呂書(shū)平，常 偉，趙 海，吳 旭，王 超

(河北省礬山磷礦有限公司， 河北 張家口市 075641)

礬山磷礦安全高效充填采礦綜合利用先進(jìn)技術(shù)

呂書(shū)平，常 偉，趙 海，吳 旭，王 超

(河北省礬山磷礦有限公司， 河北 張家口市 075641)

充填采礦方法開(kāi)采過(guò)程中存在著效率、成本、安全、貧化、損失之間的對(duì)立統(tǒng)一矛盾。闡述了礬山磷礦西區(qū)充填采礦方法的優(yōu)化過(guò)程，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，論述了分段菱形礦房充填采礦方法的關(guān)鍵技術(shù)、工藝流程及應(yīng)用前景，為該采礦方法的進(jìn)一步深入研究和優(yōu)化提供了技術(shù)參數(shù)和指導(dǎo)方向。

高承壓含水層；采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；分段菱形充填采礦法；綜合利用

礬山磷礦根據(jù)高、低水位分界線將礦區(qū)分為東、西兩區(qū)，東區(qū)為低水位區(qū)，西區(qū)上覆高承壓Q2含水層。由于該含水層為附近居民的生活及農(nóng)業(yè)用水，以及地表有公路、耕地和果園等不允許地表塌陷及破壞Q2含水層，致使礦山一直未進(jìn)行采礦。造成礦山東西區(qū)開(kāi)采下降速度明顯失衡，致使占礦區(qū)儲(chǔ)量2/3以上的西區(qū)磷鐵礦石資源不能開(kāi)發(fā)利用，大大縮短了礦山服務(wù)年限，直接影響到礦山持續(xù)經(jīng)營(yíng)和發(fā)展。按原設(shè)計(jì)，東區(qū)到2017年將資源枯竭，而西區(qū)開(kāi)發(fā)歷時(shí)6年已達(dá)到目前的90萬(wàn)t/a，西區(qū)充填法采礦技術(shù)在保護(hù)地下水資源和生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)西區(qū)礦體的安全高效開(kāi)采，使長(zhǎng)期不能開(kāi)采的西區(qū)磷鐵礦石資源(保有資源儲(chǔ)量約3200萬(wàn)t)得到充分開(kāi)發(fā)利用，顯著提高了礦山經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)礬山磷礦的可持續(xù)、和諧發(fā)展起到突出作用。

1 西區(qū)充填采礦方法及工藝優(yōu)化過(guò)程

為了使礦山持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，礦山提出通過(guò)改變采礦方法對(duì)西區(qū)礦體進(jìn)行開(kāi)采。即西區(qū)采礦改原設(shè)計(jì)的疏干崩落法為充填法，在確保回采安全的同時(shí)保護(hù)水資源和地表環(huán)境。礬山磷礦已經(jīng)開(kāi)采東區(qū)十幾年，實(shí)踐中積累了較多礦巖變化規(guī)律、巖石力學(xué)性質(zhì)的研究成果，以及西區(qū)基巖面、分化帶、Q2含水層厚度變化規(guī)律等第一手資料，具備實(shí)施充填采礦的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1.1 西區(qū)采礦方法技術(shù)優(yōu)化過(guò)程

