双堑沟底部结构上向水平分层充填法 在厚大矿体中的应用

张建明，王筱添

(1.甘肃镜铁山矿业有限公司， 甘肃 嘉峪关市 735100； 2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012； 3.金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012)

0 引言

在金属矿山地下开采作业中，采矿方法的优劣是关乎到矿山整体经济效益的关键因素。现阶段，镜铁山桦树沟矿区亟需回采深部铜矿体，由于铜矿石价值较高，为提高铜矿石的回采率以及提升企业经济效益，对目前采用的分段凿岩阶段空场嗣后充填法进行采场结构参数和布置方式优化研究。

分段凿岩阶段空场嗣后充填法是地下金属矿山常用的采矿方法，适用于回采中厚及厚大矿体，具有回采强度大、劳动生产率高、采矿成本低、作业安全等优点[1-5]。该方法在回采厚大矿体时，常规的布置方式是每隔100 m左右划分为一个矿块，矿块内每隔20 m左右划分成若干个相同宽度的一步骤采场和二步骤采场，再采用“隔一采一”顺序采矿。针对该采矿方法已有多位学者做了相关的研究，余昕等对分段凿岩阶段空场嗣后充填法的采场结构参数及爆破参数进行了相关研究[6]；刘武团等对分段凿岩阶段空场法工艺要素开展了优化研究[7]；佟晓勇结合分段凿岩阶段空场法采矿工艺开展了深入的研究与分析[8]；陈庆坤对蒙库铁矿采用分段凿岩阶段矿房法开展了采矿方法工业试验，明显改善了主要技术经济指标[9]；齐学富等针对急倾斜复杂薄矿体开展采矿方法研究，采用分段凿岩阶段空场嗣后充填法的采场取得了良好的开采效果[10]。

基于以上研究成果，对镜铁山桦树沟铜矿区的采矿方法进行优化设计，选取合理的采场结构参数及布置方式，并开展现场工业试验，优化采矿作业技术经济指标。

1 矿山概况

桦树沟铜矿位于甘肃省嘉峪关市，隶属于酒钢集团镜铁山矿区。该矿山采用地下开采方式，设计 规模30万t/a。

1.1 地质概况

桦树沟铜矿区主矿体东西长2.5 km，南北宽0.8～1 km，2760～2640 m范围内矿床矿石量232.4×104t，主要矿体特征见表1。

表1 主要铜矿体特征

矿区除碳质千枚岩段质量属中等外，其余岩段质量均属中等以上。矿区水文地质条件简单-中等，工程地质条件为简单-中等、环境地质条件中等。

2 采矿方法优化设计

矿山现主要采用单堑沟分段凿岩阶段空场嗣后充填法开采铜矿体，为改善目前矿石损失率高，生产能力小的现状，优化设计为双堑沟上向水平分层充填法（见图1）。

图1 双堑沟底部结构的上向水平分层充填法(单位：m)

2.1 矿块布置与结构参数

中段高60 m，分段高度12.5 m，分为4个分段，留10 m顶柱。沿矿体走向划分采场，长度30～40 m，宽度为矿体真厚度，顶柱厚10 m，不留底柱。采用双堑沟底部结构，铲运机出矿。

2.2 采准切割

采准工程主要有阶段出矿巷道联络道、阶段出矿巷道、出矿进路、分段沿脉平巷、分段凿岩巷道、分段凿岩巷道联络道、通风联巷等；切割工程主要有拉底巷道、切割回风天井、切割横巷等。

从中段运输巷道在矿柱位置向矿体掘进阶段出矿巷道联络道，在上、下盘沿矿体走向掘进阶段出矿巷道。从阶段出矿巷道每隔10～12 m以45°向矿房内掘进出矿进路。回采厚大矿体时，为了提高出矿效率、降低损失，在矿房底部布置2条拉底巷道，在拉底巷道内钻凿上向扇形中深孔，爆破后形成双集矿堑沟底部结构。切割回风天井和切割横巷布置在采场的一端，在切割横巷内钻凿上向平行中深孔，以切割天井为自由面爆破形成切割槽。在各分段，根据实际分段标高从斜坡道在矿体下盘布置分段沿脉巷道，从分段沿脉巷道向矿体方向掘进分段凿岩巷联络道及分段凿岩巷道。

2.3 一步骤采场回采

回采从切割槽开始，向采场另一端回采；分段间自上而下分段回采，上分段超前下分段2～3排炮孔形成正阶梯状回采工作面。

（1）凿岩。采用DL2710型凿岩台车在分段凿岩巷道内钻凿上向扇形中深孔，孔径Φ76 mm，排距1.5～1.8 m，孔底距1.8～3.0 m。每个采场配1台YSP-45型凿岩机辅助钻凿个别边孔。

（2）爆破。炮孔凿完后，以切割槽为初始自由面侧向爆破，单分段分次爆破或多分段同时爆破，每次爆破3～5排炮孔。采用BQF-100装药器装填粉状铵油炸药，导爆管雷管微差起爆。

（3）采场通风。出矿时，采场新鲜风流从中段运输巷道，经各装矿进路，到达出矿工作面；凿岩时，采场新鲜风流从斜坡道，经各分段凿岩巷道到达凿岩工作面。清洗工作面后的污风，经切割回风天井汇入上中段平巷，经回风井抽出地表。为改善采场工作面通风效果，凿岩时和爆破后采场内采用局扇加强通风。

（4）出矿。采用CYE-2型电动铲运机出矿。崩落矿石集中在底部集矿堑沟。根据矿山实际情况，采用铲运机从出矿进路铲运至阶段出矿巷道，直接装入自卸式汽车经斜坡道运出地表。

