提高大型贫镍矿体充填采矿生产能力关键技术研究

王永定

(金川集团股份有限公司 龙首矿， 甘肃 金昌市 737100)

提高大型贫镍矿体充填采矿生产能力关键技术研究

王永定

(金川集团股份有限公司 龙首矿， 甘肃 金昌市 737100)

针对金川镍矿Ⅲ矿区贫矿开发，开展了提高充填采矿生产能力的关键技术研究。首先，以应用大型采矿设备为目的，开展大断面六角形进路参数优化选择和稳定性分析。在此基础上，进行了进路式回采分层道优化布置并发展了大断面六角形进路式采矿方法的回采工艺和爆破参数优化与控制技术。通过采矿试验和工程应用，不仅提高了龙首矿贫矿充填法采矿生产能力，而且保障了采矿安全，由此获得显著的经济效益和社会效益。

大型贫矿；充填法开采；采矿生产；六角形进路；经济效益

0 前 言

金川镍矿是我国最大的硫化铜镍矿床，共划分为4个矿体。其中Ⅰ、Ⅱ矿体为富矿，Ⅲ、Ⅳ矿体为贫矿。经过几十年的开采，Ⅰ矿体的富矿开采接近尾声，贫矿成为主要的开采对象。开采Ⅲ矿贫矿的龙首矿西采区，贫矿资源储量占西采区总量的93%。该矿体属熔离-贯入型矿体，分布在超基性岩体下盘的二辉橄榄岩和含辉橄榄岩及纯橄榄岩中，是地质构造作用从Ⅰ矿体中错断推移形成独立矿体。矿体呈似层状，走向320°～330°，倾向南西，倾角60°～85°。矿体长1100～1300 m，宽10～200 m，厚10～175 m，倾向长度800 m。矿体地质品位为0.55%～0.60%。由于Ⅲ矿体经历了剧烈的地质构造作用，节理裂隙十分发育，矿岩十分破碎，稳定性极差，属于典型的破碎矿岩的大型贫矿体[1]。

提高贫矿产量，降低采矿成本，实现规模化效益是贫矿采矿生产的核心问题。为此金川矿山将原设计的自然崩落法改为下向分层胶结充填法开采。

1 充填法开采贫矿存在的问题

(1) 大型铲装设备利用问题。在底宽3.5 m，腰宽7 m，高6 m的大断面六角形进路中，配套设施不健全：现场未配备检撬车，进路高度达到6 m后，人工检撬顶部非常困难，劳动强度大，效率低下；为了便于撬碴和装药，现场采用先爆破底部炮孔，然后在矿堆上装药再爆破上部炮孔的方法，降低了生产效率且增加了爆破成本；分层道高度为3 m，进路开口时必须人工挑顶，施工效率低，安全性差，不利于凿岩台车效率的发挥。

(2) 大断面进路形成与稳定性控制问题。金川矿山目前采用下向矩形进路和六角形进路两种采矿方法。矩形断面施工简单，便于控制，但进路受力条件差，不利于进路的稳定。而六角形进路围岩应力分布有利于采场的稳定，但进路断面形成给爆破参数优化和控制提出更高要求。因此，对于矿岩条件极不稳固的贫矿开采，大断面六角形进路的形成与稳定性控制问题，是贫矿开采所面临的另一技术难题。

(3) 充填法采矿持续稳定生产问题。提高贫矿充填法开采的生产规模，必须选择一种回采效率高，转层速度快，损失贫化率低的采矿方法。传统的六角形单一采场虽具有小、快、灵的特点，但在实际生产过程中存在不足。主要表现在一个单一采场在回采结束后，从最后转层准备、充填实施到下分层拉开开始出矿，至少需要20 d的时间。在此期间采场将丧失出矿能力，严重制约着采场生产能力的提高和供矿的均衡性。

针对龙首矿传统的六角形进路采矿存在的问题，开展了回采工艺研究，包括单分层道回填布置方案、双分层道布置方案、进路断面参数、爆破参数、盘区规划及整合等，从而满足大型采装设备的使用要求和采矿效率，提高进路式充填采矿的生产能力。

