谦比希东南铜矿缓倾斜矿体充填法开采研究

张爱民，刘育明，郑学敏，马俊生，张金钟

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.中色非洲矿业有限公司，赞比亚 基特韦)

1 前言

针对倾角15°～35°、厚度10～30m的缓倾斜薄至中厚矿体开采，由于矿体倾角较缓，矿石无法通过自溜出矿，若采用机械搬运或扒运，则采场空顶较高，顶板管理困难，存在安全隐患。另外，采场空间受限，难以实现无轨设备的高效开采，因此，此类矿体开采一直被认为是世界性采矿技术难题[1-2]。

据统计，目前常用的方法为房柱法(占50%)、分层充填采矿法(占30%)和分段空场嗣后充填法(占20%)等。房柱法开采缓倾斜中厚矿体时，由于倾角超过铲运机爬坡角度，往往需要伪倾斜(或斜坡道)布置出矿巷道，但由此增大了铲运机的运距，降低了其运行效率，且一般凿岩为浅孔布置，铲运机出矿效率较低，留设的矿柱损失率大、采空区应力集中在矿柱内，安全风险较高。分层充填采矿法应用较广，尤其是针对品位较高的矿床开采，为提高矿石回收率和控制岩移及顶板压力，越来越多的矿山采用分层充填采矿法，但此种采矿方法无法一次采全厚，需分多次进行采、充作业工序，采场生产效率较低。采用中深孔凿岩的空场嗣后充填法既能一次回采矿体全厚，又能提高铲运机的出矿效率，是解决缓倾斜中厚矿体开采的发展趋势。

2 开采技术条件

谦比希铜矿位于中南部非洲赞比亚共和国铜带省，铜矿带长约150km，宽约50km，铜矿带内矿床赋存于浅棕色组沉积岩中，是世界上大型沉积矿床之一。其中东南矿区为谦比希铜矿的一个主要矿区，其矿体为缓至中厚矿体，品位偏低，埋藏深度大。矿区采用分期建设方案，一期工程开采1#矿体0线以北部分。

1#矿体赋存于浅变质泥岩、砂质板岩中，呈层状产出，矿体走向北西，倾向北东，矿体沿走向长2 700m，沿倾向宽569～1 237m，矿体沿走向、倾向延伸较稳定。矿体厚度2.32～23.73m，平均厚度8.12m。倾角5°～20°，局部有变化。矿体埋深在500～1 040m，矿石主要为硫化矿。

矿区顶板为石英岩、变质砂岩互层，层厚在11～75m，岩体完整，局部为基本完整。矿层直接底板主要为下盘石英岩和下盘砾岩，局部地段为白云岩或基底片麻花岗岩。

矿体为弱含水层，从探矿巷道揭露的情况看，矿层基本上不含水，但矿区上部覆岩有多个含水层。

针对东南矿区0线以北的矿体，以160～200m划定盘区，从东往西依次划为1#～5#盘区，各盘区倾角和厚度见表1，本次选定首采的3#盘区(标高为985～1 045m水平)为采矿方案布置研究区域。

表1 各盘区矿体倾角和厚度

3 采矿方法选择

根据开采技术条件，结合谦比希主西矿体的开采经验[3-4]和东南矿体的前期相关研究[5]，适合东南矿体北采区3#盘区的采矿方法包括预护顶进路分段空场嗣后充填法、进路分段空场嗣后充填法、进路阶段空场嗣后充填法。

为满足矿山的高效安全开采要求，三种采矿方法均采用中深孔凿岩，条形进路布置，进路暴露面积满足Mathews稳定性分析的要求，回采矿石采用铲运机出矿。

3.1 预护顶进路分段空场嗣后充填法

将矿块划分为盘区，以盘区为回采单元组织生产。盘区沿矿体走向布置，每个盘区长200m，盘区间预留20m间柱。每个盘区内划分为2个矿块，矿块宽80m，矿块内留20m间柱，每个盘区共用1个溜井，矿块高50m，矿块厚度即为矿体厚度。矿块划分为4个条形进路采场，采场宽度12.5m。分段高度为15～20m。

分段巷道布置在下盘脉外，通过采区斜坡道与上下连通，从分段巷道向矿体方向掘进出矿进路，单条出矿进路服务2个条形采场，由下至上回采。

回采前，在采场顶部通过上分段的充填联络道进行切顶或护顶层，在护顶层内采用管缝式锚杆或金属网，部分采场采用下向护顶锚索支护。其采准布置如图1所示。

1-中段沿脉；2-穿脉；3-采准斜坡道；4-分段联络道；5-分段巷道；6-出矿巷道联络道；7-出矿巷道；8-出矿进路；9-凿岩巷道；10-溜井；11-护顶层及充填联络道；12-护顶及充填巷道；13-护顶锚索图1 预护顶进路分段空场嗣后充填法

