矾山磷矿安全高效充填采矿综合利用先进技术

吕书平，常 伟，赵 海，吴 旭，王 超

(河北省矾山磷矿有限公司， 河北 张家口市 075641)

矾山磷矿安全高效充填采矿综合利用先进技术

吕书平，常 伟，赵 海，吴 旭，王 超

(河北省矾山磷矿有限公司， 河北 张家口市 075641)

充填采矿方法开采过程中存在着效率、成本、安全、贫化、损失之间的对立统一矛盾。阐述了矾山磷矿西区充填采矿方法的优化过程，并结合生产实际，论述了分段菱形矿房充填采矿方法的关键技术、工艺流程及应用前景，为该采矿方法的进一步深入研究和优化提供了技术参数和指导方向。

高承压含水层；采场结构参数；分段菱形充填采矿法；综合利用

矾山磷矿根据高、低水位分界线将矿区分为东、西两区，东区为低水位区，西区上覆高承压Q2含水层。由于该含水层为附近居民的生活及农业用水，以及地表有公路、耕地和果园等不允许地表塌陷及破坏Q2含水层，致使矿山一直未进行采矿。造成矿山东西区开采下降速度明显失衡，致使占矿区储量2/3以上的西区磷铁矿石资源不能开发利用，大大缩短了矿山服务年限，直接影响到矿山持续经营和发展。按原设计，东区到2017年将资源枯竭，而西区开发历时6年已达到目前的90万t/a，西区充填法采矿技术在保护地下水资源和生态环境的同时，实现了对西区矿体的安全高效开采，使长期不能开采的西区磷铁矿石资源(保有资源储量约3200万t)得到充分开发利用，显著提高了矿山经济效益，对矾山磷矿的可持续、和谐发展起到突出作用。

1 西区充填采矿方法及工艺优化过程

为了使矿山持续稳定发展，矿山提出通过改变采矿方法对西区矿体进行开采。即西区采矿改原设计的疏干崩落法为充填法，在确保回采安全的同时保护水资源和地表环境。矾山磷矿已经开采东区十几年，实践中积累了较多矿岩变化规律、岩石力学性质的研究成果，以及西区基岩面、分化带、Q2含水层厚度变化规律等第一手资料，具备实施充填采矿的技术优势。

1.1 西区采矿方法技术优化过程

西区从2008年开始进行项目配套工程的设计和施工，2010年7月份开始采矿方法试验，试验工作进展并不顺利，主要表现为矿岩层理、节理和裂隙发育，采场顶板不稳固，支护工作量大，如果工人在大面积暴露顶板下作业，作业安全条件差；因此，采矿工艺及采场布置形式多次被迫改变，先后由“点柱式”改为“垂直矿体走向留设连续间柱的房柱充填采矿法”，由于顶板暴露面积大又改为“上向水平分层两步骤充填法”，一步骤矿房宽为8 m，二步骤矿房宽为7 m，但此种采矿方法仍然存在人员在大面积暴露顶板下作业，作业条件没有得到改善。后又将“上向水平分层两步骤充填法”改为“上向水平分层高低进路”(见图1)以及“分段菱形矿房充填法”。从2011年7月份开始在437水平8-18#矿块进行“上向水平分层高低进路”充填法采矿方法实验；经过2年多的试验，在回采第一分层时作业条件还比较安全，支护量相对较少，但在回采第二分层时由于第一分层充填接顶率较低，导致顶板大面积暴露，地压显现严重，每掘进2 m，均需要支护，作业效率低，安全作业条件差，回采成本高，采矿方法被迫改变。在进行上向水平分层进路法采矿方法试验的同时，在425中段4-8#矿块进行了“分段菱形矿房嗣后充填采矿法”试验，经过近2年多的试验，确定了此种采矿方法比较适合矾山磷矿矿岩条件。

图1 上向水平分层高低进路采矿法

1.2 分段菱形矿房充填法采准工程布置

(1) 采用下盘脉外斜坡道采准，主要采切工程包括：分段沿脉联络道、分段采场联络巷、1#、2#凿岩巷、出矿进路、出矿联络道、充填通风回风井、矿石溜井、切割井联巷和切割井等。 采准工程布置首先确定分段沿脉联络道的位置，每个矿块分别布置两条溜井，溜井布置在下盘和出矿联络道位置，以此缩短掘进工程和回采出矿时铲运距离，提高出矿效率。然后每个矿块向矿体施工一条采场联络道，联络道到位后布置1～2条凿岩巷，第一分段布置一条凿岩巷，上部两个分段布置两条凿岩巷，每个矿块上下两个分段对应形成一个菱形回采单元。具体布置见图2。