西區(qū)從2008年開(kāi)始進(jìn)行項(xiàng)目配套工程的設(shè)計(jì)和施工，2010年7月份開(kāi)始采礦方法試驗(yàn)，試驗(yàn)工作進(jìn)展并不順利，主要表現(xiàn)為礦巖層理、節(jié)理和裂隙發(fā)育，采場(chǎng)頂板不穩(wěn)固，支護(hù)工作量大，如果工人在大面積暴露頂板下作業(yè)，作業(yè)安全條件差；因此，采礦工藝及采場(chǎng)布置形式多次被迫改變，先后由“點(diǎn)柱式”改為“垂直礦體走向留設(shè)連續(xù)間柱的房柱充填采礦法”，由于頂板暴露面積大又改為“上向水平分層兩步驟充填法”，一步驟礦房寬為8 m，二步驟礦房寬為7 m，但此種采礦方法仍然存在人員在大面積暴露頂板下作業(yè)，作業(yè)條件沒(méi)有得到改善。后又將“上向水平分層兩步驟充填法”改為“上向水平分層高低進(jìn)路”(見(jiàn)圖1)以及“分段菱形礦房充填法”。從2011年7月份開(kāi)始在437水平8-18#礦塊進(jìn)行“上向水平分層高低進(jìn)路”充填法采礦方法實(shí)驗(yàn)；經(jīng)過(guò)2年多的試驗(yàn)，在回采第一分層時(shí)作業(yè)條件還比較安全，支護(hù)量相對(duì)較少，但在回采第二分層時(shí)由于第一分層充填接頂率較低，導(dǎo)致頂板大面積暴露，地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，每掘進(jìn)2 m，均需要支護(hù)，作業(yè)效率低，安全作業(yè)條件差，回采成本高，采礦方法被迫改變。在進(jìn)行上向水平分層進(jìn)路法采礦方法試驗(yàn)的同時(shí)，在425中段4-8#礦塊進(jìn)行了“分段菱形礦房嗣后充填采礦法”試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)近2年多的試驗(yàn)，確定了此種采礦方法比較適合礬山磷礦礦巖條件。

圖1 上向水平分層高低進(jìn)路采礦法

1.2 分段菱形礦房充填法采準(zhǔn)工程布置

(1) 采用下盤(pán)脈外斜坡道采準(zhǔn)，主要采切工程包括：分段沿脈聯(lián)絡(luò)道、分段采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷、1#、2#鑿巖巷、出礦進(jìn)路、出礦聯(lián)絡(luò)道、充填通風(fēng)回風(fēng)井、礦石溜井、切割井聯(lián)巷和切割井等。 采準(zhǔn)工程布置首先確定分段沿脈聯(lián)絡(luò)道的位置，每個(gè)礦塊分別布置兩條溜井，溜井布置在下盤(pán)和出礦聯(lián)絡(luò)道位置，以此縮短掘進(jìn)工程和回采出礦時(shí)鏟運(yùn)距離，提高出礦效率。然后每個(gè)礦塊向礦體施工一條采場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道，聯(lián)絡(luò)道到位后布置1～2條鑿巖巷，第一分段布置一條鑿巖巷，上部?jī)蓚€(gè)分段布置兩條鑿巖巷，每個(gè)礦塊上下兩個(gè)分段對(duì)應(yīng)形成一個(gè)菱形回采單元。具體布置見(jiàn)圖2。

(2) 礦塊沿礦體走向布置，長(zhǎng)為50～60 m，寬為礦體水平厚度，18～20 m，中段高度為45 m，分段高為10～12 m，礦塊之間留設(shè)8 m寬的礦柱，在間柱內(nèi)從上下兩個(gè)中段之間布置了通風(fēng)、充填、泄水斜井。礦塊內(nèi)按分段自下而上沿礦體傾向共計(jì)布置3個(gè)菱形礦房，高24 m，長(zhǎng)25～52 m，寬為礦體水平厚度。底部結(jié)構(gòu)布置在菱形礦房的底部，6～7條出礦進(jìn)路和一條鑿巖巷，形成裝礦底部結(jié)構(gòu)，由于礦山鑿巖設(shè)備及裝藥設(shè)備的限制，在下部?jī)蓚€(gè)菱形礦房中央設(shè)計(jì)輔助鑿巖分段，兩個(gè)分段鑿巖巷鑿巖，底部鑿巖巷切割“V”型塹溝作為受礦巷，聯(lián)合出礦進(jìn)路出礦，大大提高了回采率；礦房?jī)?nèi)殘留礦石，利用遙控鏟運(yùn)機(jī)出凈；礦房出礦結(jié)束后立即充填，保證空頂時(shí)間不超過(guò)4個(gè)月，并嚴(yán)格接頂，待充填體終凝后再回采上分段礦房，進(jìn)入下一采充循環(huán)。在礦房回采之前從上部中段礦體下盤(pán)沿礦體走向布置加固巷，從加固巷垂直礦體傾斜方向沿礦房全長(zhǎng)向上布置施工長(zhǎng)錨索。

