某高岭土矿崩落法转充填法采矿工艺优化研究*

任建平，范富泉，王雷鸣

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西 南昌 330038）

1 引言

随着我国矿产资源消耗逐年递增，开采技术条件好的矿山基本上已投入生产，因此复杂矿床的开采逐渐得到重视，国内针对此类矿山的开采，主要是通过优化采矿工艺、提高机械化水平、简化回采工序、减少作业暴露面积、提高回采率、降低贫化率等手段［1-2］，来保证矿山安全、高效、绿色生产。

目前，国内研究学者根据矿山实例开展了相关技术研究［3-5］。张德存等［6］针对松散破碎铀矿体提出分层崩落法代替分层充填法，有效解决了岩石破碎、不稳固等复杂情况条件下的安全问题，同时将矿石损失率由5%降低至1.4%，为类似矿山的开采提供了新思路，但此方法对地表环境要求较高，具有一定的局限性；贾珍等［7］以某矿岩破碎的金矿为例，提出采用下向进路充填法，发现作为顶板的充填体可有效改善破碎的地质情况，提高顶板下作业的安全性，降低了巷道维护等成本，显著提高了总体经济效益，但此方法对充填体的强度要求较高；徐飞等［8］针对某“三下”铁锌矿提出了上向进路充填法代替原无底柱分段崩落法，不仅降低了矿石损失率和贫化率，还能较好地控制回采顶板的暴露面积，同时充填采空区可有效控制岩层移动和地表沉降。以上研究表明，国内针对开采技术条件较为复杂的矿山通常采用崩落法和暴露面积较小的进路式充填采矿法。

某高岭土矿生产至今已有20 多年，采用分层崩落法造成的岩层扰动已经严重威胁到了矿区周围地表建构筑物的安全，同时随着人工成本的不断攀升和井下作业人员老龄化问题的不断加剧，分层崩落法已无法实现矿山安全、高效、经济回采的要求。因此，矿山急需改变目前的回采工艺，寻找一种既能防止地表塌陷又能提高生产效率的采矿方法。为此，本文结合某高岭土矿开采技术条件、开采现状和存在的主要问题，对采矿工艺进行优化研究。

2 矿山概况

2.1 开采技术条件

某高岭土矿区属于低山丘陵地带，低山、丘陵标高在50～100 m，平地标高在4～5 m。该矿区内有I～VI 号6 个高岭土矿体，其中I 号矿体最大，占资源总量的98.58%，为矿山主要开采对象。I 号矿体走向近东西，平均倾角约50°，平均厚度为30～40 m，属于急倾斜厚大矿体。高岭土矿石松软且内部节理裂隙发育，坚固性系数f 仅为0.1 左右，黏结性较强，具有遇水泥化、膨胀和崩解等特点。矿石顶板为次生石英岩和绢云母岩，不稳固；底板为大理岩和灰岩，岩石较为坚硬，但岩体完整性较差，中等稳固。开采时，采场内地应力较为集中，回采巷道易产生底鼓、变形等现象。

地表无较大水体，且与矿体间存在较厚的隔水层，大气降水对矿坑充水影响较小。矿床主要的充水来源为底板的长兴组-青龙群灰岩含水层，该含水层呈封闭-半封闭状，地下水以净储量为主。

2.2 矿山回采现状分析

目前，矿山采用分层崩落法，盘区（50 m×40 m）沿矿体走向布置，中段高度为40 m，分层高度为3～3.5 m。采切工程主要有采区天井和分层主巷道，矿体自上而下逐层回采。在覆盖层下，垂直分层主巷道向矿体内开凿尺寸为2 m×2 m 的回采进路，进路的上方和靠近崩落区的一侧分别预留约1.5 m的护顶层和侧柱，进路内采用木棚支护，支护间距为0.7 m。手持G10 型风镐落矿，人工将矿石铲装到板车后，再装入采区天井内的箕斗中，最后转运至中段矿车中。待进路掘进至盘区边界后，后退式撤出护顶层和侧柱的木棚，紧跟回收自然崩落矿石。盘区生产能力约75 t/d，回采率约78%。根据现场调研，下向分层崩落法的采矿直接成本约52 元/t，其中人工成本约40 元/t。分层崩落法在生产实践中主要存在以下问题：

（1）采用崩落法产生的岩层扰动已严重威胁矿区地表建构筑物的安全；

（2）由于井下采用手持风镐落矿、人工装矿和人推板车运矿的方式，单班井下同时作业人员多、劳动强度大、效率低；

（3）在崩落散体覆盖层以下作业时，存在较大的安全隐患。

3 采矿方法的选择

3.1 采矿方法初选

结合大量矿山实践［9-10］表明，充填采矿法能有效控制岩层移动，减少围岩的变形和破坏，同时可充分利用矿山固体废弃物，进一步解决尾砂堆积等问题，为矿山带来环境和经济效益。根据高岭土矿体的赋存条件和开采技术条件，并结合类似矿山采矿工艺研究，推荐上向进路充填法和下向进路充填法，均能很好地控制地压、防止地表沉降，符合矿山安全生产的需求，具体如下：

（1）上向进路充填法。矿块沿矿体走向布置，由于矿体下盘为含水层，因此采切工程布置在矿体上盘。在矿块内划分若干进路，以进路为回采单元，尺寸为3.3 m×3.3 m，自矿块的底部向上逐层回采、充填，同一分层内进路采取隔一采一的回采顺序。采用巷修机剥落矿石，卡车运输，根据机械的生产能力和卡车的运输速度计算，5 min 内可完成2 t 矿石的运输，待达到一定暴露面积之后需停止工作立即进行支护，支护时间约为30 min，回采作业循环长度为0.5 m，耗时57 min，考虑到换班、休息和设备挪动等因素，一天有效工作时间约为16 h，因此单条进路的回采能力为183 t/d。回采完毕之后，采用尾砂胶结充填，充填体强度不低于2 MPa，矿石回采率为88%。

