吳 鵬 王貽明 吳愛(ài)祥 徐 恒

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

下向水平進(jìn)路分級(jí)尾砂膠結(jié)充填工藝及應(yīng)用*

吳 鵬1,2王貽明1,2吳愛(ài)祥1,2徐 恒1,2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院；2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

某銅礦含硫高、巖石松軟易破碎，為保證開(kāi)采安全、控制地表塌陷、提高礦石回收率，降低因礦體穩(wěn)固性差、遇水易坍塌所帶來(lái)的安全隱患，將采礦方法由進(jìn)路式水砂充填法逐步變更為進(jìn)路式分級(jí)尾砂膠結(jié)充填采礦法，采用分級(jí)尾砂和普通硅酸鹽水泥充填，減少水砂及坑木消耗。礦山生產(chǎn)表明:新方案使礦山采礦效率提升110%，每年減少充填費(fèi)用500多萬(wàn)元，有效克服了巷道垮落、地表塌陷、礦石回收率低和礦床自燃等問(wèn)題。

硫化礦 圍巖破碎 下向進(jìn)路開(kāi)采 膠結(jié)充填

某銅礦是一座大型地下銅礦山，礦石蘊(yùn)藏量豐富，且伴生有豐富的金銀等。礦石主要為含銅黃鐵礦，夾層含有高嶺土和煌斑巖，松軟易破碎。上盤(pán)近礦圍巖為強(qiáng)風(fēng)化褐鐵礦和高嶺土，十分松軟、破碎。礦石中含硫約30%，易自燃。含礫石英巖界線非常明顯，裂隙較發(fā)育，穩(wěn)固性差，遇水易坍塌[1]，礦石回采困難。

該礦采用進(jìn)路式水砂充填法開(kāi)采，但外購(gòu)江砂成本高，且水砂充填體無(wú)膠結(jié)作用、不能自立，回采相鄰進(jìn)路時(shí)水砂充填體垮落、鋼筋混凝土假底制作工藝復(fù)雜、充填接頂率低、養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)等，大大降低了生產(chǎn)能力，導(dǎo)致回采受阻或礦石回收率低等。為此，采用進(jìn)路式分級(jí)尾砂膠結(jié)充填采礦法，用水泥與分級(jí)尾砂作充填料，保證了充填體質(zhì)量和強(qiáng)度，解決了地壓危害、地表破壞和硫化礦床自燃的難題，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了生產(chǎn)效率,為類似礦山開(kāi)采提供參考依據(jù)[2]。

1 采礦技術(shù)條件

該礦帶屬層控礦床，層間假整合面和斷裂構(gòu)造控制著礦體的空間分布，分布呈帶狀，沿北東向長(zhǎng)2 700 m，南北寬約200 m，工業(yè)礦體走向長(zhǎng)1 600 m，傾斜延深至-720 m以下，近地表礦頭已氧化成褐鐵礦。礦帶共有4個(gè)銅礦體，7個(gè)硫化礦體。

銅礦以黃銅礦的形式存在，銅平均品位為1.28%；硫主要存在形式為硫化物，如黃鐵礦，平均品位為12.66%。在各類礦石類型中金、銀都有明顯的富集，金平均品位0.1～1.40 g/t，銀平均品位7.96～70.16 g/t。

2 下向水平進(jìn)路分級(jí)尾砂膠結(jié)充填采礦法

2.1 礦塊及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

盤(pán)區(qū)按礦體走向劃分[3]，寬度為礦體厚度，高為中段高度，長(zhǎng)100 m，高40 m，分段高度10 m，分層高度3 m，采準(zhǔn)工程布置在下盤(pán)圍巖內(nèi)。切割工程沿礦體下盤(pán)界線，切采進(jìn)路時(shí)沿脈進(jìn)行掘進(jìn)，規(guī)格為2.8 m×3.0 m。由采切進(jìn)路兩頭向中間回采，從下盤(pán)向上盤(pán)推進(jìn)，從兩頭往中間分條進(jìn)路后退式回采。鑿巖機(jī)打眼，淺孔爆破，局扇通風(fēng)，松木支護(hù)，支柱間距0.8～1.0 m，鏟運(yùn)機(jī)裝礦卸入溜井?；夭珊笄謇砥秸装澹佋O(shè)豎筋。按一定比例配比好的充填料從地表立式砂倉(cāng)[4]充填站通過(guò)管道運(yùn)送到采場(chǎng)工作面充填，濾水后即可進(jìn)行相鄰進(jìn)路回采。

