西山分矿下向构筑工艺研究与应用①

吴 杨，刘再涛，王栋毅，彭 康

（1.重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044；2.山东黄金矿业有限公司三山岛金矿，山东 莱州 261442；3.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083）

随着矿产资源逐步向深部带、复杂带转移，高效、安全地回采矿体成为亟待解决的关键问题［1］。下向进路充填采矿法在保证地下回采作业安全性的同时，能有效控制地表沉降、保护生态环境、降低矿石“两率”指标，已成功应用于国内外有色、黄金等矿山企业［2－4］。相比于上向充填采矿法“短掘短支”所产生的高昂支护费用［5－6］，下向进路采矿法仅需在首采层进行支护，从第二分层起回采作业均在人工假顶下进行，因此，合理确定回采进路假顶参数、保证人工假顶质量是确保下向采矿法安全应用的关键。基于此，本文针对三山岛金矿西山分矿某破碎矿段矿体难开采、上向开采支护成本高等技术难题，开展了下向构筑工艺研究与应用。

1 工程背景

三山岛金矿西山分矿目前采深已超千米，某矿段位于F1断层上盘，矿体平均倾角45°，平均水平厚度20 m，平均金品位1.9 g／t，矿岩极其破碎，安全性差，给回采带来了较大影响。在早期采用上向进路法开采时，为保障井下工作人员的安全，进路中全部采用钢管、工字钢等加强支护，月平均支护成本达48.57元／t，平均生产能力98 t／d，支护成本高且生产能力较低；另一方面，西山分矿的充填由新立充填系统提供，充填倍线远大于10，难以实现高浓度充填。基于以上两点原因，结合国内外类似矿体开采经验，拟采用下向进路充填法回采该段破碎矿体。

2 下向构筑参数计算

目前，下向充填采矿法常见的承载层材料为混凝土和尾砂胶结体。混凝土的优势在于强度高，但造价也高；尾砂胶结体强度相对较低，但造价低，是众多矿山的主要选择方法［7－9］。

人工假顶的稳定性是下向充填采矿法成败的关键，通常采用承载层材料抗拉强度与其最大拉应力强度之比作为安全系数［10］，并且由金属矿床的开采经验可知，此安全系数应大于1.6［11］。结合西山分矿现有充填条件，西山深部高浓度尾砂充填系统暂未形成，拟定前期采用C30混凝土作为承载层材料，后期采用1∶4尾砂胶结体作为承载层材料。

2.1 C30混凝土

C30混凝土容重为23.3 kN／m3，分别根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTJ 023—85及《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010中参考值计算以C30混凝土为承载层材料时承载层厚度与安全系数的关系，结果如图1所示。

图1 C30混凝土为承载层材料时厚度与安全系数的关系

通过安全系数法分析可知，安全系数随承载层厚度增加而增大，结合西山分矿现场情况，当采用C30混凝土进行打底充填时，承载层厚度为0.65 m，此时安全系数为1.77。

2.2 1∶4尾砂胶结体

为了得到不同浓度尾砂胶结体在不同养护周期下的强度特性，在新立充填车间进行了充填体力学试验，结果如表1所示，其抗压强度和抗拉强度在整体上随养护周期及充填体浓度增加而增加。根据新立充填车间力学试验得到的分级尾砂胶结体力学参数，确定采用质量浓度72%以上、单轴抗压强度不低于2.8 MPa的1∶4分级尾砂，通过安全系数法计算所得尾砂胶结体充填厚度与安全系数的关系如图2所示。当采用1∶4尾砂胶结体进行充填时，承载层厚度为1.6 m，此时安全系数为3.81。

表1 三山岛高强度尾砂充填体力学参数

图2 尾砂胶结体为承载层材料时厚度与安全系数的关系

3 下向构筑工艺研究

西山分矿以C30混凝土或分级尾砂胶结体作为充填材料充入采场，经过一段时间的脱水、养护而达到相应强度，进而起到稳定采场的作用。为了加快施工进度，在上分层充填材料养护期间，可提前掘进下分层采场联巷。其构筑工艺示意图如图3～4所示。