2.4 采空区处理

采场回采、出矿结束后对采空区进行嗣后充填。充填前先将通往采场的巷道进行密闭，在采场底部进路中构筑充填泄水挡墙，充填滤水管从上部到下部铺设。利用上中段出矿进路作为充填巷道，在采场外部出矿进路内施工倾斜向下的钻孔作为充填钻孔，充填料浆经管道输送至充填钻孔向采空区内充填。

采场充填选用柔性增强塑料软管，该管抗拉强度达1.8 MPa，可满足井下充填料浆输送压力的需要。充填管道从上中段主充填管接入，架设在充填巷道内，用铁丝每隔3～5 m悬吊在巷道的管缝式锚杆的托盘上，架设至充填天井。在充填管道接入待充采场前，要求联接一个由1～2个闸板阀组成的三通，其目的是将充填时的洗管水与引路水排出，防止进入充填空区。

准备工作完成后对采空区进行充填。充填采用自下而上分层充填方式，即采用灰砂比为1:3～1:4的高强度砂浆充填采场底部结构，采场中部可采用灰砂比为1:6～1:12的砂浆进行充填，接顶时采用灰砂比1:3～1:4的高强度砂浆。

2.5 二步骤采场回采

二步骤采场的阶段出矿巷道、出矿进路、分段沿脉平巷、分段凿岩巷道、分段凿岩巷道联络道布置基本与一步骤采场相同。不同之处是阶段出矿联络巷道布置在一步骤采场底部，需部分穿过充填体，因此需根据揭露的充填体强度采取适当的支护措施，如锚喷网。

二步骤采场回采凿岩、爆破、通风、出矿、采空区处理与一步骤采场回采工艺相同，但二步骤采场回采时，采场两侧为充填体，为了减小爆破振动对充填的破坏，需采用微差爆破，并减少一次回采爆破的炮孔排数。

2.6 顶柱、底部三角矿柱回采

2.6.1 顶柱回采工艺

顶柱回采时，从斜坡道向顶柱矿体掘进联络道，从联络道沿走向掘进下盘脉外分段沿脉巷道，从沿脉巷道向顶柱底部掘进分层联络道，从分层联络道掘穿脉至矿体边界，从穿脉巷道在矿体内掘进拉底巷道，并扩帮至矿体边界形成拉底空间。

当顶柱矿体水平厚度较大时，为了减小顶板的暴露面积，可将顶柱沿走向划分成宽度为15～20 m的采场分别进行回采。

采用上向水平分层充填法回采，分层高度为3 m，采用YSP-45型凿岩机打上向孔，人工装药爆破。崩落的矿石采用CYE-2型电动铲运机经分层联络道运至分段沿脉巷道，直接装入自卸式汽车经斜坡道运出地表。分层回采完后，在分层联络道口架设充填挡墙，充填管道从上中段出矿进路架设至充填回风天井，充填料浆从管道输送至工作面对采空区进行充填。分层充填时，留下高2 m的空间，作为下分层回采的工作空间。最后一分层充填时，需接顶充填，采用分次加压充填的方式，提高接顶率。

2.6.2 底部三角矿柱回采工艺

沿原底部结构的出矿进路向矿体掘进出矿联络道至矿体的边界，在底部三角矿柱中间沿走向掘进拉底巷道，并扩帮至矿体边界形成拉底空间。在底部三角矿柱内掘进一条充填小井至上分段水平，从上分段凿岩巷联络道掘进充填联巷与充填小井连通。

底部三角矿柱凿岩爆破方式同顶柱回采，分层回采完后，在分层联络道口架设充填挡墙，充填管道从上分段凿岩巷道和充填联巷架设至充填小井，充填料浆从管道输送至工作面对采空区进行充填。分层充填最后一分层充填同顶柱回采充填。

3 采矿方法优化前后对比分析

根据优化设计后的分段凿岩阶段空场嗣后充填法在桦树沟铜矿区现场应用情况的梳理总结，与优化前的采矿方法进行对比，见表2。

表2 主要经济技术指标

由表2可以看出，分段凿岩阶段空场嗣后充填法优化后，在采切比仅增加7.2 m/kt的情况下，矿块生产能力提高了25%；矿石损失率降低了2.59%；出矿成本下降了33%。可对企业“降本增效”起到关键性作用。

上述技术经济指标提升的主要原因在于：

（1）每个采场底部结构均由单堑沟变为双堑沟，可使铲装作业更加集中，效率显著提高，从而减少铲运机数量，与之相关的轮胎、电缆、备件、电力等消耗均有较大幅度降低；

（2）矿块底部结构的优化，使堑沟内基本不会残留崩落的矿石，留设的矿柱量也有所降低，从而降低了矿石损失率。

4 结论

（1）将单堑沟底部结构改为双堑沟底部结构，在少量增加采切工程量的情况下，避免了将出矿结构布置在充填体内的情况，降低了施工、维护的难度，且不必再将矿石下放到下中段出矿，减少了反向运输，降低了成本。

（2）采用“隔一采一”顺序分两步骤开采，每个采场均可布置双堑沟底部结构，并交错布置出矿进路，矿块生产能力由400 t/d提高到500 t/d，从而减少了同时工作的矿块数量，也减少了采准、备采工作量。

（3）小跨度的一步骤采场尽量采用中等强度的胶结料充填，较大跨度的二步骤采场尽量采用低强度的胶结料充填，充填成本也将进一步降低。同时堑沟内基本不会残留崩落的矿石，留设的矿柱量也有所降低，从而降低了矿石损失率。

（4）改进后的阶段空场嗣后充填法，具有显著的“降本增效”的效果，同时提高了采场的安全性，在类似的厚大矿体开采中，具备一定的推广意义。