分段空场嗣后充填采矿法在某铜铅锌矿的应用

任建平，齐炎，刘广

（1. 中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038；2. 江西宜丰万国矿业有限公司，江西宜春 336304）

某铜铅锌矿产状为急倾斜，矿体形态复杂，矿石类型较多。 根据选别流程及指标要求不同类型矿石需分采分运。主矿体上覆盖有灰岩含水层，且含水层发育广泛，属大水矿床；地表为大片农田及村镇。 针对这类水文地质条件复杂、 开采技术难度大的 “三下”矿山，需要选择合理的采矿工艺才能实现安全、高效地开采。大量矿山生产实践表明，充填采矿法在充分利用矿山固体废弃物（废石、尾矿）的基础上，能有效地减少围岩的变形及受破坏程度， 实现矿石低损贫的开采[1-2]。

目前，该矿生产规模为600 kt/a，以回采铜铁、铅锌矿石为主，采用的是上向水平分层充填采矿工艺。为充分发挥资源优势，挖掘设备潜能，创造更好的经济、社会效益，该矿生产规模拟进一步扩建至900 kt/a。然而，现有的采矿方法存在采场综合能力较小、劳动效率偏低、采矿作业成本高等缺点，扩建后如利用现有采矿工艺需连续多中段同时回采， 易导致污风串联和作业的安全事故。因此，为保证整个矿山生产作业的安全平稳， 高效实现老矿山升级改造和可持续发展，亟待重新选择一种更加安全高效的采矿法。

1 矿山概况

1.1 矿体赋存条件

该矿区属低山丘陵地区， 矿区内大面积为第四系覆盖，占矿区面积的98%。 矿区地表有大量农田，且分布有村镇和道路，不允许陷落。当地历史最高洪水位为52.83 m，最低侵蚀基准面标高为40 m。

该铜铅锌矿为隐伏的中型铜、铅、锌、硫及铁矿床，矿体分布于村前岩体（即主岩体）北部接触带及其附近。 主矿体规模中等到大，形态复杂，厚度不稳定。 开采范围内共有5 个矿带， 分为9 个矿体，即Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ3、Ⅲ4、Ⅲ5、Ⅲ6、Ⅲ7、Ⅳ8和Ⅴ9。 其中Ⅱ3和Ⅲ7为主矿体，分别占全区查明总矿石量的72.26%和7.79%，铜、铅、锌金属量占全区的 87.74%和 2.18%。Ⅱ3、Ⅲ4、Ⅲ7矿体为第Ⅱ类勘探类型。Ⅱ3矿体分布于10#～51# 勘探线间，赋存标高 4～-700 m，总体走向近东西向，走向控制长为1 550 m，倾向北，倾角一般为 50°～70°，厚度为 0.16～105.14 m，平均 10.56 m。Ⅲ7矿体分布于10#～0#勘探线间，赋存标高-128～-570 m，倾向北北西，倾角 40°～60°，走向控制长 250.39 m；矿体厚度一般为 1～15 m，平均厚度为 11.57 m。

矿山主要有原生铜矿、原生铅锌矿、磁铁矿、硫矿和铜铁共生矿等，根据最低工业指标划分，各种类型的矿石间具有一定的界限。为简化采选生产工艺，将其划分为铜铁矿和铅锌矿两大类。 两大类矿体相对独立，具备分采分运分选的条件。

截至2019 年12 月31 日，开采范围内保有地质资源储量详见表1。

表1 保有地质资源储量

1.2 开采技术条件

1）工程地质条件简单。矿区主要岩石有大理岩、花岗斑岩、砾岩及铜硫矿和铅锌矿石。 矿石中，粉末状褐铁矿及风化的铅锌矿石较松散， 铜硫矿石及铅锌矿石强度较大，矿体围岩为大理岩，隐爆角砾岩和斜长花岗斑岩。矿体直接围岩多为完整的大理岩、花岗斑岩，一般为整体状的结构，局部有裂隙，且以闭合裂隙为主。 矿体和围岩坚固性系数为f＝6～8，稳固性较好。在溶洞发育带、溶蚀裂隙带、断层破碎带、风化带等地带，围岩稳定性较差。

