。礦石體重3.6 t/m3，松散系數1.6，礦石地質儲量共計580 萬t，平均地質品位1.3。礦區地表為森林，樹木多以杉木等經濟樹種為主，應避免地表塌陷。

礦床工程地質條件和水文地質條件較為復雜。1#礦體頂板構造破裂較為嚴重，在2#礦體開采歷史上曾多次發生冒頂事故，且礦體頂部已被民采破壞，形成容水老窿，對下部礦體開采安全性造成威脅。礦體富水性較強，底板巖溶化較強，裂隙溶洞發育，與1#礦體地質條件一致的2#礦體在開采過程中多次發生突水災害。大氣降水是地下水的主要補給來源，礦區夏季常有暴雨，存在嚴重的礦坑突水隱患。

在控制地表塌陷和提高礦石回收率方面，充填法具有地壓控制好、回收率高、貧化率低和生產安全性等多方面優勢，根據該礦復雜的地質條件和圍巖穩定情況，確定為機械化上向水平分層充填采礦法。在充填材料的選取上，根據目前國內礦山的充填經驗和研究進展，選取復合型高水速凝材料及尾砂為礦山所用的充填材料，局部地區進行廢石回填。研究表明，高水速凝膠結充填技術能有效克服料漿離析與泌水問題，形成的充填體具有均質、整體性好、早期強度高等良好的技術性能，適用于分層采礦技術。

1.2 采場結構參數及回采順序

沿走向布置礦段，采場長度60 m，開采寬度為礦體厚度，階段高為60 m，分段高度12 m，分層高度3 m。采場間開采順序為從上向下，采場內回采順序為從兩端向中央的后退式開采。

1.3 采準切割工程布置

采準工程可分為脈內采準巷道和脈外采準巷道。脈外階段運輸巷用于礦石運輸、材料設備和通風、行人。在采場頂端位置掘進總回風平巷，與回風井和各階段相通。為了便于探礦和通風，從階段運輸巷道掘進穿脈巷道，斷面為2.0 m ×2.0 m。從穿脈巷道掘脈內通風人行天井(充填天井)與上階段和總回風平巷聯通，形成貫穿風流，天井內設充填管道和人行梯子，兼作礦房的安全出口，斷面為2.0 m×2.0 m。沿運輸巷道布置順路濾水井。采用鏟運機進行出礦，在階段運輸巷道一側掘進斜坡道，經各分段巷道與回采工作面聯通，每條分段巷道負擔下、中1、中2、上共4個分層的回采，供人員、材料和設備進入采場。在采場中部礦體的下盤脈外掘進溜礦井，斷面為2.0 m ×2.0 m。切割工作主要為拉底巷道，并以此為自由面擴大至采場邊界，形成拉底空間。

綜合考慮銅礦價值和礦山生產安全等多方面因素，為了提高礦石回收率，減少底柱損失，并為下階段回采頂柱創造條件，保障下階段生產安全，采用人工底柱。人工底柱的構筑采用鋼筋混凝土假底的形式，用混凝土澆灌。

1.4 回采工藝

分段回采自下而上逐層進行，并且超高一個分層作為回采下一分層的作業空間。以穿脈為作業空間，向采場兩邊回采至礦段端部，以穿脈為界將礦段分成2 個分區:分區一與分區二，分區長度30 m，分區一超前分區二回采，充填時分區一采用膠結充填，分區二采用尾砂充填。每一個工作循環主要包括:鑿巖、爆破、通風、撬毛、出礦、頂板支護、充填等工序，采礦方案見圖1。

圖1 機械化上向水平分層充填采礦法采礦方案Fig.1 Scheme of the mechanized upward horizontal cut-and-fill stoping

根據《有色金屬礦山地下開采生產技術規程》，頂板不穩固時，允許暴露的面積應控制在100 m2以內，長期暴露則需支護。采場支護的重點為采場靠近上盤的一幫和頂板，在同一分層回采中，首先回采下盤穩固部分，再逐漸推進至上盤不穩固部分，這個過程中，根據頂板破碎程度進行頂板支護，支護采用長錨索加短錨桿聯合支護，在部分破碎嚴重區域預留條帶礦柱，同時采用ZYH－W150 頂板位移監測儀進行地壓監測，在進行鑿巖爆破之前，先進行采場頂板檢查，嚴格實行安全管理，從基礎上防治頂板冒落。

1.4.1 鑿巖爆破

采用YSP44 向上式氣動鑿巖機，淺孔落礦，孔徑為46 mm，一般孔深為4 m。孔網布置形式采用方形布孔，孔距1.38 m，排距1.38 m，裝藥采用連續耦合裝藥結構，炸藥采用2 號礦山巖石炸藥。每次爆破采高3 m，即1 個分層高度。每次爆破5 ～7 排炮孔，當回采靠近上盤圍巖時，設計采用光面爆破，用微差電雷管爆破，以減小爆破震動，降低對圍巖的擾動。

