大直径深孔崩矿嗣后充填采矿法应用研究

韩 斌 吴建勋 王 鹏，2 孙 伟 姚 松 苏先锋

(1.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083;2.吉林板庙子矿业有限公司，吉林白山134300;3.金诚信矿山研究院，北京101500)

板庙子金矿位于吉林省白山市境内，矿区地势属中低山区，地形较复杂;矿体内溶洞区发育，矿岩裂隙及溶洞内含大量积水，开采地质条件恶劣;地表存在大量良田，不允许崩落，矿区附近有大量建筑及当地居民，对爆破振动要求严格［1-4］。针对上述较为苛刻的采矿条件，板庙子金矿借鉴国内外类似矿山的先进经验［5-12］，借助深孔凿岩台车、装药台车、遥控铲运机、湿喷台车等一系列先进的大型无轨机械化设备［13］，应用数码雷管高精度爆破、一次爆破成井、灵活多样的溶洞区回采技术［14-15］，试验成功了30 m分段高度的大直径深孔崩矿嗣后充填采矿新工艺，实现了复杂难采厚大矿体的大规模、高效、低损失贫化开采，对国内类似矿山开采具有良好的借鉴作用。

1 开采技术条件

金矿带赋存层位为上元古界青白口系钓鱼台组底部赤铁石英砂岩与其下伏的下元古界珍珠门组大理岩不整合面部位的硅化构造角砾岩带。共圈定了4个工业矿体，其中I号矿体为主矿体，II、III、IV号矿体为次要矿体，III号矿体为低品位矿体。各矿体地质特征见表1。矿体直接围岩为硅化构造角砾岩，上盘围岩为钓鱼台组石英砂岩，岩层结构完整，为厚层状的坚硬岩石。矿体下盘岩石是珍珠门组大理岩，为半坚硬－坚硬的厚层状岩石。近矿围岩多为构造角砾岩，在成矿过程中有一定程度的硅化胶结，有的地段可能不甚稳固，特别是被晚期北西向断裂切割的地段，岩石有后期的破碎，稳定性较差。矿体内溶洞区发育，单溶洞体积最大达6 300 m3;矿岩裂隙及溶洞内含有大量积水，一次最大突水量曾达1 700 m3。矿区地表有大量的良田，附近有部分村民及建筑，地表不允许有大的塌陷。

表1 板庙子金矿矿体地质特征Table 1 Geological features of Banmiaozi Gold Mine

2 采矿方法

2.1 采场结构

(1)采场布置方式及结构参数。采场垂直矿体走向布置，主矿体倾角一般均大于50°，其矿块构成要素见表2，具体结构见图1;对于倾角小于50°的部分矿体，分段高度采用15 m，采场长、宽尺寸依矿体赋存特点确定。

(2)采准切割工程。主要采准切割工程包括分段巷道、出矿穿脉巷道、切割天井、上部穿脉凿岩巷道、上部沿脉凿岩巷道。分段巷道布置在矿体上盘，距上盘矿体15 m;上下分段出矿穿脉巷道兼做切割巷道，用作采场出矿、切割深孔施工、掏槽补偿空间和掏槽天井的施工通道;切割天井垂直布置于切割槽(出矿穿脉切割道)的中部，距矿体下盘的三角区布置2～3排辅助掏槽炮孔，位置选择要有利于切割井掏槽和减小掏槽爆破对下盘围岩的破坏;上部穿脉凿岩巷道用于施工切割井孔、切割掏槽孔、掏槽孔爆破装药和作沿脉凿岩巷道的通道;下部出矿穿脉巷道要与上部穿脉凿岩道对齐，便于切割井和切割掏槽爆破出现异常时进行处理;上部沿脉凿岩巷用于中深孔施工和中深孔爆破装药。

图1 大直径深孔崩矿嗣后胶结充填采矿法Fig.1 Large diameter long hole drilling with back-cementation-filling mining method

(3)采场底部结构。由于该矿采用无轨斜坡道开拓系统，应用遥控铲运机出矿，故采用了平底式底部结构［18］。这种底部结构直接利用回采进路作为出矿巷道，具有结构简单、稳定性好、施工效率高的优点，避免了传统漏斗式或堑沟式底部结构采切工程量大、结构复杂、稳定性差、施工周期长的弊病。