2 进路式回采分层道优化布置

针对六角形进路采矿存在的问题，提出了单分层道布置方案和双分层道方案交替使用布置。

2.1 单分层道布置形式

单分层道是在回采边缘或小矿体时采用的一种布置方式，该方案是充填前将分层道回填原高度一半的矿石，下层开采后，在上层分层道下部掘进，落下回填层后，形成与进路等高的分层道。分层道规格为矩形断面；进路垂直分层道布置，进路规格为六角形进路，采场每分层下降比上分层标高低一半的高度开层，开层后回采上分层矿柱，回采结束后分段充填。单分层道回填布置方案如图1所示。

图1 单分层道回填布置方案

设计时布置一条分层道在矿体下盘或矿体中间，进路垂直布置，进路长度控制在50 m左右，分层道每层沿用。关键是为了保证分层道和进路高度一致，分层道在转层充填前按照下层高度对分层道进行回填，回填高度为2.5 m，开层高度2.5 m，开层后落下回填层后高度达到5 m。

该布置方案是在传统的小断面六角形进路回采方案基础上，通过调整采场布局方式和采切工程参数，可以适应大型采装设备的使用；同时可以实现采场多作业面同时回采，扩大回采能力；保留了六角形进路回采强度大、开层速度快的特点。对于厚大矿体，将一个采场再划分为若干个回采区间，在回采过程中对回采顺序进行灵活调整，来实现多个作业面作业及采场连续生产，以提高生产能力。

2.2 双分层道布置形式

双分层道布置方案是在每个矿块布置两条分层道，每分层只需使用一条，可上下层交替使用，转层时不需要回填矿石。将每个盘区划分为若干采场，分层道可灵活布置在垂直或沿矿体走向的采场两端，分层道规格为矩形断面；进路垂直分层道布置，进路规格为六角形水平进路。采场每分层比上分层下降2.5 m开层，开层后回采上分层矿柱，充填时利用分层道预留的充填井接入充填管即可完成充填。盘区双分层道布置方案如图2所示。

图2 双分层道布置

该回采方案将每个盘区(长度100 m，宽度为矿体厚度)划分为若干采场(采场长×宽=50 m×50 m，采用双分层道布置结构)，分层道可灵活布置在垂直或沿矿体走向的采场两端，分层道规格为4 m×5 m(宽×高)的矩形断面；进路垂直分层道布置，进路规格为底宽4 m，腰宽6 m，高5 m的六角形水平进路。采场每分层比上分层底板标高下降2.5 m开层，回采结束后每2～4条进路充填1次，充填时利用预留的充填回风井接入充填管即可完成充填。第一层回采过程中，必须严格按设计控制好进路的规格、方向和长度，第二层回采时即可根据揭露的上层充填体位置回采。进路的规格、方向、长度都受到上层充填体的控制，可以大大减少进路超高、超宽及方向打偏的现象，提高了采场的生产效率。

双分层道布置方案有采矿方法灵活性高、作业面多、适合大型采装设备使用等优点，保留了传统六角形进路回采强度大、在不规则矿体中易布置采场、施工方便，开层速度快的优点。

3 六角形进路参数选择与稳定性分析

3.1 大断面六角形进路参数选择

3.1.1 六角形进路两帮坡角

六角形断面的合理性主要是分析帮坡角对顶板度的宽度影响程度。在进路间距L固定的情况下，帮坡角越小顶板宽度就越小，顶板就更安全。帮坡角最小坡度应确定为矿石的自然安全息角42°，因为帮坡角小于自然安息角就会给进路回采的矿石运搬带来难度。在此情况下进路顶板宽度最小，进路充填体的镶嵌结构最为明显，进路顶板就最安全。但是此时使得进路上半部充填体帮坡角也最小，如果接近顶板坡度0°，可视同为帮变顶，顶帮安全性或矿柱承载能力最差。当帮坡角达到最大90°时，进路为矩形断面，进路顶板宽度为最大，存在拉应力区，容易出现脱层，顶帮转角应力集中区系数大，进路两帮容易出现拉应力破坏片帮伤人，巷道稳定性较差。

综上所述，合理帮坡角应在45°～90°两种极限角度之间，在此区间有一特殊角即等边六角形，对应的帮坡角是60°。等边六角形断面在静水应力场中是最佳断面，但在进路式采场中的次生应力场中进路承受的是垂直应力，只有在边缘进路的边缘帮同时在承受水平和垂直应用。为了提高矿柱承受垂直应力的能力，应尽量增大矿柱的厚度，即增大帮坡角角度。因此，进路帮坡角应大于60°。考虑到充填体形成镶嵌结构，增加充填体自身承载能力，帮坡角不应大于70°，所以帮坡角应选择在60°～70°之间。

