機械化盤區下向分層進路膠結充填采礦法在阿舍勒銅礦的應用

萬仕明 潘澤 王立 王卓

（①新疆哈巴河阿舍勒銅業股份有限公司 哈巴河 8367001 ②江西理工大學資源與環境工程學院 贛州 341000 ③西北礦冶研究院生態環境檢測研究所白銀 730900）

1 概況

目前阿舍勒銅礦700m以上礦巖極其破碎，易發生冒落，很難適用于用其他比較經濟的采礦方法回采，采用進路采礦比較經濟合適?，F有的沿著礦體走向布置進路的采礦方法展現出暴露面積大、頂板易垮落、支護工程量大、暴露時間長、維護多、回采時危險系數高、充填接頂不嚴密、相鄰進路開采時空區跨度加大、回采作業面溫度高、通風困難等特點，使得現場作業條件差，嚴重影響生產持續穩定運行。針對以上問題，為保證650m 中段采區生產規模，在基建期，阿舍勒銅礦擬在700m中段以上進行盤區機械化上向分層充填采礦法試驗，但在進行相關穿脈工程施工過程中，發現750m 中段礦體不穩固，因此臨時調整為從767m 分段開始進行機械化盤區下向分層進路充填采礦法試驗。利用巖體穩固性和自承載性，通過合理的優化回采方案及充填方案，進路順利回采，有效地解決支護和維護成本高、回采時危險系數高、回采作業面溫度高等“三高”問題，該技術的成功應用為指導進路采礦回采有著關鍵性的意義。

2 礦床地質特征

阿舍勒銅礦區位于阿爾泰優地槽褶皺系，礦區內地質構造復雜，褶皺、斷裂構造發育，特別是阿舍勒組中斷裂密度更大，斷裂有南北向、北西向和北東向三組，前兩組斷裂交匯部位控制了古火山機構的產出和次火山巖體的空間分布[1]。巖漿活動強烈，并且多種有用元素相互共生、伴生，成礦作用明顯。

阿舍勒礦區內出露地層有3個組，阿舍勒組在這3個組中屬于主要的賦礦層位，它自下而上分為3個巖性段，代表了火山噴發亞旋回。其中阿舍勒組則是以酸性、中酸性火山碎屑巖為主的雙峰式巖套，成礦作用發生在每次火山噴發衰減期。礦區內構造線平面上展現為反S型，其中北部和南部構造線轉為北西向，表現出與區域構造線基本一致性。從阿舍勒組到紅山嘴組礦區內地層褶皺表現為：緊閉的線型褶皺→較開闊的線性褶皺→開闊的等斜褶皺，其強度呈現逐漸變弱的趨勢，說明阿舍勒礦床在成礦后至少經歷了三次構造變形。線型褶皺大多南部緊閉，北部開闊，軸面向東陡傾，而且向斜東翼和背斜西翼常倒轉，阿舍勒礦床就分布在礦區中部的倒轉向斜中。

3 礦體特征

阿舍勒礦床由4個礦體組成。其中，1號礦體是主礦體，礦體走向控制長843 m，傾伏長1250m，厚5～120m，具有四周薄中間厚，在橫剖面上呈魚鉤形，單體規模大，集中了已探明的銅金屬儲量的98%等特點[2]。其上部為似層狀、塊狀硫化物礦體，塊狀硫化物礦體由厚薄不一、大致平行的硫化物礦層組成，與地層整合產出，共同發生褶皺彎曲；下部為細脈狀、網脈狀和浸染狀礦體與地層斜交產出，因此，阿舍勒礦床具有雙層結構。阿舍勒礦床具有火山噴氣-沉積成因塊狀硫化物礦床的典型特征，以火山噴氣—沉積成因為主并在上、下不同環境中經歷后期變質熱液疊加改造相繼堆積形成的塊狀硫化物銅礦床，礦體埋藏較深。

4 采礦方法

機械化盤區下向分層進路膠結充填采礦法其本質就是[3]：以鋪設錨網、吊掛膠結充填體作為人工假頂，人員與機械在人工假頂的保護下進行下向分層進路掘進式采礦；自上而下分層回采和逐層進行充填，回采作業設備采用BM281 鑿巖臺車、噴漿臺車、錨桿臺車、裝藥服務車、WJ-2.0 型鏟運機等，形成一條完整的、高效的機械化作業生產線。該采礦方法的主要特點包括[4]：⑴實現了大型無軌設備高效采礦；⑵在礦巖穩定性極差的情況下，改原來上向采礦為下向分層采礦，改變作業環境；⑶解決了水平進路充填工藝，具有礦石貧化損失小、回采率高、采礦作業安全等優點[5]。

