无轨填废上行式采矿方法的研究与应用

杨周成，徐伟，陈军

(贵州省贵定县盛源矿业有限责任公司， 贵州 贵定县 551300)

贵州省贵定县竹林沟锌矿6 m以上的厚矿体一般采用自上而下的下行式开采方法，这种方式具有初期投资较小、建设工期较短、生产系统较容易完善等优点，但缺点和隐患也很突出，比如一开始投产就较容易破坏浅表环境、消耗排土场地、破坏下分段围岩稳固性（应力逐段向下传递）、两分段之间的三角矿损失率较高、卧底打眼采矿难度较大、火工品炸材消耗较高等。

为实现废石运输出地面最小化，采用废石上行铺填后挑顶采矿的方法，能更有效地避开下行式卧底开采时卡钳、矿房高度不可控等技术难题。

1 工程地质条件

无轨填废上行式采矿方法的适用条件为：

（1）矿房围岩稳定性较好，即在第一次无轨回采后在矿柱的支撑下能维持到无轨填废铺平也不发生冒顶，否则严禁填废作业；

（2）必须具备使用无轨设备系统；

（3）矿体倾角水平—倾斜时，矿石厚度≥6 m，矿体急倾斜以上、矿石厚度≥3 m或者矿层之间的夹石≤3 m时均可采用。

矿体赋存于望城坡组一段（D3w1）地层的中下部，距离蟒山组地层一般为18.53～29.70 m，矿层顶底板岩性均为薄至中厚层状白云岩，偶夹泥质白云岩，局部具褐铁矿化，局部晶洞较发育，晶洞内多被方解石晶簇充填。其中矿体的直接顶板一般具轻微黄铁矿化、白云岩化作用，岩石RQD一般为62%～78%，单轴饱和抗压强度为24.38～141.35 MPa，平均为64.64 MPa，底板具有轻微的硅化作用，岩石较致密，节理裂隙不发育，硅化层厚度一般为3～5 m，远离矿体，硅化逐渐减弱，底板岩石RQD为66%～82%，单轴饱和抗压强度为32.16～77.06 MPa，平均为51.71 MPa，节理裂隙不发育，岩石较坚硬，力学强度较高。在调查过程中大多数坑道顶板较完整，未见有支护，只有断裂破碎带及旁侧裂隙发育地带岩体破碎，有支护，但破碎范围在垂直断层方向不超过20 m，此外，采空区内形成的最大跨距约40 m，说明工程地质条件整体较良好。顶底板较为稳定，但断层及其旁侧由于断层作用，顶底板围岩较破碎，稳定性较差。除此之外矿床内矿体顶、底板均属坚硬岩组，其稳定性好，工程地质条件良好。

（1）Ⅰ号矿体。Ⅰ号矿体位于F1断层南西侧（下盘），分布在2号勘探线与8号勘探线之间，矿体呈似层状、透镜状产出，产状与围岩基本一致，倾向320°～355°，倾角24°～27°。矿体沿走向长度约160 m，往北东向被F1断层控制；沿倾向延伸约220 m。赋存标高+1140～+1225 m。矿体厚度0.66～6.71 m，矿体平均厚度3.42 m，厚度变化系数55.24%，为较稳定型，矿体锌平均品位4.04%。矿石品位变化系数为64.49%，为均匀型。

（2）Ⅱ号矿体。Ⅱ号矿体位于F1断层北东侧（上盘），F2断层南西侧（下盘），分布在1号勘探线与4号勘探线之间，矿体呈似层状、大透镜状产出，产状与围岩基本一致，倾向296°～345°，倾角16°～27°。矿体沿走向长度约280 m，往南西向被F1断层截断，往北东向被F2断层截断；沿倾向延伸大于850 m；赋存标高+840～+1176 m。矿体厚度 0.97～15.10 m，平均厚度4.54 m，厚度变化系数55.16%，为较稳定型；矿体锌平均品位6.43%， 矿石品位变化系数为66.60%，为均匀型。

（3）Ⅲ号矿体。Ⅲ号矿体位于F2断层北东侧（上盘），分布在0号勘探线与9号勘探线之间。矿体呈似层状、透镜状产出，产状与围岩基本一致，倾向264°～323°，倾角15°～23°。矿体沿走向长度约350 m，往南西向被F2断层截断，往北东向在9线附近逐渐尖灭；沿倾向延伸大于760 m。赋存标高+910～+1185 m。矿体厚度0.51～17.30 m，平均厚度3.83 m，厚度变化系数98.46%，为较稳定型，矿体锌平均品位6.82%，矿石品位变化系数为57.20%，为均匀型。

