阿尔哈达尾砂胶结体下回采顶柱研究与应用

吴维成，吴宝林，高松涛

（1.锡林郭勒盟山金阿尔哈达矿业有限公司，内蒙古 锡林郭勒 026300；2.华恒能源有限公司，山东 烟台 265700；3.山东黄金矿业股份有限公司新城金矿，山东 烟台 261438）

锡林郭勒盟山金阿尔哈达矿业有限公司（下称阿尔哈达铅锌矿）位于内蒙古锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗满都镇辖区内，东乌旗的北东方向，距离东乌旗约225km。矿区地处内蒙古高原，地表植被发育的丘陵区,海拔高度一般在920m～1060m之间，该区属典型的大陆性季风气候。现有采选能力3000t/d,地下开采。

1 地质概况

矿区位于东乌旗褶皱束额仁高毕复式向斜的东南翼，受多期构造运动影响，区内褶皱、断裂以及节理、劈理构造发育，后期构造对早期断裂构造的叠加改造作用强烈。矿区内有三条大的含矿脉带，Ⅰ号矿脉带是矿区主要的含矿脉带，该带由沿北西向断裂中一系列规模不等的断层充填矿化形成[1]。

2 采矿基本情况及存在的问题

2.1 采矿基本情况

2015年以前，阿尔哈达铅锌矿采用空场法采矿，采场多为无底柱底部结构，受铅锌金属市场价格低迷及空场法采矿损失贫化两率指标影响，矿山生产经营一度遇到困难。2015年4月，矿山从768m中段开始对Ⅰ号矿脉带主矿体进行采矿方法改造，上向水平分层尾砂充填法和上向水平分层胶结充填法成为矿山主要应用的采矿方法。

2.2 采矿存在的问题

矿山经过多年开采，空场法和充填法采矿遗留的矿柱矿量占地质储量很大比重，仅768m～688m三个充填法采矿改造中段保留的顶柱矿量已接近20万吨,这部分矿石品位相对高、价值大。随着矿山生产能力不断提升，开采向深部伸展和生产系统的结构调整，为保证矿山稳产和持续发展，上部中段遗留的矿柱需要尽快回收。如何安全高效回收这部分资源，提高资源利用率是采矿过程急需解决的问题。

3 采取的措施

2019年3月，矿山开展充填法采场矿柱回采研究，并首选728m中段7219采场顶柱做为试验对象。

3.1 研究对象地质概况及周围采场情况

7219采场位于728m中段19线～23线，采用上向水平分层尾砂充填采矿法开采，采场沿矿体走向布置，走向长度70m,赋矿原岩多为凝灰岩，局部夹有板岩，矿体呈脉状，走向西北、倾向南西，倾角48°，矿体上盘构造明显稳固性一般，矿体及下盘较稳固。顶柱矿体实测高度6.2m（原设计采场预留5m顶柱）,水平厚度5.5m,品位Pb+Zn=5.18%，地质储量7232t，金属量374.6t；7219采场周围全部为充填法采场，均结束回采，采场顶柱上部对应768m中段7617采场，7617采场原为无底柱浅孔留矿法采场，改造为上向水平分层尾砂充填法采场后，已于2018年10月回采结束。7617采场改造时，采场底部施工了2m厚的无钢筋分级尾砂胶结体人工假底，人工假底由灰砂比1∶4和1∶10的分级尾砂胶结体两部分组成，胶结体上下部分厚度各1m。

3.2 采矿方法的选择及采场结构参数

3.2.1 采矿方法选择

顶底柱系岩体应力集中区，稳定性差，采场直接顶板为人工假顶（上中段采场人工假底），采场的稳定性主要依靠人工假顶的承载强度，假顶在水平应力和垂直应力作用下发生弯曲，当应力达到强度临界值时发生断裂破坏[2]，结合类似矿山的开采技术经验和有关研究，顶柱回采试验选用上向小进路充填采矿法[3，4]。

3.2.2 采场结构参数

（1）进路几何尺寸。根据进路法回采顶柱其顶板安全厚度的相关研究数据[5]，顶板安全厚度（顶柱保护层厚度）达到3m时，沿走向布置进路长度宜控制在35m以内，进路宽度宜在(2～3.5m)取值，综合考虑试验采场顶柱矿体厚度、产状及损失贫化等因素，确定进路宽度2.6m，高度2.6m。

（2）顶柱安全保护层厚度。顶柱采场预留1m原岩矿柱，原岩矿柱与7617采场2m厚的无钢筋分级尾砂胶结体人工假底构成顶柱回采安全保护层，保护层总厚度3m。

（3）回采高度及进路布置。顶柱采场回采高度5.2m,由两个分层回采，分层高度2.6m,各分层划分两条进路，进路沿矿体走向布置，单侧进路回采长度35m。

3.2.3 采准切割工程

主要有脉外斜坡道、分层联巷、切割巷、脉外溜井、溜井联巷、充填小井等，顶柱采场脉外溜井仍利用原采场的脉外顺路溜井，脉外斜坡道沿顶柱采场中心线垂直矿体走向布置，连接768m中段21线穿脉巷和顶柱分层联巷，斜坡道坡度17.63%，下坡施工，充填小井布置在采场两翼。回采方案见图1。