5 采礦工藝

5.1 礦塊布置

阿舍勒銅礦礦體厚度約10-15m，采場進路沿礦體走向布置，長50m，中段高50m，中段內劃分為3個分段，每個分段高16-17m，再將每個分段劃分為5個回采分層，采用上坡3層，下坡2層的回采方式進行回采，每個分層高3m。在每個分段距礦體20m 左右的下盤圍巖內布置一條脈外分段平巷，分段平巷與主斜坡道相通，在采場走向的中部，從分段平巷垂直于礦體布置轉層聯絡道施工至礦體位置，再施工切割平巷并穿透礦體，回采進路待切割平巷施工到位后，再根據地質人員對礦體二次圈定情況進行回采進路布置。

5.2 采準切割工程

采準切割工程包括：分段平巷、礦石溜井、回風井、充填井、泄水井、轉層聯絡道(3.5mx3.2m，1/4三心拱)及垂直礦體走向從礦體下盤掘進的切割平巷(3.5mx3.2m，矩形斷面)。

5.3 回采工藝

（1）支護工藝：由于回采區域巖石比較破碎，必須在分段平巷開口位置采用Φ18*3m 螺紋鋼施工鎖口錨桿，然后才開始掘進巷道，巷道施工要求短掘短支，控制好進尺，以防因進尺過大導致頂板脫落。轉層聯絡道為廢石段采用錨網噴支護，錨網采用Ф6.5鋼筋網片(@100*100)，并采用Ф22 單層螺紋鋼拱架、Ф40管縫式錨桿固定錨網，鋼拱架間距為80cm，全斷面噴砼。如果廢石段巷道圍巖不穩固地段要加強支護，則巷道斷面更改為3.5m×3.2m（矩形斷面）采用工字鋼支護，邊幫采用錨網噴砼進行支護，切割平巷為礦石段采用鋼支護。鋼支護時，采用I30-工字鋼門架式支護，要求搭接處必須焊接牢固，焊縫飽滿，工字鋼腿窩必須挖至實底處，工字鋼腿與梁搭接處需采用斜撐焊接，工字鋼橫梁之間采用Φ18 螺紋鋼連筋固定，梁與頂板有空隙處用木楔楔緊，邊邦采用預制水泥背板鑲實[6]。

圖1 工字鋼超前支護

（2）鑿巖爆破：鑿巖設備采用BM281 鑿巖臺車或YT-28 型氣腿式鑿巖機，爆破材料為2#巖石乳化炸藥和普通毫秒導爆管雷管爆破。同時嚴格控制進尺，按照“短掘短支”相關要求進行施工，確保作業人員不在裸巖下作業。為減少爆破影響，在礦巖破碎地段可采用布魯克機器人輔助掘進，確保施工進度和安全。

（3）出礦：回采時由采場上盤從兩翼向中央后退順序回采，在切割平巷口收層砌筑充填擋墻，回采進路斷面為矩形斷面，規格為3.5mx3.2m。

（4）采場通風：在礦井中新鮮風流通過通風系統由各中段副井石門及主斜坡道進入下盤脈外巷道，隨之進入回采進路，保障了井下采場通風，污風由上盤回風平巷經回風井排出地表，構成一套完整的循環系統[7]。

表1 主要技術經濟指標

6 充填材料配比優化選擇

為滿足礦山應用機械化盤區下向分層進路充填采礦法對充填體強度的要求，在室內進行了充填材料配比的強度試驗[8]，本次試驗設計充填料漿質量濃度為75%，灰砂比為1：4、1：6、1：8、1：10，試件采用70.7×70.7×70.7mm的規格。在澆筑24h后拆除模具，將所有的試件進行編號并放入標準養護箱進行養護，養護箱溫度控制在20.2℃范圍內，相對濕度控制在90%以上。該養護箱型號為HBY-40B 恒溫恒濕混凝土養護箱，具有操作簡單，能夠智能化的調節溫度和濕度，保證養護箱內的溫差更少，溫度更加均勻穩定等特點。最后將每塊試件按照不同養護期齡進行單軸抗壓強度試驗，測試結果見表2。在單軸壓縮破壞試驗過程中，當試件應力達到峰值強度后，表現出相對明顯的延性。而試件破壞后，表現為張拉破壞沿加載方向裂紋較發育。