（2）下向进路充填法。矿块布置、采切、进路尺寸、回采方式等与上向进路充填法基本相同。下向进路充填法从上至下逐层回采，进路内回采作业循环长度为1 m，单条进路生产能力为237 t/d。进路回采完毕之后，采用尾砂胶结充填，充填体强度不低于4 MPa。为保证充填体顶板的稳定性，可在充填前铺设底筋和竖筋，提高充填体的完整性和稳定性，矿石回采率为92%。

3.2 采矿方法优选

3.2.1 技术性比较

由于回采技术条件的差异，两种采矿方法在安全性、生产效率和损失率等方面存在差异。由表1可知，两种采矿方法均采用进路式回采，但上向进路充填法顶板为高岭土，进路作业条件较差，支护量大、作业时间长，导致生产效率偏低；回采结束后，矿体与充填体中的水接触产生泥化、崩解，顶板和两帮少量矿石落入充填体中，导致回采率降低。下向进路充填法顶板为充填体，优缺点与之相反，其在技术上更具优势。

表1 上向和下向进路充填法技术性比较表

3.2.2 经济比较

由于两种采矿方法在回采、支护、充填等方面均存在差异，矿石的回采成本也有所不同。由表2 可知，下向进路充填法充填胶凝料、钢筋消费和矿石运输油耗较大，但支护木材可随着矿石回采基本能回收。然而，上向进路充填法两侧支护木材基本留在充填体内，无法回收，造成两种采矿方法的支护成本相差悬殊，从而导致上向水平分层充填法的直接生产成本偏高。同时，上向进路充填法单条进路生产能力较小，且作业的进路条数较多，增加了吨矿作业人员、设备投资和管理成本。总体来看，下向进路充填法比采矿直接生产成本低，经济上更具优势。

表2 单条进路上向和下向进路充填法成本对比 元/t

综合比较两种方案的技术与经济指标，推荐下向进路充填法。

4 下向进路充填法工艺研究

下向进路充填采矿法如图1 所示。盘区沿矿体走向布置，长100 m，宽约40 m，为矿体厚度，高为40 m，分段高度为10 m，分层高度为3.3 m，回采进路断面为3.3 m×3.3 m，连续回采，不留设顶、底柱和间柱。盘区的采切工程布置在矿体上盘，主要有分段运输巷道、分层联络道、斜坡道、矿石溜井、通风充填井等。为满足设备爬坡性能的要求，将分层联络道的坡度控制在20%以内。

图1 下向进路充填法

4.1 矿石回采

为了使充填体能起到良好的支撑作用，除了充填时尽量接顶外，另须采取上下两层进路交错布置的方式防止因上下分层的充填体平行布置，形成悬臂梁现象，造成充填体整体塌陷；同时交错布置有利于提高充填体整体的稳定性，常用布置方案如图2 所示。其中，当上、下相邻分层进路垂直布置时，回采过程中单条充填体的暴露面积小，稳定性好，因此选用方案3。

图2 上、下相邻两层进路布置图

巷修机和矿用卡车通过斜坡道和分层联络道到达各分层，采用巷修机前端的钎杆剥落矿石，由巷修机的输送带输送至后方等待的卡车中，再通过卡车运输至矿石溜井。由于高岭土矿体具有黏结的特性，为防止堵塞溜井，采用接触面较为光滑的铁板放矿机。

4.2 采场支护

回采进路直接顶板为强度较好的充填体。一步骤回采时，进路的两侧是较为破碎的高岭土矿体，因此需随着进路的回采在两侧架设木支护，间距为1～1.5 m；二步骤回采时，由于两侧和顶板均为稳定性较好的充填体，故可减少支护或不支护，还可回收一步骤回采架设的木材以循环使用。

4.3 采场通风

由于开采技术条件的限制，无法在矿体下盘设置回风井形成贯通风流，通风较困难，因此需要设置局扇以满足回采进路的通风要求，推荐采用11 kW 的局扇抽出式通风。

4.4 充填工艺

进路回采完毕之后，清理进路并平整底板和进路两侧，在进路中铺设网度200 mm×200 mm 的底筋和网度为1600 mm×1600 mm 的竖筋，竖筋高度为2 m。封堵进路出口，架设充填管道，将配好的充填体输送至采空区内。矿山以观山矿的粗尾砂、细尾砂和工业废渣为骨料，普通硅酸盐水泥为胶凝剂，通过一定比例混合制备出符合强度要求的充填体，灰砂比为1:4～1:8，质量浓度为72%～74%。

空区充填分两次进行，第一次充填采用高灰砂比充填料浆，高度为进路的一半，可形成强度较高的承载层（28 d 强度不低于4 MPa），剩余空区采用低灰砂比充填料浆（28 d 强度不低于2 MPa），第一次和第二次的充填间隔时间应在24 h 以上，以保证第一次充填体充分沉降。充填工艺示意图如图3所示。

图3 充填工艺示意图

5 结论

（1）为了达到防止地表沉降、精简井下作业人员、提高回采效率的目的，目前采用的分层崩落采矿法已不适用于该高岭土矿的开采。

（2）针对目前矿山所面临的劳动强度大、工作效率低以及地表塌陷等问题，首选回采暴露面积小的充填采矿法，初步选择上向进路充填法和下向进路充填法。经技术和经济分析，推荐采用安全、经济、高效的下向进路充填法。

（3）下向进路充填法采用巷修机落矿、卡车运输的方式，与现有采矿方法相比，提高了矿块的生产能力，减少了井下作业人员，同时将矿石回采率提升至92%，符合矿山安全生产要求。