盘区交错式上向水平分层充填采矿法

张润达，李江，朱晨迪

(1.招远市国有资产经营有限公司， 山东 招远市 265400；2.招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿， 山东 招远市 265414；3.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；4.国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南 长沙 410012)

0 引言

由于点柱式上向水平分层充填采矿法[1]用留点柱的方式来控制采场顶板管理取得良好的效果，因此被广泛应用于大尹各庄金矿。但是随着开采深度的增加，地压显现越来越明显，因此对矿柱的尺寸要求越来越大，初步统计矿柱造成的损失率超过30%，造成了大量矿产资源的浪费现象，且由于上盘破碎带的存在揭露后，极易造成巷道冒落、垮塌，导致靠近上盘的矿柱无法安全回采。另一方面由于深部地压的原因，造成资源回收困难、作业安全风险高，且该回采方式无需充填接顶，对充填体强度要求低，该方法只能用于岩体稳固性相对较好的区域，致使部分稳固性差的区域无法开采。为了解决目前矿山遇到的问题，对采矿方法进行改进，采用盘区交错式上向水平分层充填采矿法[2]作为矿山主要采矿方法，并垂直矿体走向布置的方式回采，该采矿方法降低了矿石损失率、贫化率，实现矿山安全生产。

1 开采技术条件

大尹格庄金矿有1#、2#矿体，其中1#矿体沿走向长约1080 m，2#矿体沿走向长约1000 m，大尹格庄断裂将矿体分隔开来，1#、2#矿体倾角为 20°～30°，为缓倾斜矿体，厚度从数米到四十多米不等，平均厚度为13 m～15 m，矿体连续性好，采深已达900 m以上，品位为2.8 g/t～4 g/t。上盘主要由碳酸盐化的英云闪长岩组成，以绿泥石化蚀变为主，下盘主要由黄铁绢英岩化花岗岩组成，上下盘围岩整体属于中等稳固。但节理裂隙发育，节理裂隙以泥质胶结为主，局部位置有小断层，软弱带，受其影响，工程揭露后易形成“三角形”滑动体冒落，因此该部分稳固性较差。矿石体重为2.78 t/m3，岩石体重为2.60 t/m3～2.80 t/m3；松散系数为1.5；矿石抗压强度为 68.76 MPa，岩石抗压强度为 55.77 MPa～106 MPa。

2 采矿方法优选

2.1 采矿方法选择

矿山原来采用点柱式上向水平分层充填采矿法[1-3]，由于要留设矿柱维持顶板岩层稳定，造成了矿石损失率大，且随着开采深度的增加，地压显现导致留设的矿柱出现破坏等现象，综合矿山地质现状、矿体赋存特点，以及上盘破碎带的存在，提出了垂直矿体走向布置的上向水平分层充填法。

2.2 上向水平分层充填采矿法

依据矿山5000 t/d生产能力的要求，提出了上向水平分层充填采矿法[4]，该方法以贫化损失小、适应矿体形变能力强、灵活的特点而被广泛应用，一般适用于价值较高的矿体回采，根据大尹格庄开采技术条件及生产能力的要求，具体采矿方法如图1所示。

图1 上向水平分层充填采矿法

（1）采场结构参数。矿体分为两步骤开采，矿体呈现中厚到厚分布，局部地区矿体较薄，盘区宽60 m，按15 m划分一个矿块，在采场底部留6 m底柱，不留顶柱，采场之间不留间柱，开采下一中段时回收底柱[5]。

（2）采准切割。沿脉运输巷设置在下盘，供出矿、人员等使用，巷道尺寸为3.2 m×3.0 m。分段运输巷的布置极为重要，每4个分层由一个运输巷负责，由于铲运机转弯半径的需求，运输巷与采场联络道至少需要7 m的转弯半径，斜坡道采用折返式布置，斜坡道布置的位置在矿体下盘。关于采场联络道的布置，采场联络道主要连接采场和运输巷，施工原则重车上坡坡度较小，重车下坡坡度较大。对于溜矿井的布置考虑运输及矿山实际施工的需要主要设置在下盘，整个采场在布置时不需要顶柱和间柱。

（3）回采工艺。凿岩在首层拉槽需要使用气腿凿岩机，其余分层都采用Boomer281凿岩台车凿岩，采用水平炮孔，直径为45 mm，深度为4 m。对于水平孔具有控顶高度小、顶板比较平整等优点；每一次凿岩完成后，高压风清理炮孔，采用人工装药，毫秒微差导爆管雷管起爆；对于采场通风，采场新鲜风主要从斜坡道、运输巷经采场联络道进入，在采场内部经过回环流动将污风由采场人行回风井吹入上中段回风巷。采场通风效果不好时，应采取机械强制通风，确保采场通风效果。采场崩落下的矿石经过2 m3柴油铲运机铲运，一方面直接将铲下的矿石经分层联络道、分段运输巷直接装车，另一方面由铲运机铲装后直接倒入溜井内。

（4）采场充填。充填工作在每一层出矿完成后立即进行，由于下分段开采对顶板的要求，因此对底部分层充填强度要求较高。充填料浆浓度为1∶6，1∶10，底部2个分层进路均采用全尾砂胶结充填，主充填管道由充填回风井下放到采场。充填管道用廉价塑料管，根据采场的充填情况，充填前期如果在部分浇面出现积水的情况，此时应该在充填挡墙上设置一些用过滤网包裹的废旧钢管将水排出。

