雙塹溝底部結構上向水平分層充填法 在厚大礦體中的應用

張建明，王筱添

(1.甘肅鏡鐵山礦業有限公司， 甘肅 嘉峪關市 735100； 2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

在金屬礦山地下開采作業中，采礦方法的優劣是關乎到礦山整體經濟效益的關鍵因素。現階段，鏡鐵山樺樹溝礦區亟需回采深部銅礦體，由于銅礦石價值較高，為提高銅礦石的回采率以及提升企業經濟效益，對目前采用的分段鑿巖階段空場嗣后充填法進行采場結構參數和布置方式優化研究。

分段鑿巖階段空場嗣后充填法是地下金屬礦山常用的采礦方法，適用于回采中厚及厚大礦體，具有回采強度大、勞動生產率高、采礦成本低、作業安全等優點[1-5]。該方法在回采厚大礦體時，常規的布置方式是每隔100 m左右劃分為一個礦塊，礦塊內每隔20 m左右劃分成若干個相同寬度的一步驟采場和二步驟采場，再采用“隔一采一”順序采礦。針對該采礦方法已有多位學者做了相關的研究，余昕等對分段鑿巖階段空場嗣后充填法的采場結構參數及爆破參數進行了相關研究[6]；劉武團等對分段鑿巖階段空場法工藝要素開展了優化研究[7]；佟曉勇結合分段鑿巖階段空場法采礦工藝開展了深入的研究與分析[8]；陳慶坤對蒙庫鐵礦采用分段鑿巖階段礦房法開展了采礦方法工業試驗，明顯改善了主要技術經濟指標[9]；齊學富等針對急傾斜復雜薄礦體開展采礦方法研究，采用分段鑿巖階段空場嗣后充填法的采場取得了良好的開采效果[10]。

基于以上研究成果，對鏡鐵山樺樹溝銅礦區的采礦方法進行優化設計，選取合理的采場結構參數及布置方式，并開展現場工業試驗，優化采礦作業技術經濟指標。

1 礦山概況

樺樹溝銅礦位于甘肅省嘉峪關市，隸屬于酒鋼集團鏡鐵山礦區。該礦山采用地下開采方式，設計 規模30萬t/a。

1.1 地質概況

樺樹溝銅礦區主礦體東西長2.5 km，南北寬0.8～1 km，2760～2640 m范圍內礦床礦石量232.4×104t，主要礦體特征見表1。

表1 主要銅礦體特征

礦區除碳質千枚巖段質量屬中等外，其余巖段質量均屬中等以上。礦區水文地質條件簡單-中等，工程地質條件為簡單-中等、環境地質條件中等。

2 采礦方法優化設計

礦山現主要采用單塹溝分段鑿巖階段空場嗣后充填法開采銅礦體，為改善目前礦石損失率高，生產能力小的現狀，優化設計為雙塹溝上向水平分層充填法（見圖1）。

圖1 雙塹溝底部結構的上向水平分層充填法(單位：m)

2.1 礦塊布置與結構參數

中段高60 m，分段高度12.5 m，分為4個分段，留10 m頂柱。沿礦體走向劃分采場，長度30～40 m，寬度為礦體真厚度，頂柱厚10 m，不留底柱。采用雙塹溝底部結構，鏟運機出礦。

2.2 采準切割

采準工程主要有階段出礦巷道聯絡道、階段出礦巷道、出礦進路、分段沿脈平巷、分段鑿巖巷道、分段鑿巖巷道聯絡道、通風聯巷等；切割工程主要有拉底巷道、切割回風天井、切割橫巷等。

