某高嶺土礦崩落法轉(zhuǎn)充填法采礦工藝優(yōu)化研究*

任建平，范富泉，王雷鳴

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330038）

1 引言

隨著我國礦產(chǎn)資源消耗逐年遞增，開采技術(shù)條件好的礦山基本上已投入生產(chǎn)，因此復(fù)雜礦床的開采逐漸得到重視，國內(nèi)針對此類礦山的開采，主要是通過優(yōu)化采礦工藝、提高機械化水平、簡化回采工序、減少作業(yè)暴露面積、提高回采率、降低貧化率等手段［1-2］，來保證礦山安全、高效、綠色生產(chǎn)。

目前，國內(nèi)研究學(xué)者根據(jù)礦山實例開展了相關(guān)技術(shù)研究［3-5］。張德存等［6］針對松散破碎鈾礦體提出分層崩落法代替分層充填法，有效解決了巖石破碎、不穩(wěn)固等復(fù)雜情況條件下的安全問題，同時將礦石損失率由5%降低至1.4%，為類似礦山的開采提供了新思路，但此方法對地表環(huán)境要求較高，具有一定的局限性；賈珍等［7］以某礦巖破碎的金礦為例，提出采用下向進(jìn)路充填法，發(fā)現(xiàn)作為頂板的充填體可有效改善破碎的地質(zhì)情況，提高頂板下作業(yè)的安全性，降低了巷道維護(hù)等成本，顯著提高了總體經(jīng)濟效益，但此方法對充填體的強度要求較高；徐飛等［8］針對某“三下”鐵鋅礦提出了上向進(jìn)路充填法代替原無底柱分段崩落法，不僅降低了礦石損失率和貧化率，還能較好地控制回采頂板的暴露面積，同時充填采空區(qū)可有效控制巖層移動和地表沉降。以上研究表明，國內(nèi)針對開采技術(shù)條件較為復(fù)雜的礦山通常采用崩落法和暴露面積較小的進(jìn)路式充填采礦法。

某高嶺土礦生產(chǎn)至今已有20 多年，采用分層崩落法造成的巖層擾動已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了礦區(qū)周圍地表建構(gòu)筑物的安全，同時隨著人工成本的不斷攀升和井下作業(yè)人員老齡化問題的不斷加劇，分層崩落法已無法實現(xiàn)礦山安全、高效、經(jīng)濟回采的要求。因此，礦山急需改變目前的回采工藝，尋找一種既能防止地表塌陷又能提高生產(chǎn)效率的采礦方法。為此，本文結(jié)合某高嶺土礦開采技術(shù)條件、開采現(xiàn)狀和存在的主要問題，對采礦工藝進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 礦山概況

2.1 開采技術(shù)條件

某高嶺土礦區(qū)屬于低山丘陵地帶，低山、丘陵標(biāo)高在50～100 m，平地標(biāo)高在4～5 m。該礦區(qū)內(nèi)有I～VI 號6 個高嶺土礦體，其中I 號礦體最大，占資源總量的98.58%，為礦山主要開采對象。I 號礦體走向近東西，平均傾角約50°，平均厚度為30～40 m，屬于急傾斜厚大礦體。高嶺土礦石松軟且內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，堅固性系數(shù)f 僅為0.1 左右，黏結(jié)性較強，具有遇水泥化、膨脹和崩解等特點。礦石頂板為次生石英巖和絹云母巖，不穩(wěn)固；底板為大理巖和灰?guī)r，巖石較為堅硬，但巖體完整性較差，中等穩(wěn)固。開采時，采場內(nèi)地應(yīng)力較為集中，回采巷道易產(chǎn)生底鼓、變形等現(xiàn)象。

地表無較大水體，且與礦體間存在較厚的隔水層，大氣降水對礦坑充水影響較小。礦床主要的充水來源為底板的長興組-青龍群灰?guī)r含水層，該含水層呈封閉-半封閉狀，地下水以凈儲量為主。

2.2 礦山回采現(xiàn)狀分析

目前，礦山采用分層崩落法，盤區(qū)（50 m×40 m）沿礦體走向布置，中段高度為40 m，分層高度為3～3.5 m。采切工程主要有采區(qū)天井和分層主巷道，礦體自上而下逐層回采。在覆蓋層下，垂直分層主巷道向礦體內(nèi)開鑿尺寸為2 m×2 m 的回采進(jìn)路，進(jìn)路的上方和靠近崩落區(qū)的一側(cè)分別預(yù)留約1.5 m的護(hù)頂層和側(cè)柱，進(jìn)路內(nèi)采用木棚支護(hù)，支護(hù)間距為0.7 m。手持G10 型風(fēng)鎬落礦，人工將礦石鏟裝到板車后，再裝入采區(qū)天井內(nèi)的箕斗中，最后轉(zhuǎn)運至中段礦車中。待進(jìn)路掘進(jìn)至盤區(qū)邊界后，后退式撤出護(hù)頂層和側(cè)柱的木棚，緊跟回收自然崩落礦石。盤區(qū)生產(chǎn)能力約75 t/d，回采率約78%。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，下向分層崩落法的采礦直接成本約52 元/t，其中人工成本約40 元/t。分層崩落法在生產(chǎn)實踐中主要存在以下問題：