图3 C30混凝土作为人工假顶时采场进路充填示意图（单位：mm）

下向充填采矿法主要步骤如下：

1）预留碎矿垫层和铺设塑料布。当进路回采结束后，需及时进行平场和充填作业，防止矿岩破碎而导致的两帮围岩掉落。平场作业应达到进路无残矿、底板纵横向平整的效果。平场结束后，将块度不大于40 mm的碎矿平整铺设在进路底板之上，铺设厚度200 mm，最后再将塑料布置于碎矿之上，并在两帮向上折起0.5 m。预留碎矿垫层主要有两个作用，一是减少下分层开采爆破作业对假顶的损伤，二是降低假顶冒落引起的矿石贫化。铺设塑料布是为了分隔碎矿和充填材料，防止碎矿胶结，达到下分层接顶平整的目的。

2）铺底筋网。取爆破后掉落的大块废石或木垛置于塑料布上，使底筋网至少被架高0.1 m，使其被打底料浆完全包裹，以提高整体强度。其中，底筋网主筋直径12 mm、副筋直径12 mm、网度0.3 m×0.3 m；主筋在下、副筋在上，主副筋相交处用16＃铁丝缠绕加固或焊接。当两帮为充填体或矿体时，左右两端各多出1 m用于相邻底筋网搭接；当侧帮为围岩时，需在距底板1 m高的围岩中打入管缝式锚杆，采用锚杆将应力传至稳固围岩中，实现极破碎围岩中长锚杆悬吊承载作用，上（下）盘进路主筋与锚杆焊接，每根锚杆上焊接3根钢筋。首采层回采结束后，第二层开始沿两帮副筋布置吊筋，上端与顶板钢筋网连接，下端与底板钢筋网连接，间距2 m。

3）管路吊挂。管路吊挂如图5所示，出气管最高，充填管略低于出气管，充填接顶后出气管满了直接溢流。信号管比充填管低10 cm，泄水管比信号管低20 cm。充填管尽量靠前吊挂，其次，进路采用木材、塑料布、土工布进行密封，板墙要牢固，密闭要严实。

图4 1∶4分级尾砂胶结体作为人工假顶时采场进路充填示意图（单位：mm）

图5 上下盘锚杆施工及充填管道布置示意图（单位：mm）

4）布设脱滤水管。脱滤水管沿长度方向布设在进路底板，管径30 mm、条数2～3条，并在管上钻凿直径10 mm的小孔，孔间距100 mm，最后采用土工布包好，以防止漏浆。

5）布设充填挡墙。采用可拆卸循环式充填挡墙，考虑充填体溢流问题，需构筑两道板墙，间隔3～4 m，在靠近充填体一侧，使用螺旋支柱斜顶在管卡处，确保板墙安全、可靠，同时还需架设泥浆泵将溢流充填体抽到本采场或相邻充填采场，解决清淤工作量大的问题，降低成本。

6）采场充填。为了达到较好的接顶效果，采用分次充填的方式进行充填。第1次为打底充填，采用C30混凝土或高强度尾砂胶结体作为充填假底；第2次为普通充填，采用灰砂比1∶10、质量浓度72%～73%的料浆，可减少充填成本，稳固后单轴抗压强度不低于1 MPa，充至离进路顶板0.5 m左右的位置；第3次接顶充填，采用灰砂比1∶10、浓度72%～73%料浆接顶充填。信号管流浆时充填站立即关闭放料阀门，清洗搅拌桶及冲刷充填管路。

4 应用效果

在西山分矿某破碎矿段进行了现场工业试验，采用C30混凝土作为人工假顶承载层材料，铺设厚度0.65 m，所有流程均按设计规范要求。转层后顶板揭露平整，稳定性好，塑料薄膜未发现明显脱落，底筋网未暴露，混凝土假顶整体性好。

5 结 论

1）安全系数随承载层厚度增加而增加，西山分矿下向进路断面为3.6 m×3.0 m，采用C30混凝土作为承载层材料时，铺设厚度不小于0.65 m；采用抗压强度不小于2.8 MPa的尾砂胶结体时，铺设厚度不小于1.6 m。

2）下向构筑工艺在西山分矿某破碎矿段取得了良好应用，现场接顶平整，人工假顶整体稳定性好，不但减轻了支护成本及支护工作量，还保证了回采作业的安全性。