從中段運輸巷道在礦柱位置向礦體掘進階段出礦巷道聯絡道，在上、下盤沿礦體走向掘進階段出礦巷道。從階段出礦巷道每隔10～12 m以45°向礦房內掘進出礦進路。回采厚大礦體時，為了提高出礦效率、降低損失，在礦房底部布置2條拉底巷道，在拉底巷道內鉆鑿上向扇形中深孔，爆破后形成雙集礦塹溝底部結構。切割回風天井和切割橫巷布置在采場的一端，在切割橫巷內鉆鑿上向平行中深孔，以切割天井為自由面爆破形成切割槽。在各分段，根據實際分段標高從斜坡道在礦體下盤布置分段沿脈巷道，從分段沿脈巷道向礦體方向掘進分段鑿巖巷聯絡道及分段鑿巖巷道。

2.3 一步驟采場回采

回采從切割槽開始，向采場另一端回采；分段間自上而下分段回采，上分段超前下分段2～3排炮孔形成正階梯狀回采工作面。

（1）鑿巖。采用DL2710型鑿巖臺車在分段鑿巖巷道內鉆鑿上向扇形中深孔，孔徑Φ76 mm，排距1.5～1.8 m，孔底距1.8～3.0 m。每個采場配1臺YSP-45型鑿巖機輔助鉆鑿個別邊孔。

（2）爆破。炮孔鑿完后，以切割槽為初始自由面側向爆破，單分段分次爆破或多分段同時爆破，每次爆破3～5排炮孔。采用BQF-100裝藥器裝填粉狀銨油炸藥，導爆管雷管微差起爆。

（3）采場通風。出礦時，采場新鮮風流從中段運輸巷道，經各裝礦進路，到達出礦工作面；鑿巖時，采場新鮮風流從斜坡道，經各分段鑿巖巷道到達鑿巖工作面。清洗工作面后的污風，經切割回風天井匯入上中段平巷，經回風井抽出地表。為改善采場工作面通風效果，鑿巖時和爆破后采場內采用局扇加強通風。

（4）出礦。采用CYE-2型電動鏟運機出礦。崩落礦石集中在底部集礦塹溝。根據礦山實際情況，采用鏟運機從出礦進路鏟運至階段出礦巷道，直接裝入自卸式汽車經斜坡道運出地表。

2.4 采空區處理

采場回采、出礦結束后對采空區進行嗣后充填。充填前先將通往采場的巷道進行密閉，在采場底部進路中構筑充填泄水擋墻，充填濾水管從上部到下部鋪設。利用上中段出礦進路作為充填巷道，在采場外部出礦進路內施工傾斜向下的鉆孔作為充填鉆孔，充填料漿經管道輸送至充填鉆孔向采空區內充填。

采場充填選用柔性增強塑料軟管，該管抗拉強度達1.8 MPa，可滿足井下充填料漿輸送壓力的需要。充填管道從上中段主充填管接入，架設在充填巷道內，用鐵絲每隔3～5 m懸吊在巷道的管縫式錨桿的托盤上，架設至充填天井。在充填管道接入待充采場前，要求聯接一個由1～2個閘板閥組成的三通，其目的是將充填時的洗管水與引路水排出，防止進入充填空區。

準備工作完成后對采空區進行充填。充填采用自下而上分層充填方式，即采用灰砂比為1:3～1:4的高強度砂漿充填采場底部結構，采場中部可采用灰砂比為1:6～1:12的砂漿進行充填，接頂時采用灰砂比1:3～1:4的高強度砂漿。

2.5 二步驟采場回采

二步驟采場的階段出礦巷道、出礦進路、分段沿脈平巷、分段鑿巖巷道、分段鑿巖巷道聯絡道布置基本與一步驟采場相同。不同之處是階段出礦聯絡巷道布置在一步驟采場底部，需部分穿過充填體，因此需根據揭露的充填體強度采取適當的支護措施，如錨噴網。

二步驟采場回采鑿巖、爆破、通風、出礦、采空區處理與一步驟采場回采工藝相同，但二步驟采場回采時，采場兩側為充填體，為了減小爆破振動對充填的破壞，需采用微差爆破，并減少一次回采爆破的炮孔排數。