2.2 采準(zhǔn)切割

2.2.1 采準(zhǔn)工程

從-80 m中段開(kāi)始采用下盤(pán)斜坡道采準(zhǔn)方案。盤(pán)區(qū)沿礦體走向布置，以100 m作為盤(pán)區(qū)長(zhǎng)度，40 m作為階段高度，10 m作為分段高度，采用鏟運(yùn)機(jī)出礦。

在礦體下盤(pán)掘進(jìn)斜坡道，從地表直接掘到-120 m 水平，坡度10%～15%。從斜坡道垂直方向上每隔10 m掘進(jìn)分段聯(lián)絡(luò)巷，距礦體20 m處下盤(pán)沿走向由聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)分段平巷。在每個(gè)盤(pán)區(qū)中部，由分段平巷按3.3 m垂高分別向礦體掘進(jìn)上坡、平坡和下坡3條分層聯(lián)絡(luò)巷，上、下坡道的坡度均為15%，聯(lián)絡(luò)巷規(guī)格為2.8 m×3.0 m (寬×高) 。

2.2.2 切割工程

切割工程主要考慮礦體的穩(wěn)固程度和進(jìn)路布置形式。若礦體穩(wěn)固性高時(shí)，采用沿礦體下盤(pán)界線切割平巷、沿礦體走向回采進(jìn)路的方式；若礦體不夠穩(wěn)固時(shí)，選用垂直于礦體布置回采進(jìn)路,并在礦體上盤(pán)邊界布置切割平巷方式，從盤(pán)區(qū)中間向端部或者從上盤(pán)向下盤(pán)推進(jìn)。分層回采為從兩端向中央或者下盤(pán)向上盤(pán)分條進(jìn)路回采，中段回采從下向上分層回采。

2.2.3 雙中段同時(shí)開(kāi)采

上部和下部采場(chǎng)均采用下向分層進(jìn)路式分級(jí)尾砂膠結(jié)充填采礦法，采準(zhǔn)工程和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)相同，上部采場(chǎng)采用本中段的溜礦、泄水井，下部采場(chǎng)采用下一中段的溜礦、泄水井，從而使上下兩個(gè)采場(chǎng)形成了各自獨(dú)立的供風(fēng)、供水、供電、排水及出礦系統(tǒng)。

出礦采用脈外溜井，盤(pán)區(qū)中央靠近分段平巷的位置布置溜井,其斷面為2.0 m×2.5 m，傾角70°，溜礦井下部出礦，上部布置有充填管道,兼作充填井；盤(pán)區(qū)中部距礦體下盤(pán)2 m處布置一泄水井，規(guī)格為2.0 m×2.0 m，傾角70°，該井還可用于采場(chǎng)通風(fēng)。

采礦布置見(jiàn)圖1所示。

圖1 下向水平分層進(jìn)路式分級(jí)尾砂膠結(jié)充填采礦法示意

2.3 回采工藝

原設(shè)計(jì)采場(chǎng)回采順序?yàn)閺纳舷蛳路謱踊夭?，各層進(jìn)路按間隔回采。若礦體厚度大于20 m時(shí)，垂直于礦體走向布置回采進(jìn)路，否則沿走向布置回采進(jìn)路，回采巷道斷面3.0 m×3.3 m(寬×高)，回采順序?yàn)椋焊粢徊梢换蚋舳梢?，一期進(jìn)路回采后立即充填，然后回采二期進(jìn)路。由于進(jìn)路礦石回采后充填很難完全接頂，在二期回采的進(jìn)路部分造成應(yīng)力集中，使礦石更加破碎，增加了回采難度。

為了確?；夭砂踩?，改進(jìn)路間隔回采為順序回采，從采場(chǎng)兩側(cè)向中間后退式回采或者由上盤(pán)向下盤(pán)順序回采[5]。同時(shí)為確保假頂能更好地承受壓力，保證回采作業(yè)安全，布置上、下分層回采進(jìn)路垂直相交或者斜交，使得回采下分層進(jìn)路時(shí)假頂?shù)谋┞睹娣e最少。分層回采結(jié)束后，下分層的切、回采必須在上分層膠結(jié)充填體強(qiáng)度達(dá)4 MPa后進(jìn)行。