3.1.2 六角形进路断面高度

龙首矿六角形进路高度，在普采采场中由于不受采矿设备的限制，其高度主要是考虑施工方便程度和人工检撬的合理高度以及采矿效率的发挥，选择4 m的进路高度比较合理。但在机采盘区进路高度选择6 m，主要是为了保证采矿设备在分层道顺利通过。6 m高的进路给施工、撬碴带来了不便。因此机采采场的进路高度应选择4～5 m为宜，采场在布置形式上采用“双分层道布置方案”和“单分层道回填方案”，使分层道高度与进路一致，可方便大型设备的使用。

3.1.3 六角形进路断面宽度

进路宽度就是进路间距，如果间距愈小，进路宽度就愈小，当进路宽度小于高度时，其内切(或外切)椭圆的长轴方向与垂直应力方向一致，有利于承受垂直应力，使得进路顶板稳定状况较好，但此状况矿柱太薄弱，不利于分解顶板垂直应力的转移。如果间距愈大，进路宽度就愈大，当进路宽度大于高度时，其内切(或外切)椭圆的长轴方向与垂直应力方向垂直，不利于承受垂直应力，增加顶板拉应力区，造成不安全隐患。因此，应选择进路间距等于或近似等于进路高度，这样进路内切(或外切)椭圆就近似于圆，对承受地压最为有利(见图3)。同时，进路宽度的选择还应满足采场运搬设备要求。采场设备以铲运机对进路宽度要求最为重要，进路宽度太小，铲斗对进路斜帮破坏最大，容易铲掉底帮，将斜帮变为直帮，使进路呈“凸”字形结构。应该选择设备与进路帮的间距接近1m，才能方便设备的作业(见图4)。

综上所述，在正常回采情况下，最终选择的龙首矿西采区大断面六角形进路参数为：顶、底宽4 m，腰宽为6 m，高度5 m。选择的大断面六角形进路不仅满足采矿设备的使用要求，而且还有利于进路采场的稳定。图5为调整后的六角形进路采场。

图3 六角形进路高度与宽度对比

图4 铲运机与进路宽度对比(单位：mm)

3.2 六角形进路稳定性分析

为了分析大断面六角形进路的稳定性，在矿山工程地质研究的基础上，采用FLAC3D软件建模，进行大断面采场的稳定性分析，由此得到以下结论。

(1) 六角形断面合理参数遵循两个比例关系：一是进路高度与进路底宽之比为1.5～2.0，并尽可能取小值，以增大进路侧边角，利于矿石自溜，保证铲运机出矿顺利；二是进路腰宽与进路底宽之比为1.2～1.3，并尽可能取值小于1.25。进路高度5 m适用于双分层道、单分层道垫矿结构。

(2) 当六角形进路的顶、底宽均为4 m，腰宽为6 m和高度为5 m的大断面六角形进路，围岩的应力集中系数相对较小，采场稳定性较高，由此可以布置双分层道采准形式，提高采场机械化生产程度。

3.3 六角形断面进路形成

针对传统六角形采矿形成假顶周期长、劳动强度大的弊端。提出了首层采用隔一采一的方式，第二层回采结束后直接开帮形成六角形的雏形，第三层形成标准六角形断面的方法。根据下向六角形进路式充填采矿方法工艺特点，并结合龙首矿地质条件的特殊要求，第一层、第二层和第三层的采准切割和回采工艺各不相同。第一层为中段首采分层，承载较大的地应力，顶部是原岩，采用半圆拱形断面加强支护；第二层是过渡层，负责衔接首分层和标准的六角形断面进路；第三层形成全面人工假顶，进入正常有假顶六角形断面回采阶段。

3.3.1 首层进路回采布置

首层开采进路断面规格为5.0 m×4.0 m(宽×高)，断面形状为直墙半圆拱形，分层道断面规格为4.0 m×4.0 m(宽×高)，断面形状为直墙半圆拱形。分层道采用全断面双层喷锚网支护，喷层厚度200 mm；进路采用单层喷锚网。锚杆采用Φ18螺纹钢，长1.8 m，排间距1 m，网片采用Ф6.5 mm的圆钢点焊而成，网度150 mm×150 mm，垫板为200 mm×200 mm×10 mm的钢板，喷射混凝土厚度为200 mm，强度C20。