2.6 頂柱、底部三角礦柱回采

2.6.1 頂柱回采工藝

頂柱回采時，從斜坡道向頂柱礦體掘進聯絡道，從聯絡道沿走向掘進下盤脈外分段沿脈巷道，從沿脈巷道向頂柱底部掘進分層聯絡道，從分層聯絡道掘穿脈至礦體邊界，從穿脈巷道在礦體內掘進拉底巷道，并擴幫至礦體邊界形成拉底空間。

當頂柱礦體水平厚度較大時，為了減小頂板的暴露面積，可將頂柱沿走向劃分成寬度為15～20 m的采場分別進行回采。

采用上向水平分層充填法回采，分層高度為3 m，采用YSP-45型鑿巖機打上向孔，人工裝藥爆破。崩落的礦石采用CYE-2型電動鏟運機經分層聯絡道運至分段沿脈巷道，直接裝入自卸式汽車經斜坡道運出地表。分層回采完后，在分層聯絡道口架設充填擋墻，充填管道從上中段出礦進路架設至充填回風天井，充填料漿從管道輸送至工作面對采空區進行充填。分層充填時，留下高2 m的空間，作為下分層回采的工作空間。最后一分層充填時，需接頂充填，采用分次加壓充填的方式，提高接頂率。

2.6.2 底部三角礦柱回采工藝

沿原底部結構的出礦進路向礦體掘進出礦聯絡道至礦體的邊界，在底部三角礦柱中間沿走向掘進拉底巷道，并擴幫至礦體邊界形成拉底空間。在底部三角礦柱內掘進一條充填小井至上分段水平，從上分段鑿巖巷聯絡道掘進充填聯巷與充填小井連通。

底部三角礦柱鑿巖爆破方式同頂柱回采，分層回采完后，在分層聯絡道口架設充填擋墻，充填管道從上分段鑿巖巷道和充填聯巷架設至充填小井，充填料漿從管道輸送至工作面對采空區進行充填。分層充填最后一分層充填同頂柱回采充填。

3 采礦方法優化前后對比分析

根據優化設計后的分段鑿巖階段空場嗣后充填法在樺樹溝銅礦區現場應用情況的梳理總結，與優化前的采礦方法進行對比，見表2。

表2 主要經濟技術指標

由表2可以看出，分段鑿巖階段空場嗣后充填法優化后，在采切比僅增加7.2 m/kt的情況下，礦塊生產能力提高了25%；礦石損失率降低了2.59%；出礦成本下降了33%。可對企業“降本增效”起到關鍵性作用。

上述技術經濟指標提升的主要原因在于：

（1）每個采場底部結構均由單塹溝變為雙塹溝，可使鏟裝作業更加集中，效率顯著提高，從而減少鏟運機數量，與之相關的輪胎、電纜、備件、電力等消耗均有較大幅度降低；

（2）礦塊底部結構的優化，使塹溝內基本不會殘留崩落的礦石，留設的礦柱量也有所降低，從而降低了礦石損失率。

4 結論

（1）將單塹溝底部結構改為雙塹溝底部結構，在少量增加采切工程量的情況下，避免了將出礦結構布置在充填體內的情況，降低了施工、維護的難度，且不必再將礦石下放到下中段出礦，減少了反向運輸，降低了成本。

（2）采用“隔一采一”順序分兩步驟開采，每個采場均可布置雙塹溝底部結構，并交錯布置出礦進路，礦塊生產能力由400 t/d提高到500 t/d，從而減少了同時工作的礦塊數量，也減少了采準、備采工作量。

（3）小跨度的一步驟采場盡量采用中等強度的膠結料充填，較大跨度的二步驟采場盡量采用低強度的膠結料充填，充填成本也將進一步降低。同時塹溝內基本不會殘留崩落的礦石，留設的礦柱量也有所降低，從而降低了礦石損失率。

（4）改進后的階段空場嗣后充填法，具有顯著的“降本增效”的效果，同時提高了采場的安全性，在類似的厚大礦體開采中，具備一定的推廣意義。