回采时，凿岩采用中深孔凿岩台车在分段凿岩巷道内凿上向扇形炮孔，采用粒状铵油炸药和非电导爆系统起爆。

单分段内进路采场内自下而上依次回采，分段之间可间隔式回采。

采场凿岩完毕后，集中装药爆破。爆下的矿石用14t柴油铲运机通过进路出矿，卸至盘区溜井。

分段采场内矿石全部出完后，集中一次充填，采用灰砂比1∶10～1∶15的全尾砂胶结充填。

3.2 进路分段空场嗣后充填法

将矿体划分为盘区，以盘区为回采单元组织生产。盘区沿矿体走向布置，每个盘区长180m，盘区间预留10m间柱。每个盘区内划分为2个矿块，矿块宽80m，矿块内留10m间柱，每个盘区共用1个溜井，矿块高50m，矿块厚度即为矿体厚度。矿块划分为3个条形采场，采场宽度12m。充填通风联络道布置在间柱内，其角度为8°，到达采场顶部，并通过充填通风天井与各条形采场相连通，分段高度为14.5m。

分段巷道布置在下盘脉外，通过采区斜坡道与上下分段连通。从分段巷道向矿体方向掘进出矿进路，在采场底部掘进凿岩巷道。其采准布置如图2所示。

1-中段沿脉；2-穿脉；3-采准斜坡道；4-分段联络道；5-分段巷道；6-出矿巷道联络道；7-出矿巷道；8-出矿进路；9-凿岩巷道；10-溜井图2 条形进路分段空场嗣后充填法

回采时，采用中深孔凿岩台车在分段凿岩巷道内凿上向扇形炮孔，采用粒状铵油炸药和非电导爆系统起爆。单分段内进路采场自下而上依次回采，分段之间可间隔式回采。采场凿岩完毕后，集中装药爆破。爆下的矿石采用14t柴油铲运机出矿。

待分段采场内矿石全部出完后，集中一次充填。充填管从采场上盘的充填通风井，架设至采场顶部，同时，在出矿进路内安设好泄水管，并打好隔墙。采用灰砂比1∶10～1∶15的全尾砂胶结充填。

3.3 进路阶段空场嗣后充填法

将矿体划分为盘区，以盘区为回采单元组织生产。盘区沿矿体走向布置，每个盘区长200m，盘区间预留10m间柱。每个盘区内划分为若干个条形采场，每个条形采场宽12m，长80m，高为矿体垂直厚度。出矿巷道沿矿体倾向布置在矿体脉外底层，连接各条形采场的底部凿岩巷道。盘区间柱内靠矿体上盘脉内布置充填通风联络道，通过充填通风联络道连接各进路采场。其采准布置如图3所示。

1-中段沿脉；2-中段穿脉；3-出矿中段；4-采准斜坡道；5-出矿穿脉；6-出矿巷道；7-凿岩巷道；8-充填通风巷道；9-通风切割天井；10-溜井图3 进路阶段空场嗣后充填采矿法

回采时，采用中深孔凿岩台车在凿岩巷道内凿上向扇形炮孔，采用粒状铵油炸药和非电导爆系统起爆。中段内进路采场自下而上依次间隔式回采。

采场凿岩完毕后，集中装药爆破。爆下的矿石用遥控铲运机，通过出矿进路，卸至盘区溜井。

进路式采场回采结束后，集中一次充填。采场内安设好泄水管，打好隔墙。采用灰砂比1∶10～1∶15的全尾砂胶结充填。

4 主要技术经济指标对比

对提出的三种采矿布置方案进行技术经济对比，其对比结果见表2，各方案优缺点见表3。

表2 三种采矿方法主要经济指标对比

注：主要材料成本数据依据现场实际单价。

表3 三种采矿方法主要经济指标对比

经过比较，从贫化率、损失率、采准布置、废石产出比例、综合成本等方面分析，方案1虽然具有采切工程量大、损失率高等不利因素，但是由于该方案采用顶板锚杆护顶、底部侧向进路出矿，作业更加安全；同时该方案采用中深孔凿岩具有采场能力大，顶板控制更加有利于降低贫化率，保障出矿品位，故结合谦比希铜矿开发的当地环境，从采场顶板管理和采场出矿的安全性考虑，针对开采深度超过千米的3#盘区开采，最终确定选择预护顶进路分段空场嗣后充填法。

5 结论

结合谦比希东南铜矿的实际开采技术条件，考虑矿体赋存形态、采场安全、铲运机效率、作业环境安全等因素，针对北部矿体倾角厚度大于10m、平均倾角22°的3#盘区，确定采用预护顶进路分段空场嗣后充填采矿法。在矿山开采实际采准工程布置中，还需要结合矿体赋存条件变化、地应力大小、回采顺序调整等情况进一步优化该采矿方法的布置形式和结构参数。