多矿脉上向水平分层充填采矿法的优化分析

石 勇

（金诚信矿业管理股份有限公司，北京 101500）

上向水平分层充填采矿法是上向分层充填采矿法中的一种，与其对应的还有一种采矿方法为上向倾斜分层填充采矿法，是矿产资源开采中常用的一种采矿方法，对开采工作面进行分层开采，将矿石采出部分用填充物进行填充，保证开采工作面的稳定性和矿山地质结构完整性。按照开采单元的大小，上向水平分层充填采矿法可分为矿块上向分层充填采矿法和盘区上向分层充填采矿法，当矿房和间柱的布置是垂直于矿体走向时，多采用盘区上向分层充填采矿法，每个盘区包含多个矿房和间柱，并且一条斜坡道为一个盘区服务；当矿房和间柱的布置是沿着矿体走向时，多采用矿坑上向分层充填采矿法。按照采矿工作面中是否存在点柱，又可以将上向水平分层充填采矿法分为有点柱分层充填采矿法和无点柱分层充填采矿法，点柱的作用是用于支撑采矿空间顶板，其外形呈圆柱形或者方柱形，直径在6m~9m之间。上向水平分层充填采矿法具有难度低、易实施、成本低等多个优点，其适用于开采矿石、围岩比较稳固的矿体，已经被广泛应用到矿产开采领域中。随着工业化和城市化进程的不断加快，人们对于矿产资源的需求呈现出持续上升的状态，目前大部分埋深浅、易开采的矿山资源已经基本开采完毕，为了增加矿产资源储备量，国内加大了对多矿脉的开采力度，多矿脉地质结构复杂，具有较大的开采难度，上向水平分层充填采矿法在实际应用中，采矿顶板下沉量较大，严重威胁了采矿安全，为此提出多矿脉上向水平分层充填采矿法的优化分析。

1 多矿脉上向水平分层充填采矿法的优化设计

多矿脉是一种以板状为主、矿体形状不规则、围岩稳定性较差的矿床，并且经常与矿床地层形成一定的角度，上向水平分层充填采矿法在对多矿脉开采实际应用中，采矿参数、填充材料选取和配比仍然沿用普通矿床上向水平分层充填采矿方法，并没有考虑到多矿脉开采需求和地质特点，这也是上向水平分层充填采矿法应用过程中采矿顶板严重下沉的主要原因。针对多矿脉地质特征和开采需求，对上向水平分层充填采矿法进行优化分析，主要是对采矿参数和填充材料方面优化，下文将重点对该两方面进行优化分析。

1.1 多矿脉上向水平分层充填采矿参数优化

在一般情况下，上向水平分层充填采矿方法在应用过程中，采场的宽度为18m，采场的长度为75m。该采矿参数的选取是在矿床地质结构稳定的前提下，可以搭建过宽或者过长的采场，但是多矿脉地质结构多受到断裂、褶皱、断层等构造影响，导致多矿脉地质结构稳定性极差，如果采场宽度、长度等采矿参数取值过大，将会出现塌陷、采矿顶板下沉等现象[1]。根据以上分析，多矿脉上向水平分层充填采矿参数优化是主要优化内容。为了确定准确的开采参数，需要对多矿脉矿柱安全系数进行计算分析，其计算公式如下：

公式（1）中，L 为矿柱抗压强度，多矿脉矿柱抗压强度为65MPa；D 为采场宽度；H 为采场长度。将采场宽度取值为13 m、14 m、15 m、16 m、17m，采场长度取值为50m、55 m、60 m、65 m、70 m带入上述公式中，分别计算出不同采场参数下，多矿脉矿柱的安全系数，计算结果分别为2.3K、2.5 K、2.1 K、2.0 K、1.8 K。根据多矿脉矿柱的安全系数计算结果，将多矿脉上向水平分层充填采矿参数优化，将采场宽度调整为8-12m，采场长度调整为55m，以此完成多矿脉上向水平分层充填采矿参数优化。

1.2 多矿脉上向水平分层充填采矿法填充材料优化

上向水平分层充填采矿法的填充材料主要以分级尾砂为主，分级尾砂原料主要来源于矿山开采的废渣和废料中，通过对废旧砂石进行分级，选取出37um以下的物体作为填充材料[2]。在一般普通矿山开采中，以分级尾砂作为主要填充材料，就可以满足对矿产工作面的支撑需求。但是多矿脉地质结构不规则，颗粒直径比较小的分级尾砂抗压强度比较低，物理性能较弱，并不能满足多矿脉工作面支撑需求，因此需要对填充材料进行优化。与分级尾砂对应的是全尾砂，全尾砂是没有经过分级的矿石材料，其粒级比分级尾砂大，物理性能方面要优于分级尾砂，下表为分级尾砂填充物与全尾砂填充物物理性能对比。