1.4.2 通風、撬毛

礦山采用中央對角式抽出式通風，主扇安裝在地表。通風網絡采用棋盤式，在礦體頂部開鑿了1 條總排風道，沿礦體走向每隔一定距離保留一條貫通上下各階段的集中排風天井，各天井與階段運輸巷道交叉處用風橋跨過，各排風天井均與上部總排風道相連，階段運輸巷道與采場排風道溝通。新鮮風由各階段運輸平巷進入采場，污風通過采場排風道進入排風天井直接到總排風道。采場風流方向:階段運輸巷道→采場作業面→通風天井→總排風道。

鑿巖爆破后，用30 ～45 min 左右進行通風清洗工作面。待炮煙排凈后，安全工人進入采場檢查頂板，清除浮石，并進行頂板支護。

1.4.3 采場搬運

廢石出碴:采場開始開采時，底板廢石爆破后，采用0.30 m3的CT500HE 型微型柴油鏟運機，運搬廢石至廢石溜井，經過礦車運輸至主井提升至地表，并卸至廢石場。當回采礦石作業空間形成后，留存部分廢石，后期鏟至尾砂充填區，進行廢石－尾砂充填，以節省成本，同時更好地促進礦山安全、高效開采。

礦石出礦:礦石崩落后，用WJ －1.5 內燃鏟運機搬運至礦石溜井，放至階段運輸巷道后，采用架線式ZK7 －7/250 型電機車牽引YCC4(7)型側卸式礦車運輸，礦石由主井提升后運至地表。

1.4.4 采場護頂

礦山在開采過程中，采用長錨索、短錨桿聯合加固技術，錨索深度6 m，網度小于4 m×4 m，錨桿深度2.2 m，網度小于1.5 m ×1.5 m，在部分構造發育嚴重的部位，進行噴錨網支護，或視情況在上盤處留條帶狀礦柱，在主礦體回采結束后，再考慮進行礦柱部分回收。

1.4.5 采場充填

充填沿用礦山已有的充填站和充填系統，主要系統工藝包括脫泥儲砂系統、尾膠制漿系統和井下輸砂系統，充填管道從每個礦段的回風井進入采場進行充填作業。分層采完后，為了節約成本和保障下一礦段開采的安全，對不同分區采用不同的充填方式。膠結充填一分區，形成人工礦柱，強度較高(大于2 MPa)，二分區進行全尾砂充填。充填前，砌筑磚擋墻將充填區域封閉，一分區與二分區之間構筑尾砂草袋隔墻。膠結充填材料為復合型高水速凝材料和尾砂，充填濃度達到68%，水泥用量為170 kg/m3，充填能力可達65 m3/h，充填1 d 后抗壓強度可達1.5 MPa，3 d 后達2 MPa 以上，滿足強度要求，且充填后不用脫水。在二分區充填至距離頂板約3 m 左右時，利用復合型高水速凝材料和尾砂膠結鋪面，鋪面厚度在0.3 m 左右，增大充填體的表面強度，以利于鏟運機和鑿巖機運行，提高出礦和鑿巖效率。為了加強頂板穩固性，進行上盤接頂充填。

2 技術經濟指標對比

經礦山開采實踐，將其與礦山原本采用的點柱式分層尾砂充填法進行比較，各項指標均優(除炸藥單耗和采礦成本外)，見表1，有著顯著的經濟效益。相對于礦山2#礦體開采所采用的點柱式上向分層充填開采，機械化開采采用了完備系統的支護方案和監測手段，開采的安全性更高。

表1 采場技術經濟指標對比Table 1 Comparison of technical and economic index of stope

由于采用光面爆破等控制爆破震動的爆破方案，造成炸藥單耗和直接成本有所增大;為增大充填體強度和提高采礦效率，采用了膠結充填，充填成本也有所上升，但總體上礦山作業安全得到良好保障，生產能力提升效果也極為顯著，因而在炸藥單耗和采礦成本一定程度上的增大對于礦山生產是有益的。

3 結 論

(1)針對礦山頂板破碎和富水的特性，結合礦山開采經驗，變更點柱式上向分層充填采礦為機械化上向分層充填，采場生產能力提高1/3 左右，實現了資源的高效開發利用。

(2)采用機械化開采，機械化程度高，勞動強度低，采礦工效高，礦石回收率高、貧化率低，相較于點柱式回采，回收率提升4%，貧化率降低了0.4%，礦石大塊率減小，降低了二次破碎和選礦成本。

(3)采用人工底柱、礦柱的回采方案，大幅度優化了采場結構參數，最大程度地回收銅礦資源;利用礦山自身生產所產生的廢水、廢石、尾礦等材料進行充填，減少了建立尾礦庫等相關設施的費用，具有良好的環境和社會效益;礦山支護方法的系統化，可有效控制和管理地壓，降低頂板冒落和礦山突水風險。

(4)采用采場分區充填，在盡可能增大充填體強度的同時也控制了生產成本，增強了充填采礦法在防治礦山突水方面的能力，同時提升膠結充填強度也能減少甚至于避免留礦柱，在提升礦石回采率的同時實現采場的快速回采。

(5)在礦山的工程實踐中，技術指標為:采礦工效為200 ～250 t/班，礦石回采率可達92%以上，貧化率控制在7%以內，雖然由于加強支護和監測、提高充填強度而導致采礦成本有所提高，但總體來說，機械化開采頂板破碎富水礦山是一種指標先進、工藝合理、作業安全的采礦方法，具有極大的經濟效益。

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