（1）采用崩落法產(chǎn)生的巖層擾動已嚴(yán)重威脅礦區(qū)地表建構(gòu)筑物的安全；

（2）由于井下采用手持風(fēng)鎬落礦、人工裝礦和人推板車運礦的方式，單班井下同時作業(yè)人員多、勞動強度大、效率低；

（3）在崩落散體覆蓋層以下作業(yè)時，存在較大的安全隱患。

3 采礦方法的選擇

3.1 采礦方法初選

結(jié)合大量礦山實踐［9-10］表明，充填采礦法能有效控制巖層移動，減少圍巖的變形和破壞，同時可充分利用礦山固體廢棄物，進(jìn)一步解決尾砂堆積等問題，為礦山帶來環(huán)境和經(jīng)濟效益。根據(jù)高嶺土礦體的賦存條件和開采技術(shù)條件，并結(jié)合類似礦山采礦工藝研究，推薦上向進(jìn)路充填法和下向進(jìn)路充填法，均能很好地控制地壓、防止地表沉降，符合礦山安全生產(chǎn)的需求，具體如下：

（1）上向進(jìn)路充填法。礦塊沿礦體走向布置，由于礦體下盤為含水層，因此采切工程布置在礦體上盤。在礦塊內(nèi)劃分若干進(jìn)路，以進(jìn)路為回采單元，尺寸為3.3 m×3.3 m，自礦塊的底部向上逐層回采、充填，同一分層內(nèi)進(jìn)路采取隔一采一的回采順序。采用巷修機剝落礦石，卡車運輸，根據(jù)機械的生產(chǎn)能力和卡車的運輸速度計算，5 min 內(nèi)可完成2 t 礦石的運輸，待達(dá)到一定暴露面積之后需停止工作立即進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)時間約為30 min，回采作業(yè)循環(huán)長度為0.5 m，耗時57 min，考慮到換班、休息和設(shè)備挪動等因素，一天有效工作時間約為16 h，因此單條進(jìn)路的回采能力為183 t/d。回采完畢之后，采用尾砂膠結(jié)充填，充填體強度不低于2 MPa，礦石回采率為88%。

（2）下向進(jìn)路充填法。礦塊布置、采切、進(jìn)路尺寸、回采方式等與上向進(jìn)路充填法基本相同。下向進(jìn)路充填法從上至下逐層回采，進(jìn)路內(nèi)回采作業(yè)循環(huán)長度為1 m，單條進(jìn)路生產(chǎn)能力為237 t/d。進(jìn)路回采完畢之后，采用尾砂膠結(jié)充填，充填體強度不低于4 MPa。為保證充填體頂板的穩(wěn)定性，可在充填前鋪設(shè)底筋和豎筋，提高充填體的完整性和穩(wěn)定性，礦石回采率為92%。

3.2 采礦方法優(yōu)選

3.2.1 技術(shù)性比較

由于回采技術(shù)條件的差異，兩種采礦方法在安全性、生產(chǎn)效率和損失率等方面存在差異。由表1可知，兩種采礦方法均采用進(jìn)路式回采，但上向進(jìn)路充填法頂板為高嶺土，進(jìn)路作業(yè)條件較差，支護(hù)量大、作業(yè)時間長，導(dǎo)致生產(chǎn)效率偏低；回采結(jié)束后，礦體與充填體中的水接觸產(chǎn)生泥化、崩解，頂板和兩幫少量礦石落入充填體中，導(dǎo)致回采率降低。下向進(jìn)路充填法頂板為充填體，優(yōu)缺點與之相反，其在技術(shù)上更具優(yōu)勢。

表1 上向和下向進(jìn)路充填法技術(shù)性比較表

3.2.2 經(jīng)濟比較

由于兩種采礦方法在回采、支護(hù)、充填等方面均存在差異，礦石的回采成本也有所不同。由表2 可知，下向進(jìn)路充填法充填膠凝料、鋼筋消費和礦石運輸油耗較大，但支護(hù)木材可隨著礦石回采基本能回收。然而，上向進(jìn)路充填法兩側(cè)支護(hù)木材基本留在充填體內(nèi)，無法回收，造成兩種采礦方法的支護(hù)成本相差懸殊，從而導(dǎo)致上向水平分層充填法的直接生產(chǎn)成本偏高。同時，上向進(jìn)路充填法單條進(jìn)路生產(chǎn)能力較小，且作業(yè)的進(jìn)路條數(shù)較多，增加了噸礦作業(yè)人員、設(shè)備投資和管理成本。總體來看，下向進(jìn)路充填法比采礦直接生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟上更具優(yōu)勢。