2）水文地质条件复杂。 矿体位于当地侵蚀基准面以下以溶洞为主的岩溶充水矿床， 矿床直接顶板即为富水性中等的岩溶裂隙含水层（内灰水），间接顶板为岩溶液发育、富水性强、补给源丰富的强岩溶含水层（外灰水）。 地下水与地表水（狮水河）存在水力联系，雨季狮水河水补给地下水，旱季地下水补给河水。 在矿区50 km2分布的灰岩地带都是相互贯通的，没有明显的天然屏帐隔断其水力联系，且潜水流场主要由北面向矿区流动和补给。

3）环境地质条件中等。 矿山开采将可能引发和加剧岩溶地面塌陷和采空地面塌陷地质灾害的发生，但由于-65 m 以上不开采，采空区及时采用尾砂胶结充填等综合措施的应用， 采空地面塌陷地质灾害发生的可能性将会降低；矿、废石不易分解有害组分；矿区无放射性影响。 废石、尾砂除用于井下充填外，基本外销或综合利用。

2 采矿方法现状分析

现在矿山主要采用上向水平分层充填采矿法。采场沿走向布置，以盘区为回采单元进行采准切割；选用YT-28 型凿岩机进行浅孔凿岩，每个工作面配备2～3 台凿岩机。爆破采用铵油炸药，排间微差起爆方式爆破；为了减少对顶板的破坏和便于管理维护，在靠近顶板的炮孔采用光面爆破。出矿以电耙为主，局部新采场采用电动铲运机。 该方法存在生产组织和通风管理难的问题。为避免污风串联，各中段在上盘还需新增独立回风道，开拓工程量大且存在安全生产隐患[3]。除此之外，该方法还存在如下问题：1）采场综合能力小。 如按现有采矿模式实现600 kt/a 到900 kt/a 的改扩建，将有4～5 个中段同时作业，才可达到相应的生产能力。 这不仅会给生产组织和通风管理带来压力，也会增加采区稳定性的维护难度。2）采矿作业成本综合偏高。 为了满足扩建至900 kt/a 生产规模，需逐步淘汰现有电耙出矿方式，优化回采工艺，引入铲运机等高效机械化装运设备，但设备效率难以发挥，设备运行及维护管理成本高；3）连续多中段同时回采，还会增加人工假顶浇筑、假底维护、后期矿柱回收的难度，采矿作业综合成本偏高。

由于-225 m 以上中段的采准工程已形成，为充分利用已有工程和提高作业安全性，以-225 m 中段为界，分成上下两个回采区进行采矿。 -225 m 以上继续沿用上向水平分层充填采矿法，-225 m 以下的连续中厚及厚大矿体推荐采用分段空场嗣后充填法回采，平均水平厚度21.6 m，采出矿量约占总矿量的62%。

3 分段空场嗣后充填采矿法

3.1 矿块结构参数及采切工程

1）矿块结构。 矿块一般沿走向布置，矿块长50 m，宽为矿体水平厚度，高40～50 m，顶柱高5 m，不留设底柱和间柱。垂直矿体走向布置采场，分段高度为13.3 m，采场宽度为 10 m。

2）采准切割工程。 以矿块为回采单元并进行采准切割布置。矿体下盘20～30 m 外设分段巷道，断面3.2 m×3.3 m， 通过分段联络道与辅助斜坡道连通；沿分段出矿巷道约隔10～12 m 掘多条装矿平巷以联通脉外紧贴矿体布置的分段凿岩巷道。 每个矿块中央、脉外设1 条矿石溜井，与最下部分段巷道连通。采场底部出矿采用平底结构，局部矿岩条件稍差的采场采用堑沟结构。 垂直矿体走向布置凿岩进路巷道，作为起始回采时的自由面，并在凿岩进路巷道端部布置切割天井，连通上部的回风联络道，便于采场通风。

分段空场嗣后充填采矿法示意(采场垂直矿体走向布置)如图1 所示。 采切工程量计算见表2。

图1 分段空场嗣后充填采矿法示意（单位：m）

表2 矿块采切工程量计算

3.2 回采工艺

1）凿岩：采用深孔凿岩台车沿凿岩巷道布置垂直扇形孔，炮孔孔径为 65 mm，排距为 1.5～2.0 m，孔底距为 1.5～2.0 m。 深孔凿岩台车台班效率为 250～350 t。