圖2 充填體試樣制備裝置

表2 戈壁集料膠結充填料室內配比試驗結果

按照不同期齡對相同配比試件的單軸抗壓強度求取平均值，如表3所示。

表3 戈壁集料膠結充填料室內配比試驗結果

通過表3配比試驗結果表明，隨著充填料漿灰沙比的增大，同一時間內試件單軸抗壓強度減小，對于同一灰沙比，隨著養護時間的增長試件的單軸抗壓強度也隨之增大。故在進行充填時分上下兩部分，達到充填要求下部1.5m左右采用1：4料漿，而進路上部充填體在滿足規定下抗壓強度可適當降低，減少水泥耗量，降低充填成本，故上部采用灰沙比為1：8的充填料漿進行膠結充填，充填料漿濃度約為75%。

隨著采礦技術的不斷發展，膠結充填工藝漸漸的被越來越多的礦山采用，解決了礦山的許多技術問題，如“采富保貧”，“三下開采”，降低礦石貧化率和損失率，防止內因火災，減緩巖爆的發生等[9]。正因膠結充填技術的出現與不斷發展，使得該工藝已經成為當今深井開采的主要方法，代表著充填技術的發展方向。

（1）地網鋪設：在每條進路充填時，先對進路底板粉礦進行清理，使整個底板保持平整，再鋪設鋼筋地網，地網采用Ф6.5鋼筋網片(@100*100)，地網距底板約0.3m高，并用鋼筋焊接固定，使鋼筋網懸掛緊固平整。

圖3 鋼筋地網鋪設

（2）擋墻砌筑：在切割平巷進路開口位置處砌筑厚度為600mm 的紅磚擋墻，在擋墻中部預留500mm寬縫隙，以便人員進入懸掛充填管以及安裝脫水管。擋墻砌筑完畢后，對擋墻內外全部噴漿密實，防止充填滲漿。在充填時，根據充填高度，采用木板由下向上逐層隔塞，并在切割平巷下盤適當位置堵緩沖壩，防止充填水滲流。

（3）充填接頂：為了使下向分層進路充填盡量接頂，需將充填管緊貼頂板安裝，由里向外依次分段充填，同時攪拌好的充填料漿可通過充填管網自流輸送至井下采空區充填。

圖4 充填擋墻

7 效果評價

（1）新疆阿舍勒銅礦采用下向分層進路充填采礦方法，在767m 分段6 勘探線以北的高品位礦段應用，生產規?？蛇_180t/d，實現了高效生產。

（2）針對進路礦房頂板為易松散冒落礦石，可根據充填體頂板調整巷道寬度，與上一層巷道邊界錯開一半，第二條開始每條進路掘進控制巷道寬度，使每條進路與頂板巷道邊界錯開一半，到下一層掘進時再進行調整，使上下巷道形成“品”字型，大大減少了頂板壓力，同時也減少鋼支護。

（3）采用盤區機械化下向分層進路膠結充填采礦法回采阿舍勒銅礦767m分段礦體，礦石損失貧化率降低到15%以下，極大限度地回收礦石，提高了經濟效益。

8 結語

圖5 阿舍勒銅礦機械化盤區下向分層進路膠結充填采礦法

（1）機械化盤區下向分層進路膠結充填采礦法具有工藝簡單、生產成本高、生產能力較小、同時損失率與貧化率最低等特點。阿舍勒銅礦面對松散礦巖采用該采礦方法有效的解決針了中段存在的不穩固復雜難采礦體，同時為其他礦山提供技術借鑒。

（2）采用鋼筋吊掛膠結充填體作為空區頂板，嚴格控制掘進尺寸，依照“短掘短支”相關要求進行施工，確保作業人員、設備不在裸巖下作業，保障了作業安全，改善了作業環境，勞動效率也有效提高。

（3）通過充填材料配比試驗，在符合充填要求的原則下選擇經濟效益較高的材料配比進行戈壁集料膠結充填，充填結果表明充填體整體性好，能夠滿足下向進路充填采礦法，同時降低了生產成本，具有十分顯著的經濟效益。

（4）隨著采礦裝備的不斷發展與進步，以高效生產、安全第一為原則的機械化盤區下向分層進路膠結充填采礦法，其機械化程度將不斷提高與改進，最終達到通過高效的工程管理，實現工程優質的預期目標。