吳 楊，劉再濤，王棟毅，彭 康

（1.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044；2.山東黃金礦業(yè)有限公司三山島金礦，山東 萊州 261442；3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

隨著礦產(chǎn)資源逐步向深部帶、復(fù)雜帶轉(zhuǎn)移，高效、安全地回采礦體成為亟待解決的關(guān)鍵問題［1］。下向進路充填采礦法在保證地下回采作業(yè)安全性的同時，能有效控制地表沉降、保護生態(tài)環(huán)境、降低礦石“兩率”指標(biāo)，已成功應(yīng)用于國內(nèi)外有色、黃金等礦山企業(yè)［2－4］。相比于上向充填采礦法“短掘短支”所產(chǎn)生的高昂支護費用［5－6］，下向進路采礦法僅需在首采層進行支護，從第二分層起回采作業(yè)均在人工假頂下進行，因此，合理確定回采進路假頂參數(shù)、保證人工假頂質(zhì)量是確保下向采礦法安全應(yīng)用的關(guān)鍵?；诖?，本文針對三山島金礦西山分礦某破碎礦段礦體難開采、上向開采支護成本高等技術(shù)難題，開展了下向構(gòu)筑工藝研究與應(yīng)用。

1 工程背景

三山島金礦西山分礦目前采深已超千米，某礦段位于F1斷層上盤，礦體平均傾角45°，平均水平厚度20 m，平均金品位1.9 g／t，礦巖極其破碎，安全性差，給回采帶來了較大影響。在早期采用上向進路法開采時，為保障井下工作人員的安全，進路中全部采用鋼管、工字鋼等加強支護，月平均支護成本達48.57元／t，平均生產(chǎn)能力98 t／d，支護成本高且生產(chǎn)能力較低；另一方面，西山分礦的充填由新立充填系統(tǒng)提供，充填倍線遠大于10，難以實現(xiàn)高濃度充填?；谝陨蟽牲c原因，結(jié)合國內(nèi)外類似礦體開采經(jīng)驗，擬采用下向進路充填法回采該段破碎礦體。

2 下向構(gòu)筑參數(shù)計算

目前，下向充填采礦法常見的承載層材料為混凝土和尾砂膠結(jié)體?；炷恋膬?yōu)勢在于強度高，但造價也高；尾砂膠結(jié)體強度相對較低，但造價低，是眾多礦山的主要選擇方法［7－9］。

人工假頂?shù)姆€(wěn)定性是下向充填采礦法成敗的關(guān)鍵，通常采用承載層材料抗拉強度與其最大拉應(yīng)力強度之比作為安全系數(shù)［10］，并且由金屬礦床的開采經(jīng)驗可知，此安全系數(shù)應(yīng)大于1.6［11］。結(jié)合西山分礦現(xiàn)有充填條件，西山深部高濃度尾砂充填系統(tǒng)暫未形成，擬定前期采用C30混凝土作為承載層材料，后期采用1∶4尾砂膠結(jié)體作為承載層材料。

2.1 C30混凝土

C30混凝土容重為23.3 kN／m3，分別根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTJ 023—85及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010—2010中參考值計算以C30混凝土為承載層材料時承載層厚度與安全系數(shù)的關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

圖1 C30混凝土為承載層材料時厚度與安全系數(shù)的關(guān)系

通過安全系數(shù)法分析可知，安全系數(shù)隨承載層厚度增加而增大，結(jié)合西山分礦現(xiàn)場情況，當(dāng)采用C30混凝土進行打底充填時，承載層厚度為0.65 m，此時安全系數(shù)為1.77。

2.2 1∶4尾砂膠結(jié)體

為了得到不同濃度尾砂膠結(jié)體在不同養(yǎng)護周期下的強度特性，在新立充填車間進行了充填體力學(xué)試驗，結(jié)果如表1所示，其抗壓強度和抗拉強度在整體上隨養(yǎng)護周期及充填體濃度增加而增加。根據(jù)新立充填車間力學(xué)試驗得到的分級尾砂膠結(jié)體力學(xué)參數(shù)，確定采用質(zhì)量濃度72%以上、單軸抗壓強度不低于2.8 MPa的1∶4分級尾砂，通過安全系數(shù)法計算所得尾砂膠結(jié)體充填厚度與安全系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)采用1∶4尾砂膠結(jié)體進行充填時，承載層厚度為1.6 m，此時安全系數(shù)為3.81。

表1 三山島高強度尾砂充填體力學(xué)參數(shù)

圖2 尾砂膠結(jié)體為承載層材料時厚度與安全系數(shù)的關(guān)系

3 下向構(gòu)筑工藝研究

西山分礦以C30混凝土或分級尾砂膠結(jié)體作為充填材料充入采場，經(jīng)過一段時間的脫水、養(yǎng)護而達到相應(yīng)強度，進而起到穩(wěn)定采場的作用。為了加快施工進度，在上分層充填材料養(yǎng)護期間，可提前掘進下分層采場聯(lián)巷。其構(gòu)筑工藝示意圖如圖3～4所示。