3.3.2 第二层进路回采布置

第二层下降层高2.5 m，穿脉分层道断面规格为5.0 m×4.5 m(宽×高)，进路断面规格为4.0 m×4.0 m(宽×高)，断面形状均为直墙半圆拱形。进路充填前对两邦矿柱进行开帮，开帮位置在首层充填体以下，开帮深度1.0 m，形成底宽4.0 m，腰宽6.0 m的倒梯形(见图6)。沿脉分层道规格为4.0 m×4.0 m(宽×高)，断面形状为矩形，由于充填前进行了矿石回填，开层后要彻底处理顶板的粘夹矿。

穿脉分层道采用全断面双层喷锚网支护；沿脉分层道掘进时对2.5 m以下原岩邦进行单层喷锚网支护，2.5 m以上由于在上分层已进行喷锚网支护，素喷加强支护；进路开口至5 m段位置及相邻柱矿进行单层喷锚网支护，5 m以后拱顶部分采用单层喷锚网支护。在作业过程中对锚杆注浆和喷射混凝土施工质量及安全状况加强检查，若发现混凝土裂缝或脱层及时采用金属拱架或架设抬棚支护。锚杆采用Φ18螺纹钢弯勾锚杆，长1.8 m(含弯勾)，排间距为1 m,网片采用Ф6.5 mm的圆钢点焊而成，网度150 mm×150 mm，喷射混凝土厚度为素喷50 mm；单喷100 mm；双喷200 mm，强度C20。

图6 第二层进路

3.3.3 第三层进路回采布置

穿脉分层道断面规格为顶、底宽4 m，腰宽6 m，高5 m的六角形断面，两帮原岩采用素喷支护。进路规格为顶、底宽4.0 m，腰宽6.0 m，高5.0 m的六角形断面(见图7)。凿岩时按设计好的眼位布置画好轮廓线、标定眼位，铲矿时严禁破坏进路两帮，确保规格。进路开口5 m后，对相邻进路之间矿柱及进路开口5 m段原岩帮采用单层喷锚网支护，锚喷支护参数同上。

图7 第三层进路

人工假顶形成过程中，第二分层回采是形成进路规格质量的关键。第二分层充填体是第三分层进路的上侧灰帮，第三分层进路回采时易根据灰帮定方向，当第二层方向有偏差，超挖欠挖时，势必影响第三分层进路规格质量。

通过该方法，第一层施工时为纯无假顶作业，第二层施工时只有顶部需要喷锚网支护，作业效率已经大幅度提高，第三层转入正常有假顶进路回采，假顶形成时间只有传统方法的一半，为采场的提前达产奠定了基础。

4 六角形进路爆破控制技术

传统六角形采矿方法中，进路高度为6 m，由于配套设施的不健全，在实际生产过程中，全掌子一次装药爆破非常困难，通常分上下两次凿岩爆破，先爆下部，后在矿堆上对上部进行凿岩爆破，多一次通风除尘时间和辅助作业时间，降低了作业效率，增加了爆破成本。为此开展了六角形进路爆破参数优化和控制爆破技术研究。

进路式回采落矿类似于巷道掘进，只有一个自由面，受围岩夹制力大，单循环爆破进尺小，落矿少，作业效率低。遇硬岩难爆矿体，爆破效果进一步恶化，循环进尺甚至不足1.5 m，严重影响生产效率，增加生产成本。爆破落矿作业中，凿岩辅助工作时间基本不变，若增加单循环进尺，则边际效益非常明显，因此提高单循环进尺，提高单循环落矿量，是高效采矿的重要保证。

根据西采区实际情况，针对矿体可爆性，制定不同参数的爆破试验，根据矿体可爆性简要分为难爆矿体与易爆矿体试验。

(1) 方案1(见图8)。2个倾斜孔和8个孔楔形复式掏槽。

1#炮孔向上、2#炮孔向下倾斜，与工作面角度为65°～75°，孔口距0.4 m，作为第一步起爆掏槽眼，抛出少量碎矿，主要起松动矿石作用，为楔形掏槽创造有利爆破条件，采用一段雷管；由于从上往下，受夹制力越来越大，越难以起爆，楔形掏槽眼水平距离由大变小。3-10#楔形掏槽眼水平朝中间倾斜，与工作面角度65°～75°，3#、7#炮眼水平距离1.4 m，6#、10#炮孔水平距离为1.0 m，3#～10#眼为第二步起爆掏槽眼，形成槽腔，为后继起爆创造自由面，采用三段雷管；辅助眼采用五段雷管，周边眼采用七段雷管；底眼距底0.2 m，顶眼距顶0.4 m，上侧周边眼距边界0.3 m，下侧周边眼距边界0.2 m。辅助眼眼距0.6～0.8 m。