图1 上向小进路充填法回采顶柱方案

3.2.4 回采前准备及施工顺序

（1）回采前的准备：①7219采场最后一分层结束后，在采场内矿体两翼分别施工一个充填小井，贯通768m中段穿脉巷，封闭原采场内的顺路人行泄水井，对原采场的脉外溜井联巷、溜井硐室进行挑顶，顺路架设脉外溜井至顶柱底板水平。②接顶充填采场空区，先进行分级尾砂充填，后采用分级尾砂胶结充填0.8m，要求胶结体充分接顶，胶结体灰砂比1∶4。③采空区接顶充填后，下掘脉外斜坡道至顶柱底板水平，施工分层联巷、切割巷控制矿体，施工溜井联巷贯通脉外顺路溜井，完成顶柱回采前的准备工作。

3.2.5 施工顺序

（1）顶柱采场分层间自下而上逐层回采，同一分层内进路由上盘向下盘逐条回采。

（2）一分层（下面分层）回采，由切割巷向矿体两翼前进式进行。

（3）二分层（上面分层）采用短进路回采，以减小顶柱安全保护层的暴露面积和缩短空顶时间。先由切割巷向矿体一翼推进，一翼进路结束回采并接顶充填后，再由切割巷向矿体另一翼推进。

（4）进路由切割巷向矿体两翼控制3‰上坡回采，并与充填小井施工贯通，使充填小井底板略高于进路顶板，便于充填充分接顶。然后后退式扩采进路上下盘的三角矿体，直至设计回采边界。

3.2.6 主要回采工艺

（1）凿岩爆破。YT28型气腿式凿岩机凿岩，使用2#岩石粉状乳化炸药，非电毫秒延期起爆，延期间隔50～100毫秒，以降低爆破对顶柱安全保护层和相邻进路胶结充填体的破坏。同时采用光面爆破技术，光爆炮孔孔间距0.6m,光爆层厚度0.8m,炮孔密集系数m=0.75,光爆层线装药密度q=0.1～0.2kg/m[6],以消除进路顶板应力集中。

（2）通风。采用混合式局部通风，压入式局扇将新鲜风流经采场下盘斜坡道送入工作面，污风由抽出式局扇经采场下盘斜坡道送入768m中段回风系统。

（3）顶板管理。一分层回采进路主要采用管缝式锚杆联合钢带支护，锚杆网度1.5m×1.5m。二分层回采过程，使用YT28型气腿式凿岩机施工超前探孔(孔径∮38mm),控制顶柱安全保护层预留的原岩矿柱厚度，不得超采。同时考虑到上部人工假底胶结体厚度的不均匀性，及时跟进金属支架支护，以增强顶柱安全保护层的承载荷能力，提高安全保护层的稳定性。金属支架与回采进路掌子面间空顶距不得超过2m,金属支架现场加工制作，材料为16号矿用工字钢，支架间距1.5m～2m,支架间采用金属梁连接，支架顶部与岩体间充填圆木或背板接顶。

（4）出矿。WJD-1型电动铲运机运搬矿石至采场脉外顺路溜井，728m中段振动漏斗放矿后，电机车运输至27线主溜井卸载。

（5）充填。进路回采结束立即清理散矿，架设充填管路、安设泄水笼、构筑钢网板墙封闭进路口，利用充填小井对进路及时接顶充填。为充分接顶，一次充填结束后，间隔24小时再进行补充充填；上盘进路采用分级尾砂胶结充填，胶结体灰砂比1∶4，下盘进路先分级尾砂充填,后采用分级尾砂胶结充填0.4m，胶结体灰砂比1∶4，既要保证接顶，又要保证转层后设备在胶结体上安全运行。胶结充填体养护72小时后，相邻进路才允许进行回采，二分层下盘进路结束后，采用分级尾砂接顶充填采空区。

（6）转层。一分层下盘进路充填前，脉外溜井挑顶并顺路架设至二分层矿体底板水平，将一分层下盘进路、切割巷、溜井联巷、分层联巷一并接顶充填，完成转层工作。然后由脉外斜坡道施工二分层联巷、切割巷控制矿体，施工溜井联巷贯通脉外顺路溜井，进入二分层回采。

4 取得的效果

经过近半年的研究实践，解决了无钢筋水泥尾砂胶结体下顶柱回采安全问题，安全高效经济地回收了资源，实现利润135.6万元。

5 结语

阿尔哈达铅锌矿从空场法采矿到充填法采矿，多年开采遗留大量的高价值矿柱，在无钢筋水泥尾砂胶结体下，通过控制顶柱回采安全保护层厚度，选用上向小进路充填采矿法回采工艺，采用非电毫秒延期起爆技术和光面爆破技术，应用锚杆联合钢带支护和金属支架支护等技术手段和措施，有效地解决了资源回收安全问题，促进了矿山生产系统结构调整和持续性发展，经济、社会效益双赢，为本矿山残矿回收提供了技术支持,也为同行业类似矿山提供技术借鉴。