圖2 分段菱形礦房充填法

試驗(yàn)期間不斷進(jìn)行采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新。對(duì)分段菱形礦房充填法礦房參數(shù)、底部結(jié)構(gòu)、充填工程、充填灰沙比、采切比、頂板預(yù)支護(hù)、出礦設(shè)備改進(jìn)等進(jìn)行了優(yōu)化，降低了采切比和采礦成本，提高了出礦效率和出礦的安全性；對(duì)充填參數(shù)和充填灰沙比進(jìn)行優(yōu)化，提高了充填接頂率、降低了充填成本。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)和近幾年采礦方法的不斷優(yōu)化，西區(qū)充填法采礦試驗(yàn)取得了成功，不僅實(shí)現(xiàn)了西區(qū)高承壓水下安全采礦的目的，同時(shí)也在逐步優(yōu)化采礦方法、降低采礦成本、提高生產(chǎn)效率等方面進(jìn)行了大量的研究工作。西區(qū)回采截止到2015年底共計(jì)回采工業(yè)礦體礦量251.24萬(wàn)t，礦化圍巖85.27萬(wàn)t，為礦山產(chǎn)能的提升和持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。西區(qū)采礦成本從2012年平均150元/t降低至2015年90元/t。充填成本從2012年的25元/t降低至2015年的12元/t。主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 分段菱形礦房充填采礦法主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2 分段菱形礦房充填法關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備

(1) 保安礦柱安全合理厚度確定技術(shù)。在礦巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試、工程地質(zhì)調(diào)查研究、巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)及巖石力學(xué)參數(shù)工程處理等基礎(chǔ)上，通過(guò)巖土工程三維應(yīng)力分析數(shù)值模擬軟件，對(duì)護(hù)頂隔離礦柱合理安全厚度和東西區(qū)隔離礦柱寬度進(jìn)行了優(yōu)化研究；確定：三層礦體均開(kāi)采時(shí)護(hù)頂?shù)V柱的厚度值數(shù)值模擬結(jié)果為121 m；兩層礦體開(kāi)采時(shí)護(hù)頂?shù)V柱的厚度值數(shù)值模擬結(jié)果為76 m。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到東西區(qū)隔離礦柱的最小安全寬度值為16.46 m。

(2) 保安礦柱加固技術(shù)。為防止礦體開(kāi)挖后產(chǎn)生順層抽冒現(xiàn)象，在保安礦柱底部垂直礦體真厚度方向，按照排距3 m，每排3根，長(zhǎng)度18～25 m的長(zhǎng)錨索進(jìn)行加固，進(jìn)一步提高保安礦柱強(qiáng)度。

(3) 原有地質(zhì)勘探鉆孔封孔檢查與堵漏技術(shù)。原地質(zhì)勘探因控制礦體需要，都穿過(guò)了含水層和礦體，若原地質(zhì)鉆孔未封孔或封孔質(zhì)量不合格，地質(zhì)鉆孔將成為導(dǎo)水通道，對(duì)采場(chǎng)生產(chǎn)構(gòu)成威脅。采用手持GPS對(duì)全部地質(zhì)勘探鉆孔進(jìn)行地表位置定位，篩查出未封孔或封孔質(zhì)量不合格的鉆孔，在地表采取水泥注漿方式對(duì)其進(jìn)行處理。