图8 方案1布眼示意

(2) 方案2。8个孔楔形掏槽方案。方案2比方案1少中间两个掏槽眼，其他参数一样。

(3) 方案3。6个孔楔形掏槽方案。方案3在方案2基础上减少两个掏槽眼，辅助眼与周边眼数目不变，辅助眼位置稍作调整，使之分布均匀。

根据3个试验方案的试验结果表明，在硬岩矿体中，方案1最优；在软岩矿体中，方案3最优。根据实际矿岩条件采用优化爆破方案，炸药单耗降低14.6%，循环进尺提高21.1%。

5 结 论

(1) 发展新的分层道布置形式，使回采工艺更加灵活。研究提出了单分层道回填布置方案和双分层交错布置方案，改变了以往采场分层道只能布置在穿脉方向，采场必须采用后退式回采的问题。通过切割工程的多向布置，将采场划分为若干个回采区间，实现了采场回采区、备采区和充填区的分离，使作业方式更加灵活，一个采场内可同时作业的工作面大幅度增加，为提高生产能力创造了有利条件。同时，将穿脉分层道规格调整为与进路相同规格参数，当穿脉分层道顶板出现异常情况时，可对穿脉分层道充填后将相邻进路作为分层道，解决了传统方法分层道位置无法改变的问题。

(2) 实现进路与分层道等高，采矿生产更加安全高效。实现分层道和进路等高，避免了进路开口必须使用手动凿岩机挑顶的弊端，减少了作业环节，提高了作业安全性，便于凿岩台车连续作业，可充分发挥大型设备的优势。同时也有效解决了传统方法炮烟在进路上半部分聚集，自然通风无法排出进路上半部分炮烟，经常需要用高压风吹炮烟的问题。

(3) 通过数值模拟和现场试验优选断面参数。通过数值分析，选择六角形进路断面参数为顶、底宽4 m，腰宽6 m，高5 m。该进路参数与机采设备配套，施工效率高，安全性好。

(4) 快速形成人工假顶，缩短了采矿时间，采取产能稳步提高。根据下向六角形进路式充填采矿方法工艺特点，并结合龙首矿地质条件的特殊要求，回采第一层、第二层和第三层的采准切割和回采工艺各不相同。通过本次研究，第一层施工时为纯无假顶作业，第二层施工时只有顶部需要喷锚网支护，作业效率已经大幅度提高，第三层转入正常有假顶进路回采，假顶形成时间只有传统方法的一半，为采场的提前达产、提高效益奠定了基础。

(5) 大幅度提升采矿安全标准化水平。进路与分层道的等高布置减少了进路开口的挑顶环节，实现了台车连续作业，避免了挑顶造成破坏充填体或形成粘夹矿带来的安全隐患。切割工程的多向布置，将采场划分为若干个回采区间，实现了采场回采区、备采区和充填区的分离，减少了充填作业和回采工作的相互干扰，为采区标准化的提升创造了良好的条件。

(6) 降低采准切割工程，提高贫矿经济效益。直接利用现有系统工程，每隔垂高20 m不再掘进充填回风道，直接利用充填回风井接充填管进行充填，减少了大量掘进量，缩短了层回采周期。传统方法分层道断面小，掘进炸药单耗高于进路回采单耗，分层道和进路等高后，施工条件相同，炸药单耗也相应降低。西采区合计每分层可减少掘进量900 m/5200 m3，节省采矿成本380万元；降低万吨切采比15 m/万t，降低26%。按设计产能165万t/a计算，每年回采2.8层，可节省采矿成本达到1064万元/年。

[1]杨 震.金川公司龙首矿西采区贫矿开采地质资源研究[J].湖南有色金属2007，23(2):5-6.

国家高技术研究发展计划项目(SS2012AA062405).

2014-06-09)

王永定(1964-)，男,大学本科，工程师，甘肃秦安人，主要从事充填采矿技术与管理工作，Email：1205453179@qq.com。