圖3 C30混凝土作為人工假頂時采場進路充填示意圖（單位：mm）

下向充填采礦法主要步驟如下：

1）預(yù)留碎礦墊層和鋪設(shè)塑料布。當(dāng)進路回采結(jié)束后，需及時進行平場和充填作業(yè)，防止礦巖破碎而導(dǎo)致的兩幫圍巖掉落。平場作業(yè)應(yīng)達到進路無殘礦、底板縱橫向平整的效果。平場結(jié)束后，將塊度不大于40 mm的碎礦平整鋪設(shè)在進路底板之上，鋪設(shè)厚度200 mm，最后再將塑料布置于碎礦之上，并在兩幫向上折起0.5 m。預(yù)留碎礦墊層主要有兩個作用，一是減少下分層開采爆破作業(yè)對假頂?shù)膿p傷，二是降低假頂冒落引起的礦石貧化。鋪設(shè)塑料布是為了分隔碎礦和充填材料，防止碎礦膠結(jié)，達到下分層接頂平整的目的。

2）鋪底筋網(wǎng)。取爆破后掉落的大塊廢石或木垛置于塑料布上，使底筋網(wǎng)至少被架高0.1 m，使其被打底料漿完全包裹，以提高整體強度。其中，底筋網(wǎng)主筋直徑12 mm、副筋直徑12 mm、網(wǎng)度0.3 m×0.3 m；主筋在下、副筋在上，主副筋相交處用16＃鐵絲纏繞加固或焊接。當(dāng)兩幫為充填體或礦體時，左右兩端各多出1 m用于相鄰底筋網(wǎng)搭接；當(dāng)側(cè)幫為圍巖時，需在距底板1 m高的圍巖中打入管縫式錨桿，采用錨桿將應(yīng)力傳至穩(wěn)固圍巖中，實現(xiàn)極破碎圍巖中長錨桿懸吊承載作用，上（下）盤進路主筋與錨桿焊接，每根錨桿上焊接3根鋼筋。首采層回采結(jié)束后，第二層開始沿兩幫副筋布置吊筋，上端與頂板鋼筋網(wǎng)連接，下端與底板鋼筋網(wǎng)連接，間距2 m。

3）管路吊掛。管路吊掛如圖5所示，出氣管最高，充填管略低于出氣管，充填接頂后出氣管滿了直接溢流。信號管比充填管低10 cm，泄水管比信號管低20 cm。充填管盡量靠前吊掛，其次，進路采用木材、塑料布、土工布進行密封，板墻要牢固，密閉要嚴(yán)實。

圖4 1∶4分級尾砂膠結(jié)體作為人工假頂時采場進路充填示意圖（單位：mm）

圖5 上下盤錨桿施工及充填管道布置示意圖（單位：mm）

4）布設(shè)脫濾水管。脫濾水管沿長度方向布設(shè)在進路底板，管徑30 mm、條數(shù)2～3條，并在管上鉆鑿直徑10 mm的小孔，孔間距100 mm，最后采用土工布包好，以防止漏漿。

5）布設(shè)充填擋墻。采用可拆卸循環(huán)式充填擋墻，考慮充填體溢流問題，需構(gòu)筑兩道板墻，間隔3～4 m，在靠近充填體一側(cè)，使用螺旋支柱斜頂在管卡處，確保板墻安全、可靠，同時還需架設(shè)泥漿泵將溢流充填體抽到本采場或相鄰充填采場，解決清淤工作量大的問題，降低成本。

6）采場充填。為了達到較好的接頂效果，采用分次充填的方式進行充填。第1次為打底充填，采用C30混凝土或高強度尾砂膠結(jié)體作為充填假底；第2次為普通充填，采用灰砂比1∶10、質(zhì)量濃度72%～73%的料漿，可減少充填成本，穩(wěn)固后單軸抗壓強度不低于1 MPa，充至離進路頂板0.5 m左右的位置；第3次接頂充填，采用灰砂比1∶10、濃度72%～73%料漿接頂充填。信號管流漿時充填站立即關(guān)閉放料閥門，清洗攪拌桶及沖刷充填管路。

4 應(yīng)用效果

在西山分礦某破碎礦段進行了現(xiàn)場工業(yè)試驗，采用C30混凝土作為人工假頂承載層材料，鋪設(shè)厚度0.65 m，所有流程均按設(shè)計規(guī)范要求。轉(zhuǎn)層后頂板揭露平整，穩(wěn)定性好，塑料薄膜未發(fā)現(xiàn)明顯脫落，底筋網(wǎng)未暴露，混凝土假頂整體性好。

5 結(jié) 論

1）安全系數(shù)隨承載層厚度增加而增加，西山分礦下向進路斷面為3.6 m×3.0 m，采用C30混凝土作為承載層材料時，鋪設(shè)厚度不小于0.65 m；采用抗壓強度不小于2.8 MPa的尾砂膠結(jié)體時，鋪設(shè)厚度不小于1.6 m。

2）下向構(gòu)筑工藝在西山分礦某破碎礦段取得了良好應(yīng)用，現(xiàn)場接頂平整，人工假頂整體穩(wěn)定性好，不但減輕了支護成本及支護工作量，還保證了回采作業(yè)的安全性。