(4) 物探探測(cè)導(dǎo)水構(gòu)造技術(shù)。除未封孔或封孔質(zhì)量不合格的地質(zhì)勘探鉆孔可能構(gòu)成導(dǎo)水威脅外，地質(zhì)構(gòu)造是可能導(dǎo)水的最大隱患；在地表采用電法物探手段，查明較大可能導(dǎo)水構(gòu)造，結(jié)合井下井巷工程對(duì)其進(jìn)行處理：預(yù)留保護(hù)礦(巖)柱。

(5) 充填接頂技術(shù)。分段菱形礦房回采完畢后形成的采空區(qū)主要采用從上部充填巷道每隔15 m施工充填鉆孔,保證充填料漿多點(diǎn)下料、多次充填、分區(qū)接頂工藝；接頂層提高充填料漿濃度，適當(dāng)提高灰砂比；在礦房頂部提前施工充填巷道，采場(chǎng)爆破后和充填巷道貫通，利用充填料漿和采空區(qū)的高差等措施提高接頂率。

(6) 高精度導(dǎo)爆雷管和爆破振動(dòng)測(cè)試儀的應(yīng)用。采用高精度導(dǎo)爆管對(duì)采場(chǎng)進(jìn)行爆破并定期采用爆破振動(dòng)測(cè)試儀測(cè)試爆破振動(dòng)，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，有效控制了西區(qū)單響藥量，提高了爆破效果，大大降低了對(duì)地表居民區(qū)及Q2承壓水層的擾動(dòng)，保證了西區(qū)礦體的安全回采。

(7) 遙控鏟車的引進(jìn)與應(yīng)用。鑒于西區(qū)分段菱形礦房充填采礦法的回采性質(zhì)，單個(gè)礦塊回采到后期后，頂板暴露面積約為900 m2，空區(qū)長(zhǎng)度為30 m，此時(shí)如果單單依靠電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行出礦，在不進(jìn)入空區(qū)的情況下，損失率較高，不能滿足出礦需求，針對(duì)此問(wèn)題，引進(jìn)了國(guó)產(chǎn)遙控鏟運(yùn)機(jī)，大大提高了礦石回采率，提高了經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)確保了井下工人作業(yè)的安全。

(8) 空區(qū)探測(cè)儀的應(yīng)用。礬山磷礦于2014年1月份引入了VS150-MK3三維激光掃描儀，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用，三維激光掃描技術(shù)確實(shí)對(duì)礦山的生產(chǎn)及安全具有很好的指導(dǎo)意義。采用三維激光掃描儀可以準(zhǔn)確測(cè)算出采空區(qū)的體積，為下一步充填設(shè)計(jì)的完善和充填量的計(jì)算和C料量的準(zhǔn)確計(jì)算以及爆破參數(shù)的優(yōu)化和控制貧化率等提供了技術(shù)支持。

(9) 進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)液壓臺(tái)車的引進(jìn)與應(yīng)用。由于原施工中孔設(shè)備均為YGZ-90鉆機(jī)，施工中孔精度差，效率低，產(chǎn)生大塊較多，為了解決此問(wèn)題，引進(jìn)了施工中孔精度更高的進(jìn)口液壓simber1253鑿巖臺(tái)車及國(guó)產(chǎn)華泰HT鑿巖臺(tái)車，引進(jìn)設(shè)備后經(jīng)實(shí)踐液壓1253鑿巖臺(tái)車鑿巖效率為120 m/班，國(guó)產(chǎn)華泰鑿巖臺(tái)車為100 m/班。大大提高了中孔施工效率，提高了施工中深孔的精度，改善了爆破效果。

3 結(jié) 論

(1) 研究提出了充填法采礦、礦柱支撐與位移變形監(jiān)測(cè)多元化保護(hù)Q2含水層協(xié)同開(kāi)采技術(shù)。本研究在采區(qū)和中段之間留有適量的保安礦柱，其能非常有效支撐圍巖和采場(chǎng)頂板，控制位移變形。位移和變形監(jiān)測(cè)能檢驗(yàn)充填體和礦柱的支撐效果，預(yù)報(bào)安全隱患。