(2) 矿块沿矿体走向布置，长为50～60 m，宽为矿体水平厚度，18～20 m，中段高度为45 m，分段高为10～12 m，矿块之间留设8 m宽的矿柱，在间柱内从上下两个中段之间布置了通风、充填、泄水斜井。矿块内按分段自下而上沿矿体倾向共计布置3个菱形矿房，高24 m，长25～52 m，宽为矿体水平厚度。底部结构布置在菱形矿房的底部，6～7条出矿进路和一条凿岩巷，形成装矿底部结构，由于矿山凿岩设备及装药设备的限制，在下部两个菱形矿房中央设计辅助凿岩分段，两个分段凿岩巷凿岩，底部凿岩巷切割“V”型堑沟作为受矿巷，联合出矿进路出矿，大大提高了回采率；矿房内残留矿石，利用遥控铲运机出净；矿房出矿结束后立即充填，保证空顶时间不超过4个月，并严格接顶，待充填体终凝后再回采上分段矿房，进入下一采充循环。在矿房回采之前从上部中段矿体下盘沿矿体走向布置加固巷，从加固巷垂直矿体倾斜方向沿矿房全长向上布置施工长锚索。

图2 分段菱形矿房充填法

试验期间不断进行采场结构参数优化和技术创新。对分段菱形矿房充填法矿房参数、底部结构、充填工程、充填灰沙比、采切比、顶板预支护、出矿设备改进等进行了优化，降低了采切比和采矿成本，提高了出矿效率和出矿的安全性；对充填参数和充填灰沙比进行优化，提高了充填接顶率、降低了充填成本。

经过现场工业试验和近几年采矿方法的不断优化，西区充填法采矿试验取得了成功，不仅实现了西区高承压水下安全采矿的目的，同时也在逐步优化采矿方法、降低采矿成本、提高生产效率等方面进行了大量的研究工作。西区回采截止到2015年底共计回采工业矿体矿量251.24万t，矿化围岩85.27万t，为矿山产能的提升和持续稳定发展奠定了基础。西区采矿成本从2012年平均150元/t降低至2015年90元/t。充填成本从2012年的25元/t降低至2015年的12元/t。主要指标见表1。

表1 分段菱形矿房充填采矿法主要技术经济指标

2 分段菱形矿房充填法关键技术和设备

(1) 保安矿柱安全合理厚度确定技术。在矿岩物理力学参数测试、工程地质调查研究、岩体质量评价及岩石力学参数工程处理等基础上，通过岩土工程三维应力分析数值模拟软件，对护顶隔离矿柱合理安全厚度和东西区隔离矿柱宽度进行了优化研究；确定：三层矿体均开采时护顶矿柱的厚度值数值模拟结果为121 m；两层矿体开采时护顶矿柱的厚度值数值模拟结果为76 m。通过数值模拟计算，得到东西区隔离矿柱的最小安全宽度值为16.46 m。

(2) 保安矿柱加固技术。为防止矿体开挖后产生顺层抽冒现象，在保安矿柱底部垂直矿体真厚度方向，按照排距3 m，每排3根，长度18～25 m的长锚索进行加固，进一步提高保安矿柱强度。

(3) 原有地质勘探钻孔封孔检查与堵漏技术。原地质勘探因控制矿体需要，都穿过了含水层和矿体，若原地质钻孔未封孔或封孔质量不合格，地质钻孔将成为导水通道，对采场生产构成威胁。采用手持GPS对全部地质勘探钻孔进行地表位置定位，筛查出未封孔或封孔质量不合格的钻孔，在地表采取水泥注浆方式对其进行处理。

(4) 物探探测导水构造技术。除未封孔或封孔质量不合格的地质勘探钻孔可能构成导水威胁外，地质构造是可能导水的最大隐患；在地表采用电法物探手段，查明较大可能导水构造，结合井下井巷工程对其进行处理：预留保护矿(岩)柱。

(5) 充填接顶技术。分段菱形矿房回采完毕后形成的采空区主要采用从上部充填巷道每隔15 m施工充填钻孔,保证充填料浆多点下料、多次充填、分区接顶工艺；接顶层提高充填料浆浓度，适当提高灰砂比；在矿房顶部提前施工充填巷道，采场爆破后和充填巷道贯通，利用充填料浆和采空区的高差等措施提高接顶率。

(6) 高精度导爆雷管和爆破振动测试仪的应用。采用高精度导爆管对采场进行爆破并定期采用爆破振动测试仪测试爆破振动，不断优化爆破参数，有效控制了西区单响药量，提高了爆破效果，大大降低了对地表居民区及Q2承压水层的扰动，保证了西区矿体的安全回采。

(7) 遥控铲车的引进与应用。鉴于西区分段菱形矿房充填采矿法的回采性质，单个矿块回采到后期后，顶板暴露面积约为900 m2，空区长度为30 m，此时如果单单依靠电动铲运机进行出矿，在不进入空区的情况下，损失率较高，不能满足出矿需求，针对此问题，引进了国产遥控铲运机，大大提高了矿石回采率，提高了经济效益，同时确保了井下工人作业的安全。