2.3.1 鑿巖爆破

選用YT-27型鑿巖機(jī)鑿巖，孔徑控制在40 mm 左右，深度一般為2.2 m，炮孔利用率為86%，進(jìn)尺控制在2 m左右；采用乳化炸藥，起爆材料為激發(fā)火雷管和半秒差管。采用中心掏槽形式，即在掌子面中部布置4～5個(gè)掏槽孔。為防止崩壞頂板假頂，頂眼距頂板為0.8～1.0 m。

2.3.2 通風(fēng)與撬毛

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在充填前預(yù)埋通風(fēng)導(dǎo)硐，上分層采用抽風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，采場(chǎng)溫度和通風(fēng)條件取得了良好的效果。見(jiàn)圖2。

圖2 通風(fēng)系統(tǒng)示意

2.3.3 采場(chǎng)護(hù)頂與地壓監(jiān)測(cè)

為掌握回采過(guò)程中采場(chǎng)頂板壓力顯現(xiàn)規(guī)律[6]，進(jìn)而確定采場(chǎng)的合理支護(hù)方法和假頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)與強(qiáng)度，采用ADJ-45型支柱測(cè)力計(jì)對(duì)頂板壓力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，DDY-Ⅲ型金屬測(cè)桿觀測(cè)頂?shù)装逑鄬?duì)下沉量，見(jiàn)表1。從表1可以看出：采礦方法改進(jìn)后，采場(chǎng)頂板壓力和頂板沉降量都大大減小。

表1 頂板下沉量及支柱負(fù)荷對(duì)比

2.3.4 其 他

(1)采場(chǎng)出礦。采用WJD-76電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)，斗容0.76 m3，生產(chǎn)能力為25 t/h。試驗(yàn)采場(chǎng)中從下盤(pán)脈外溜井至采場(chǎng)端部工作面的距離80～20 m，平均運(yùn)距50 m左右。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定：若運(yùn)距為70 m時(shí)，每循環(huán)進(jìn)尺為1.2 m，崩落礦石量為32 t，完成鏟運(yùn)礦石的工作需要1.28 h。膠結(jié)充填采場(chǎng)礦巖穩(wěn)固性普遍較差，尤其掘進(jìn)切采巷道時(shí)，節(jié)理裂隙發(fā)育、片幫脫層嚴(yán)重。采用錨桿支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)[6]，錨桿支護(hù)網(wǎng)度(1.0 m×1.0 m)～(1.5 m×1.5 m)，視巖層情況可進(jìn)行局部加密。

(2)假底構(gòu)筑。采空區(qū)清理后，保留部分小塊礦石鋪設(shè)墊層(墊層厚度為50 mm左右，墊層礦石在下一分層回收)，減弱下一分層采礦作業(yè)時(shí)爆破對(duì)膠結(jié)充填和鋼筋網(wǎng)的破壞。

豎筋用φ16 mm螺紋鋼，兩端加焊100 mm×100 mm×6 mm的鋼板作為托板。豎筋布置網(wǎng)度為1.6 m×1.6 m，上端用鐵絲固定，下端與鋼筋網(wǎng)固定，保持豎直。鋼筋網(wǎng)材料為φ10 mm螺紋鋼，網(wǎng)度為400 mm×400 mm，鋼筋網(wǎng)必須綁扎牢靠。

(3)充填管吊掛。充填管沿進(jìn)路頂板進(jìn)入采空區(qū)，盡量減少拐彎；采空區(qū)內(nèi)充填管不能有接頭，采空區(qū)外嚴(yán)禁在拐彎處使用卡壺連接；采場(chǎng)內(nèi)充填管要求固定在支柱上，每2～3 m要用鐵絲固定扎好，充填管出料口離固定支柱不得超過(guò)300 mm；充填管要求對(duì)準(zhǔn)支柱或相鄰充填體，距離為300～500 cm，以打散管頭出料，盡量減少充填料的沖擊力對(duì)充填液漿產(chǎn)生的擾動(dòng)，管頭距采空區(qū)端部不得大于5 m；密閉墻以內(nèi)充填管每隔2.5 m開(kāi)一個(gè)卸料口，面積2～4 m2，以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)投料，減少因坡積現(xiàn)象產(chǎn)生的物料離析，影響充填體強(qiáng)度；充填管必須安裝排污閥，安裝位置為密閉墻與擋污壩之間，原則上距密閉墻不得超過(guò)10 m，排污閥前后充填管必須固定在支柱或錨桿上。