表1 分级尾砂填充物与全尾砂填充物物理性能对比

从上表中可以看出，全尾砂矿压强度要优于分级尾砂，因此在多矿脉上向水平分层填充开采中将分级尾砂填充材料更改为全尾砂，提高填充物的物理性能[3]。除此之外，为了使填充物的抗压强度更高，还需要对填充物的配比进行优化[3]。传统填充材料配比为：尾砂、水泥、水、减水剂的比例为6:2:1：1,这种配比配置的填充物扩展度为250mm,塌落度为140mm，抗压强度为19.8PMa,《多矿脉采矿技术规范》中要求填充材料的塌落度在130±15mm，扩展度在100±45mm，抗压强度不得低于40 PMa，由此可以看出传统填充材料配比并不满足多矿脉采矿技术要求。据有关研究资料中阐述，填充材料的抗压强度、扩展度以及塌落度与水泥掺量有关，因此选取三种不同水泥配比，测试填充材料的物理性能[4]。测试结果显示：尾砂、水泥、水、减水剂比例为5:3:1：1，填充材料扩展度为100mm,塌落度为80mm，抗压强度为24.6PMa；尾砂、水泥、水、减水剂比例为4:4:1：1，填充材料扩展度为80mm,塌落度为50mm，抗压强度为45.4PMa；尾砂、水泥、水、减水剂比例为3:5:1：1，填充材料扩展度为150mm,塌落度为130mm，抗压强度为21.9PMa。根据以上测试结果，将多矿脉上向水平分层填充材料配比优化为：尾砂、水泥、水、减水剂比例为4:4:1：1。

此外在填充材料制作过程中，添加适量药剂，可以使填充材料质量浓度为70%的全尾砂浆沉降特性得到明显的改善，同时在每立方米中70%的质量浓度的全尾砂浆中增加药剂也可使清浊界面得到快速的沉降。再向立式砂仓中添加适量的药剂可以实现砂浆的动态沉降，实现在输入砂浆的过程中，将填充材料完全溢出填充，从而有效控制采矿顶板的下沉。通过以上对采矿方法的调整，实现多矿脉上向水平分层填充采矿法的优化。

2 实验

2.1 实验设计

实验以某多矿脉为实验对象，该矿脉面积约4562m²，长度约268m，矿体深度为1168m~1545m，矿山内含丰富的铜、金、铁等矿产资源，矿石类型以石英脉型为主，次为硅质岩型和花岗斑岩型，开采难度比较大。实验分别使用传统上向水平分层填充采矿与优化后的采矿法进行采矿，矿洞填充材料分别选取分级尾砂和全尾砂，填充材料按照上文提出配比进行调配，开采过程中记录开采顶板的下沉情况。

2.2 实验结果分析

实验以采矿顶板下沉量作为实验结果，随机选取十个采矿区域顶板下沉数据，对优化前后多矿脉上向水平分层填充采矿法进行对比，实验结果如下表所示。

表2 优化前后采矿顶板下沉量（mm）对比

从上表中可以看出，应用优化后的多矿脉上向水平分层填充采矿法采矿顶板下沉量明显低于优化前，传统采矿法采矿顶板下沉量在2.15m~6.85mm之间，平均下沉量为4.12mm，而优化后的采矿方法顶板下沉量在0.09~0.14范围内，平均下沉量为0.11mm，实验证明了此次提出的优化方案具有良好的实用性，可以有效解决采矿顶板的下沉问题。

3 结束语

上向水平分层充填采矿法的应用对多矿脉或者其他复杂矿脉开采质量具有重要作用，本文针对目前现有的上向水平分层充填采矿方法中的缺点和不足，对其进行合理优化，改善其在多矿脉开采应用中采矿顶板下沉量较大的问题，有效保障了多矿脉开采安全，并且可以在一定程度上提高多矿脉采矿工程的质量和矿产资源的利用率。但在该采矿方法中仍然存在其他某些方面的问题，制约着多矿脉采矿的效率和速度。因此，还需不断对上向水平分层充填采矿法进行优化研究，从而提高对矿产资源的利用率，使多矿脉采矿工程更加规范化，促进采矿企业的发展。