表2 單條進(jìn)路上向和下向進(jìn)路充填法成本對比 元/t

綜合比較兩種方案的技術(shù)與經(jīng)濟指標(biāo)，推薦下向進(jìn)路充填法。

4 下向進(jìn)路充填法工藝研究

下向進(jìn)路充填采礦法如圖1 所示。盤區(qū)沿礦體走向布置，長100 m，寬約40 m，為礦體厚度，高為40 m，分段高度為10 m，分層高度為3.3 m，回采進(jìn)路斷面為3.3 m×3.3 m，連續(xù)回采，不留設(shè)頂、底柱和間柱。盤區(qū)的采切工程布置在礦體上盤，主要有分段運輸巷道、分層聯(lián)絡(luò)道、斜坡道、礦石溜井、通風(fēng)充填井等。為滿足設(shè)備爬坡性能的要求，將分層聯(lián)絡(luò)道的坡度控制在20%以內(nèi)。

圖1 下向進(jìn)路充填法

4.1 礦石回采

為了使充填體能起到良好的支撐作用，除了充填時盡量接頂外，另須采取上下兩層進(jìn)路交錯布置的方式防止因上下分層的充填體平行布置，形成懸臂梁現(xiàn)象，造成充填體整體塌陷；同時交錯布置有利于提高充填體整體的穩(wěn)定性，常用布置方案如圖2 所示。其中，當(dāng)上、下相鄰分層進(jìn)路垂直布置時，回采過程中單條充填體的暴露面積小，穩(wěn)定性好，因此選用方案3。

圖2 上、下相鄰兩層進(jìn)路布置圖

巷修機和礦用卡車通過斜坡道和分層聯(lián)絡(luò)道到達(dá)各分層，采用巷修機前端的釬桿剝落礦石，由巷修機的輸送帶輸送至后方等待的卡車中，再通過卡車運輸至礦石溜井。由于高嶺土礦體具有黏結(jié)的特性，為防止堵塞溜井，采用接觸面較為光滑的鐵板放礦機。

4.2 采場支護(hù)

回采進(jìn)路直接頂板為強度較好的充填體。一步驟回采時，進(jìn)路的兩側(cè)是較為破碎的高嶺土礦體，因此需隨著進(jìn)路的回采在兩側(cè)架設(shè)木支護(hù)，間距為1～1.5 m；二步驟回采時，由于兩側(cè)和頂板均為穩(wěn)定性較好的充填體，故可減少支護(hù)或不支護(hù)，還可回收一步驟回采架設(shè)的木材以循環(huán)使用。

4.3 采場通風(fēng)

由于開采技術(shù)條件的限制，無法在礦體下盤設(shè)置回風(fēng)井形成貫通風(fēng)流，通風(fēng)較困難，因此需要設(shè)置局扇以滿足回采進(jìn)路的通風(fēng)要求，推薦采用11 kW 的局扇抽出式通風(fēng)。

4.4 充填工藝

進(jìn)路回采完畢之后，清理進(jìn)路并平整底板和進(jìn)路兩側(cè)，在進(jìn)路中鋪設(shè)網(wǎng)度200 mm×200 mm 的底筋和網(wǎng)度為1600 mm×1600 mm 的豎筋，豎筋高度為2 m。封堵進(jìn)路出口，架設(shè)充填管道，將配好的充填體輸送至采空區(qū)內(nèi)。礦山以觀山礦的粗尾砂、細(xì)尾砂和工業(yè)廢渣為骨料，普通硅酸鹽水泥為膠凝劑，通過一定比例混合制備出符合強度要求的充填體，灰砂比為1:4～1:8，質(zhì)量濃度為72%～74%。

空區(qū)充填分兩次進(jìn)行，第一次充填采用高灰砂比充填料漿，高度為進(jìn)路的一半，可形成強度較高的承載層（28 d 強度不低于4 MPa），剩余空區(qū)采用低灰砂比充填料漿（28 d 強度不低于2 MPa），第一次和第二次的充填間隔時間應(yīng)在24 h 以上，以保證第一次充填體充分沉降。充填工藝示意圖如圖3所示。

圖3 充填工藝示意圖

5 結(jié)論

（1）為了達(dá)到防止地表沉降、精簡井下作業(yè)人員、提高回采效率的目的，目前采用的分層崩落采礦法已不適用于該高嶺土礦的開采。

（2）針對目前礦山所面臨的勞動強度大、工作效率低以及地表塌陷等問題，首選回采暴露面積小的充填采礦法，初步選擇上向進(jìn)路充填法和下向進(jìn)路充填法。經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟分析，推薦采用安全、經(jīng)濟、高效的下向進(jìn)路充填法。

（3）下向進(jìn)路充填法采用巷修機落礦、卡車運輸?shù)姆绞剑c現(xiàn)有采礦方法相比，提高了礦塊的生產(chǎn)能力，減少了井下作業(yè)人員，同時將礦石回采率提升至92%，符合礦山安全生產(chǎn)要求。