(2) 研究開(kāi)發(fā)了分段菱形礦房尾砂膠結(jié)充填采礦法，該采礦法是結(jié)合崩落法和充填法以及礬山磷礦西區(qū)礦體形態(tài)而研究開(kāi)發(fā)的采礦方法，為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)。該采礦方法的創(chuàng)新充分利用了無(wú)底柱分段崩落法的出礦結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了分段空?qǐng)霾傻V，嗣后充填空區(qū)，既有崩落法的采礦高效率，又具有充填法的安全性。

(3) 回采單元設(shè)計(jì)為菱形塊體，回采后空區(qū)頂板形狀近似拱形，利用了拱形巷道受力結(jié)構(gòu)好的特點(diǎn)，也提高了礦房頂板的穩(wěn)定性。采用計(jì)算機(jī)三維有限元數(shù)值模擬方法，建立礬山磷礦井下開(kāi)采數(shù)學(xué)模型，對(duì)多種可能的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、采空區(qū)暴露面積、礦柱尺寸、頂板隔離層厚度以及回采過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化等方面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為采礦方法選擇、開(kāi)采順序優(yōu)化、頂板隔離厚度確定等提供了理論依據(jù)。通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)，確定了礦柱安全尺寸、采礦方法的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及適合于該采礦方法的充填工藝，有效防止了頂部高承壓含水層可能導(dǎo)致的危害。

(4) 該采礦方法設(shè)備、人員不直接在暴露面積較大的采場(chǎng)頂板下作業(yè)，作業(yè)安全條件較好；生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度?。怀涮畛杀镜?，充填接頂率高、質(zhì)量好。采用遙控出礦設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了空?qǐng)鰲l件下的安全高效出礦。

(5) 建立了適合礬山磷礦特點(diǎn)的地壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)。包括井上井下沉降觀測(cè)系統(tǒng)，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為礬山磷礦地壓活動(dòng)控制與安全管理提供了可靠的依據(jù)。

(6) 豎井充填鉆孔管路耐磨技術(shù)研究，徹底解決充填鉆孔磨損快的問(wèn)題，提高了充填鉆孔的使用壽命，保證了充填的及時(shí)性。

(7) 延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限，維持企業(yè)和礦區(qū)和諧發(fā)展。礬山磷礦隨著近幾年西區(qū)采礦的成功，增加可采礦量3200萬(wàn)t，按目前的采礦規(guī)模礦山服務(wù)年限可新增14 a，更重要的是能夠穩(wěn)定職工工作和生活，使職工安居樂(lè)業(yè)，實(shí)現(xiàn)職工與企業(yè)的和諧發(fā)展。

礦區(qū)周邊為國(guó)家葡萄種植產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)，所在地也是歷史文化悠久的旅游保護(hù)區(qū)，西區(qū)充填法采礦能有效地控制采場(chǎng)頂板大面積沉降和塌陷，防止Q2隔水層和護(hù)頂隔離礦柱破壞，能夠有效保護(hù)高承壓水的安全，保護(hù)地下水資源和生態(tài)環(huán)境，使礦區(qū)周邊環(huán)境不被破壞，地表耕地、路面等不沉降。實(shí)現(xiàn)礬山磷礦西區(qū)礦體安全高效開(kāi)采的同時(shí)，示范工程對(duì)于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

礬山磷礦西區(qū) Q2高承壓含水層下采礦方法的試驗(yàn)成功在國(guó)內(nèi)化學(xué)礦山或者其它類似礦山行業(yè)中，緩傾斜、中等穩(wěn)固圍巖、中厚以上賦存條件的磷礦山或者其它礦巖條件破碎的礦山可推廣或借鑒。分段菱形礦房充填法采礦，生產(chǎn)成本低，安全高效，工藝易于掌握，生產(chǎn)組織方便，為國(guó)內(nèi)外類似礦山提供了開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)。

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王 耀(1982-)，男，碩士，采礦高級(jí)工程師，主要從事采礦技術(shù)工作。

2016￣10￣17)