2）爆破：选用粒状铵油炸药、非电毫秒雷管及导爆管起爆，装药器装药，分次爆破。 为加快爆破炮烟和粉尘排出，采场采用 FK（JK55）-1 No.5 局扇加强通风。

3）出矿：采下矿石用2 m3遥控柴油铲运机装运矿石卸至采区溜井，再下放到中段电机车运输水平。铲运机台班效率为150～250 t。

3.3 采场通风

新鲜风流由中段运输巷道、采区斜坡道进入，经过分段平巷、进风联络道进入各分段采场。清洗工作面后，污风由采空区排入上中段回风巷道，形成上下中段风流不串联和较稳定的并联网络。

3.4 采场支护

凿岩出矿巷道中的人员作业场所， 在矿岩较稳固时，一般不需要支护，仅局部不稳固顶板、侧帮及底部结构，采用锚喷或锚网喷加固措施进行支护。具体参数为：1）管缝式锚杆。 Φ43 mm×3.0 mm，L=1.8 m，材料为 16Mn。 2）梅花形布置。 间距为 1.2 m，排距为1.1 m。3）钢筋网。采用钢筋 Φ5.0 mm，材料为 Q235，间距为 0.1 m×0.1 m。 4）喷射混凝土。 喷射厚度为100 mm，强度为 C25。

3.5 充填工艺

矿房回采结束后， 采用分级尾砂充填料对矿块采空区进行嗣后胶结充填， 保障了采空区的围岩稳定，保护了地表不受破坏，维持原有的生态环境。

一步回采的采场采用灰砂比1∶16 的充填料浆进行充填，14 d 强度达1 MPa 以上； 二步回采的采场采用灰砂比1∶18 的充填料浆进行充填，14 d 强度达 0.5 MPa 以上。

为尽可能减少顶柱厚度， 也为了后期回收顶柱创造条件， 矿房及矿柱底部3～4 m 采用灰砂比1∶12的料浆进行充填，28 d 强度达2～3 MPa；顶部采用多次充填的方式，提高充填接顶率，也为矿山安全回采提供保证。

4 半工业试验结果

为确保分段空场嗣后充填采矿法未来在矿山实际生产中的可靠性和运用效果， 于2020 年1 月7日—6 月23 日选择具有代表性的706-2 采场进行半工业试验研究。 采场剖面示意如图2 所示。

图2 试验采场剖面（单位：m）

区域矿石类型主要为黄铜矿、铜磁铁矿，矿体倾角在45°～69°之间。 利用现有工程进行设计施工，各分段凿岩巷通过已施工的平巷采用铲运机进行出渣，凿岩巷内布有切割槽、切割天井、底板人行井、充填井等。 主要工程及布置如下：1）分段凿岩巷。 利用已施工的平巷开口施工， 设计分段净高度为12 m，巷道施工规格为 3.0 m×3.5 m， 为便于铲车出渣，斜坡坡度为10°。2）切割井及切割槽。利用现有的盲竖井作为切割井，切割槽布置在切割井位置。由于该口井距离采场边较远， 为保证后期深孔爆破人员装药安全，要求切割槽西边需刷出人行通道，井口位置做好防护及警戒工作。3）凿岩穿脉。平面凿岩穿脉目前已形成。4）出矿穿脉及出矿进路。为保证后续出矿安全及出矿效率，利用现有工程设计1# 出矿穿脉及出矿进路6 条。

分段空场嗣后充填采矿法和目前使用的上向水平分层充填采矿法（垂直走向布置）的技术经济指标对比如表3。

表3 技术经济指标对比

由表3 可知， 改进后的采矿方法技术经济效益明显。

5 结论

该铜铁铅锌硫多金属矿针对升级改造和可持续发展中存在的问题，采用了更高效的采矿方法，并通过采场半工业试验的验证， 使分段空场嗣后充填法顺利实施。采矿工艺的优化，不仅提高了采场综合能力，减少了同时作业的采场数和井下人员，保证了整个矿山生产作业安全平稳进行且顺利投达产， 还提高了各项生产技术经济指标， 这对国内类似矿山具有重要的借鉴及指导意义。