(4)充填擋墻。砌密閉墻用空心磚，要求砌斜撐以防倒墻，墻上部留觀察孔，該孔在第二期充填濾水后用磚封牢；密閉墻底部基礎(chǔ)必須挖至實(shí)底，且鋪水泥砂漿；用短充填管在充填巷道1/2高度向上每隔20 cm設(shè)一排水管，至少預(yù)埋4根以上；砌筑密閉墻的砂漿必須人工攪拌，噴漿時(shí)，墻面、排水管周圍、充填管周圍及密閉墻兩側(cè)與底邊噴漿要厚實(shí)、均勻，避免漏漿，噴漿厚度為20～50 mm；若密閉墻附近圍巖不穩(wěn)固，則必須在砌墻前對(duì)墻內(nèi)邊幫進(jìn)行噴漿；在墻與墻連接相交處，必須砌墻墩，防止新老連接不牢靠。

(5)充填。分3次充填，第一次按灰砂比1∶4(質(zhì)量比)，充到采空區(qū)高度1/2養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間，由預(yù)留孔排干水；第二次按1∶8灰砂比充填，充到觀察口，再次養(yǎng)護(hù)排水，排干水后將觀察口封閉，在頂部留出50 mm左右的滲透口；第三次用尾砂補(bǔ)充，直至充滿接頂。充填各階段養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得低于4 h。

3 工程實(shí)例效果與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

經(jīng)礦山實(shí)踐,下向分級(jí)尾砂膠結(jié)充填開(kāi)采各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。由表1可知，其經(jīng)濟(jì)效益、安全性更高。

表1 采場(chǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)采用下向進(jìn)路式分級(jí)尾砂膠結(jié)充填法開(kāi)采，解決了大部分采場(chǎng)溫度過(guò)高而導(dǎo)致的采場(chǎng)自然發(fā)火問(wèn)題，采礦生產(chǎn)能力大大提高，采場(chǎng)單產(chǎn)能力從124 t/d提高到260 t/d；利用尾砂充填，每年消耗尾砂40萬(wàn)t，節(jié)約水砂成本500多萬(wàn)元。

(2)提高機(jī)械化水平，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)作業(yè)效率，減少坑木耗量，控制生產(chǎn)成本，并且在工藝上保證了采銅保金；坑木使用量由129 m3/萬(wàn)t礦降至28 m3/萬(wàn)t礦；大幅度提高了工人的工班效率，由7.4 t/(工班)上升至14.6 t/(工班)，降低管理成本及勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)解決了水砂充填料達(dá)不到下向充填法設(shè)計(jì)強(qiáng)度的問(wèn)題，且充填費(fèi)用比原設(shè)計(jì)有所降低，每采出1 t礦石可降低成本9.25元。試驗(yàn)中采用了上、下分層進(jìn)路垂交或斜交布置的方式，提高了假頂承載能力，確保了采礦生產(chǎn)安全、順利地進(jìn)行。該采礦方法，能很好地適應(yīng)變化大、夾石多的礦體開(kāi)采，使礦石損失率和貧化率大大降低。

(4)按不同比例將普通硅酸鹽水泥和分級(jí)尾砂配比充填，選用立式砂倉(cāng)造漿給料，進(jìn)路使用豎向布筋的方式，分次少量充填采空區(qū)，在保證充填體強(qiáng)度、擴(kuò)展回采進(jìn)路、節(jié)省頂板支護(hù)成本及改善作業(yè)環(huán)境等方面，均取得了顯著效果。

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[2] 王正輝,高 謙.膠結(jié)充填采礦法充填作用機(jī)理與穩(wěn)定性研究[J].金屬礦山，2003(10)：18-20.

[3] 李海港.下向分級(jí)尾砂膠結(jié)充填法采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)與數(shù)值模擬[D].贛州：江西理工大學(xué),2007.

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*國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAB08B02)；國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013BAB02B05)。

2015-04-14)

吳 鵬(1991—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。