2.2 回采工艺

2.2.1 回采顺序

自分段巷道掘穿脉道至矿体下盘，沿矿体下盘掘沿脉凿岩道，同时在下部分段掘出矿穿脉巷至矿体下盘，并沿矿体走向掘进下盘沿脉道，之后凿切割天井爆破孔、切割槽垂直深孔及采场扇形中深孔，采用一次爆破成井方式形成切割天井，之后分2～3次爆破形成切割槽，最后一次爆破采场扇形深孔。采用遥控铲运机由下分段出矿进路将矿石装上后经出矿穿脉巷、分段巷搬运到分段巷装车点，将矿石装入40 t矿用卡车运至地表矿石堆场(铲运机装矿点至装车点的距离不超过250 m)。待出矿完毕后构筑充填挡墙，自上分段架设充填管线实施空区充填。其中一期采场采用胶结充填，二期采场先胶结打底充填后，再采用废石非胶结充填或尾砂非胶结充填。

2.2.2 凿岩

矿山采用Simba 1354全自动深孔钻机配合钻孔精确定位系统进行中深孔凿岩工作，凿岩效率为510 m/d，其中深孔凿岩参数见表3。

表3 深孔凿岩参数Table 3 Long hole drilling parameters

2.2.3 装药及爆破

板庙子金矿采用Normet的MC 605装药台车进行深孔散装炸药的机械化装药，所用炸药为散装ANFO炸药，装药效率为0.9 t/h，上向装药孔深可达46 m，综合返药量低至0.8%。为最大限度减少爆破对矿区周围农户及地表建筑物的影响，以及减少爆破振动对围岩、充填体的破环，经大量的实验对比，采用高精度数字雷管进行深孔微差爆破与扇形孔超前拉底爆破，单次爆破最大总装药量显著增加，但单响药量可控制在75 kg以内，很好地降低了爆破震动对周边环境和社区的影响。矿石损失率由初步设计的12%降低至6%以下，表4是高精度数字雷管爆破与传统中深孔爆破工艺的参数对比。

表4 爆破工艺参数对比Table 4 Comparison of blasting process parameters

同时以Simba－H1354导向钎杆精确凿孔、超大直径六空孔掏槽、高精度数字雷管螺旋式微差爆破为手段，实现了4 m2小断面条件下高30 m切割井的一次爆破成井施工工艺。

针对溶洞区采场装药、开采难度大的问题，采用了如下几种方法:①对于较大的溶洞区，通过改变爆破顺序和回采顺序，利用溶洞区作为补偿空间实施爆破，无需施工切割天井;②利用“隔山打牛”的爆破方式，即利用相邻采场巷道远距离凿孔装药爆破等方式，解决溶洞区无法掘进或凿岩、装药的矿体落矿问题，或采用上、下分段相向凿岩爆破等方式;③对于规模较小的溶洞区，则利用相关材料加固、修复炮孔，最大限度避免溶洞区对采矿作业的影响，减少矿石损失。

2.2.4 出矿

矿山采用中深孔凿岩、全矿房一次爆破方式，采场的暴露面积较大，为此矿山应用CAT R1700G大型遥控铲运机(6 m3)进行采空区的快速出矿工作，出矿效率为120 t/h。铲运机将矿石从采矿点运出后，经出矿穿脉巷，分段巷搬运到各分段巷装车点，再经由CAT45 t卡车通过斜坡道直接运至地表矿仓。

2.2.5 支护

板庙子金矿采准、切割巷道以往采用干喷+管缝锚杆+树脂锚杆的支护方式，虽然支护效果良好，但存在干喷混凝土工艺复杂、作业环境差、混凝土强度低、挂钢网支护时间长、管缝锚杆锚固力低等诸多缺点［16-17］。经技术攻关，上述巷道采用了先进的“湿喷混凝土+树脂锚杆”机械化支护方法，即出渣结束后先采用Spraymec 1050 WPC湿喷台车喷射纤维混凝土支护，经2～3 h的养护，采用H282双臂液压凿岩台车机械化安装树脂锚杆，新的支护工艺使喷射混凝土强度由C10、C15提高至C30，锚杆的锚固力由80 kN提高至200 kN，1个循环支护作业时间由原来的10～12 h缩短至5～6 h。

2.3 充填工艺

板庙子金矿针对不同工序和特点的采场，应用不同充填工艺与料浆输送方式。形成了以尾砂、废石等做充填材料，依靠自流、泵送两大泵送方式进行的以尾砂胶结充填为主，废石胶结充填和废石充填相结合的充填工艺。有效地控制地压、保障作业安全、降低了采矿成本、大幅度减少了废石对矿山环境的破坏。