充填体强度要求充填完成后的28 d强度到达2 MPa，以保证下一中段采场的开采安全。不同采场均采用上下不同配比的充填方式[6]，浇面浓度采用1∶4的灰砂比，浇面层高0.5 m。同时为了满足矿山生产能力的要求，采用多个采场相互交替作业的形式，用来提升矿山的生产能力。

2.3 上向水平分层充填法主要经济指标

上向水平分层充填采矿法主要技术经济指标见表1。

表1 上向水平分层充填采矿法主要技术经济指标

3 回采工艺研究

根据矿山实际情况和建设要求，进一步分析上向水平分层充填采矿法，根据回采顺序的不同可分为3种，对比分析每种采矿方法的生产能力、生产成本、充填成本等。

3.1 盘区交错式上向水平分层充填采矿法

运用该方法时，盘区的划分根据矿体的尺寸而定，最终确定盘区的尺寸为长60 m，将矿体厚度作为盘区宽度，采场的布置垂直矿体走向，盘区内分矿房矿柱，采取两步骤回采的形式，先采矿房再采矿柱，矿房超前矿柱 3～4个分层，采场之间不留间柱，按12 m～15 m划分一个矿块，一、二步骤采场宽度分别为8 m、7 m。回采时两步骤采场交错回采，一步骤回采 3～4个分层，再进行二步骤回采。采场回采结束后进行充填，一、二步骤都采用胶结充填[6]，非胶结充填用于剩余采场充填。该方案主要有如下优点：

（1）回采时对矿体边界的控制较好，工人劳动产出率较高；

（2）对于空区充填工作，充填完成较好，且矿石采出率较高；

（3）一步骤采矿条件好；

（4）应用该方法能快速实现采场达产且能实现多中段一起回采。

回采顺序如图2所示。

图2 盘区交错式上向水平分层充填采矿法回采顺序

3.2 凸型阶梯式上向水平分层充填采矿法

凸型阶梯式上向水平分层充填采矿法，盘区的划分根据矿体的尺寸而定，采场的划分采取连续的形式，形成依次连续向上回采的方式，该采矿方法具体为先在每一个盘区中间先采，以相邻采场回采滞后于中间 2～3个分层的顺序回采，回采形式类似于阶梯的方式，中间超前相邻整体向上推进，最终确定盘区的尺寸为长60 m，将矿体厚度作为盘区宽度，采场的布置垂直矿体走向，底柱高6 m，8 m作为一个采场的宽度，形成中间高两边低的形态，整体形态上呈现“凸”型式回采。基于先形成的采场超前后形成采场3个分层，采场的回采完成后开始充填，采用胶结充填。

该方法的主要优点如下：

（1）矿石回收率有较大提高；

（2）采场形成后可快速整体向上推进，施工简单；

（3）没有二步骤回采难题；

（4）由于整体向上推进，采场稳定性较差。

回采顺序如图3所示。

图3 凸型阶梯式上向水平分层充填采矿法回采顺序

3.3 三角型阶梯式上向分层充填采矿法

关于该采矿方法，将矿体按一定尺寸划分盘区，盘区内取消间柱和点柱，划分连续的采场，采场之间连续依次向上回采，盘区内采场一端高一端低，具体为盘区一端采场先采，相对于对侧的采场滞后于先采的采场，当在采场内形成类似的三角型采场后，随着工作面的形式整体向上回采。随着工作面向上回采的过程，在每层形成采矿、出矿、充填的循环作业方式。沿矿体走向划分盘区，最终确定盘区的尺寸为长 32 m，将矿体厚度作为盘区宽度，采场的布置垂直矿体走向，底柱高6 m，8 m作为一个采场的宽度。盘区内采场一端高一端低，呈三角型阶梯式回采，相邻采场之间回采高度相隔3个分层，回采结束后均采用胶结充填。该回采工艺的优点如下：

（1）采场内不留设间柱和点柱，较大地提高了矿石回收；

（2）采场内一旦形成三角型后，可沿着整体形状向前回采；

（3）没有二步骤回采难题；

（4）采场稳定性比盘区式较好，但低于凸型式。

具体回采方案如图4所示。

图4 三角形阶梯式上向水平分层充填采矿法回采顺序

3.4 主要技术经济指标对比

对上向水平分层充填采矿法回采工艺[7-9]进行优化后，分别从生产能力（盘区生产能力、中段生产能力）、采切比、损失率、贫化率、充填成本等方面进行对比分析，其结果见表2。

依据表2数据，为了实现生产能力5000 t/d的生产需要，对3种不同形式的回采顺序进行比较，发现盘区交错式采矿法可以实现多中段同时生产的目的，这样就能满足矿山生产能力的需求。通过进一步对比发现，该回采方式的采切比较小，吨矿充填成本也较低，取得了较好的经济效益。

表2 采矿方法技术经济指标对比

4 结论

（1）根据大尹格庄金矿矿岩中等稳固，局部不稳固的情况，选用的盘区交错式需要两步骤开采，相对于其他2种采矿方法，采场稳定性较差，由于二步骤需要在一步骤充填体周围开挖，必须适当的采用锚杆加固技术，对于实现安全回采没有问题。

（2）采用盘区交错式采矿方法，能同时满足多个采场同时回采，多中段同时作业，中段生产能力大，可以达到 2745 t/d，且该采矿方法的采切比也较小，可以达到快速生产增加效益的目的。

（3）采场内不留设间柱和顶柱，该采矿方法的矿石损失、贫化率均为 8%，可以在很大程度上回收矿产资源，增加矿山效益。

（4）对于生产组织管理，盘区交错式生产组织管理相对简单，能充分提高机械化设备效率，生产效率高。