(8) 空区探测仪的应用。矾山磷矿于2014年1月份引入了VS150-MK3三维激光扫描仪，经过一段时间的实践应用，三维激光扫描技术确实对矿山的生产及安全具有很好的指导意义。采用三维激光扫描仪可以准确测算出采空区的体积，为下一步充填设计的完善和充填量的计算和C料量的准确计算以及爆破参数的优化和控制贫化率等提供了技术支持。

(9) 进口和国产液压台车的引进与应用。由于原施工中孔设备均为YGZ-90钻机，施工中孔精度差，效率低，产生大块较多，为了解决此问题，引进了施工中孔精度更高的进口液压simber1253凿岩台车及国产华泰HT凿岩台车，引进设备后经实践液压1253凿岩台车凿岩效率为120 m/班，国产华泰凿岩台车为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 结 论

(1) 研究提出了充填法采矿、矿柱支撑与位移变形监测多元化保护Q2含水层协同开采技术。本研究在采区和中段之间留有适量的保安矿柱，其能非常有效支撑围岩和采场顶板，控制位移变形。位移和变形监测能检验充填体和矿柱的支撑效果，预报安全隐患。

(2) 研究开发了分段菱形矿房尾砂胶结充填采矿法，该采矿法是结合崩落法和充填法以及矾山磷矿西区矿体形态而研究开发的采矿方法，为国内外首创。该采矿方法的创新充分利用了无底柱分段崩落法的出矿结构，实现了分段空场采矿，嗣后充填空区，既有崩落法的采矿高效率，又具有充填法的安全性。

(3) 回采单元设计为菱形块体，回采后空区顶板形状近似拱形，利用了拱形巷道受力结构好的特点，也提高了矿房顶板的稳定性。采用计算机三维有限元数值模拟方法，建立矾山磷矿井下开采数学模型，对多种可能的采场结构参数、采空区暴露面积、矿柱尺寸、顶板隔离层厚度以及回采过程中的应力、应变和位移变化等方面进行数值模拟分析，为采矿方法选择、开采顺序优化、顶板隔离厚度确定等提供了理论依据。通过数值模拟和试验，确定了矿柱安全尺寸、采矿方法的主要结构参数及适合于该采矿方法的充填工艺，有效防止了顶部高承压含水层可能导致的危害。

(4) 该采矿方法设备、人员不直接在暴露面积较大的采场顶板下作业，作业安全条件较好；生产效率高，劳动强度小；充填成本低，充填接顶率高、质量好。采用遥控出矿设备，实现了空场条件下的安全高效出矿。

(5) 建立了适合矾山磷矿特点的地压监测网系统。包括井上井下沉降观测系统，微震监测系统。为矾山磷矿地压活动控制与安全管理提供了可靠的依据。

(6) 竖井充填钻孔管路耐磨技术研究，彻底解决充填钻孔磨损快的问题，提高了充填钻孔的使用寿命，保证了充填的及时性。

(7) 延长矿山服务年限，维持企业和矿区和谐发展。矾山磷矿随着近几年西区采矿的成功，增加可采矿量3200万t，按目前的采矿规模矿山服务年限可新增14 a，更重要的是能够稳定职工工作和生活，使职工安居乐业，实现职工与企业的和谐发展。

矿区周边为国家葡萄种植产业示范园区，所在地也是历史文化悠久的旅游保护区，西区充填法采矿能有效地控制采场顶板大面积沉降和塌陷，防止Q2隔水层和护顶隔离矿柱破坏，能够有效保护高承压水的安全，保护地下水资源和生态环境，使矿区周边环境不被破坏，地表耕地、路面等不沉降。实现矾山磷矿西区矿体安全高效开采的同时，示范工程对于矿区生态环境保护具有积极的现实意义。

矾山磷矿西区 Q2高承压含水层下采矿方法的试验成功在国内化学矿山或者其它类似矿山行业中，缓倾斜、中等稳固围岩、中厚以上赋存条件的磷矿山或者其它矿岩条件破碎的矿山可推广或借鉴。分段菱形矿房充填法采矿，生产成本低，安全高效，工艺易于掌握，生产组织方便，为国内外类似矿山提供了开采经验。

[1]刘同有.充填采矿技术与应用[M].北京:冶金工业出版社,2001.

[2]邱贤德,黄木坤,王心飞，等.数值计算在采空区稳定性评价中的应用[J].矿山压力与顶板管理,2002,19(4):105-107.

[3]张荣林. 北矿区采空区稳定性及对下部矿体安全开采影响[J].金属矿山,2003,5(2):10￣11.

[4]古德生,李夕兵.现代金属矿床开采科学技术[M].北京：冶金工业出版社,2006.

[5]长沙矿山研究院有限公司.矾山磷矿西区安全开采技术研究总结报告[R].张家口：河北省矾山磷矿有限公司,2012.

王 耀(1982-)，男，硕士，采矿高级工程师，主要从事采矿技术工作。

2016￣10￣17)