(1)充填材料。胶结剂采用32.5级复合硅酸盐水泥，矿山所用尾砂采用外购尾砂，添加自产废石破碎后用于井下充填。

(2)充填能力。目前矿山井下生产能力约为75万t/a，年需充填体积约为28万m3/a。充填搅拌站充填能力为1 200 m3/d。

(3)充填系统。充填料浆采用地面集中搅拌制备方式，自产破碎的废石与铁矿尾砂采用前装机混合后，采用斗车和皮带由585 m水平运至670 m水平充填搅拌站的卧式搅拌仓，与水泥浆均匀搅拌后，经充填钻孔和3条充填管路分别送往南区、中区和北区，完成自流输送。对于650 m标高以上和局部充填倍线不足，无法自流充填的采场采用泵送方式充填，充填系统与充填材料提升运输系统见图2。充填系统的主要技术参数见表5。

表5 充填系统主要技术参数Table 5 Main technical parameters of backfilling system

图2 充填系统及充填材料提升运输系统Fig.2 Filling system and filling materials hoisting-transportation system

(4)充填体强度要求。一期采场充填时，首先进行10 m高的打底充填，要求充填体强度值为1.2～1.5 MPa，水泥掺入量为14%，之后采用较低强度的胶结充填，要求充填体强度为0.8～1.0 MPa，水泥掺入量为9%。对于二期采场，首先进行10 m高的打底充填，要求充填体强度值为1.2～1.5 MPa，水泥掺入量为14%，后续则采用全废石回填，或采用低强度充填料浆充填，充填体强度设计值为0.5 MPa，水泥掺入量为6%，上述充填料浆质量浓度均为75%［18-19］。

2.4 富水矿体的开采

针对矿体内积水量大的特点，采取了如下措施:①采用多种方式封闭地表河床，阻止地表河水灌入井下回采区;②超前施工矿体下部开拓巷道，使矿体内水位下降至采场最低水平以下，以最大限度减少地下水对采矿作业的影响;③加强井下采场通风，以尽可能降低井下作业区域的湿度［20］。

2.5 技术经济指标

针对富水溶洞区复杂难采矿体，该矿基于装药台车机械化装药、高精度控制爆破、及遥控铲运机出矿、大型机械化湿喷和凿岩台车机械化安装高预应力树脂锚杆等一系列关键技术与工艺，实现了安全、高效、低成本、高回收率目标，其主要技术经济指标见表6。同时，基于前述新技术的大量应用，大大改善了采矿作业环境，降低了采矿劳动强度，固体废弃物充填也改善了矿山环境，取得了显著的社会效益。

表6 主要经济技术指标Table 6 Main economic and technical indexes

3 结论

(1)大直径深孔崩矿嗣后充填采矿法在板庙子金矿的成功应用，实现了溶洞区复杂难采矿体的高效、安全开采。分段高度30 m的采场钻孔深度达46 m，凿岩机生产效率为510 m/d，遥控铲运机出矿效率达120 t/h，单采场生产能力2 000 t/d，自流充填的料浆浓度为72% ～78%，充填能力为110 m3/h。

(2)利用遥控铲运机出矿安全性好的优势，采用了平底式底部结构，避免了传统漏斗式或堑沟式底部结构采切工程量大、结构复杂、稳定性差、施工周期长的弊病。倾角大于50°的矿体，采用30 m高分段采矿，减少了采切工程，并通过散装ANFO炸药机械化装药、高精度数字雷管微差爆破，实现了大药量、低震动采场控制爆破，使采矿回收率达到94%，贫化率控制在7%以内，同时还实现了4 m2小断面切割天井的一次爆破成井施工工艺。根据不同的溶洞赋存位置和体积，通过优化爆破回采顺序、修复炮孔、“隔山打牛”爆破等多种方式，有效解决了溶洞区的采矿难题。

(3)采用Atlas Simba 1354深孔凿岩台车、Normet MC 605装药台车、CAT R1700G遥控铲车、CAT45t卡车、Normet Spraymec 1050 WPC湿喷台车、H282双臂液压凿岩台车等一大批先进的无轨机械化采矿设备，大幅度提高了采矿效率，降低了井下作业人员的劳动强度，有效改善了井下作业环境。

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