2 开采工艺

根据已知开采技术条件，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体中≤3 m的未满足无轨填废上行式开采工艺要求，Ⅱ号矿体、Ⅲ号矿体中≥3 m的矿体使用无轨填废上行式开采工艺的井巷工程布置。已在+1010 m中段进行无轨填废上行式井巷布置。如图1所示。

图1 上行式开采布置

斜坡道布置于矿区中央，距离矿体底板10 m以上的脉外（用于进风和运输）；矿区的东、西边界分别布置回风巷，通过+1050 m中段平巷与总回风巷连接形成完善的通风系统；斜坡道与东、西两侧回风巷之间布置沿脉分层平巷，各分层之间沿矿层倾向施工切割槽贯通（除切割槽的断面为1.8 m×1.8 m的矩形巷道外，其他巷道断面均为4.2 m× 3.6 m三心拱形断面），切割槽的作用有3方面，一是使每个矿房在开采作业时具备通风流畅，及时排除炮眼和铲运设备尾气，二是除分层平巷这个出口外的第二个安全出口，三是爆破作业回采的自由面。当采切井巷工程布置完成后，即可采用无轨填废上行式开采方法进行采矿作业。

2.1 第一次无轨回采

第一次采矿与普通房柱式采矿方法一样，从外向内，矿房沿走向按20 m宽布置、矿柱沿走向按5 m×5 m留设，采高8 m，如图2所示。

图2 第一次无轨回采

2.2 第一次无轨填废

为了提高生产组织效率和降低采场冒顶、片帮风险，第一个矿房第一次采高完成后应及时填废，第一次采高8 m，填废5 m，过高会造成第二次回采时打眼空间不好架机，过低无法蹬渣打眼并且浮渣浮石无法撬干净。利用铲运机铺平压实好填充的废石，避免铲装第二次所采矿石时有较多的填废材料（人工假底）混入而造成矿石贫化。铲、堆出运输措施道，便于无轨设备铲运第二次回采矿石。如图3所示。

图3 第一次无轨填废

2.3 第二次回采

回采高度根据切割槽揭露的矿体顶板来决定，如果在第一次回采后剩余厚度可一次采全高，原则上第二次一次采出，若在第一次回采后剩余厚度在10 m以上，则第二次回采需跟第一次一样采8 m，边采边填废，如图4所示。

图4 第二次无轨回采

2.4 第二次无轨填废

在第二次回采后，剩余矿石厚度已全部采完，利用铲运机可直接填废至顶板，回采作业上行至上一个分层，剩余矿石未全部采出的则需要第三次回采，第三次填废，以此类推，如图5所示。

图5 第二次无轨填废

3 技改效果

3.1 经济效果

贵定县竹林沟锌矿在2018年6月7日之前，年平均产5万t原矿，且平均品位约为2%，尽管2017年锌金属价格奇高，但产值仍然很低，采用无轨填废上行式开采方法以来，生产能力直接提升至30万t/a，品位提升至平均4%以上，年平均产出约2万t锌金属，随着采掘布局的调整和完善，公司年均产值达4亿元，是有轨开拓时的16倍，经济效益跨越式提升。目前除了工业场地回填需要运输少量废石出来外，基本做到了“废石不出井”。无轨填废实现了技术上可行、安全上可靠、经济上高效的目的。

3.2 无轨设备的灵活使用

在2018年2月技术改造以前，贵州省贵定县竹林沟锌矿采用有轨斜井开拓，未布置辅助斜坡道，没有配置无轨设备。有轨运渣矿斗不便运输废石到采空区进行卸载充填，由于没有铲运机，也就无法把充填的废渣铺平，填废作业基本停滞，所有探矿延深或采准掘进的废石全部靠主斜井（有轨巷道）提升出地面堆渣场，然后再由外场运输货车拉到选矿厂排土场堆存，不仅占用了提升矿石的时间，也占用了排土场用地，而且还增加了外场货车费用，采空区全部闲置无用。应用无轨填废上行式开采方法后，采空区运用无轨运输系统能够可控地进行填废作业。凡下个中段开拓或分段采准所产生的废渣，均可利用铲运机装入矿用车后运至采场进行充填，填废后的采场较空置采场更稳定，降低了采场片帮冒顶的风险，并且随着填废厚度的逐渐增加，采场顶板到废石底板的高度逐渐减小，势能降低，从而降低了安全生产风险。

3.3 降低地表破坏与沉降的影响

在采用无轨填废上行式开采方法前，贵州省贵定县竹林沟锌矿采用有轨斜井开拓，按自上而下顺序开采至+1050 m水平，由于采空区未进行无轨填废作业，受采动影响的作用，地表发生过滑坡与沉降，导致进矿公路改道，矿山在治理滑坡和公路改道上面不得不额外投入了大量资金才使得矿山恢复正常运转。而自从采用无轨填废上行式开采方法后，采场顶板没有发生过大面积垮落，填充的废石增加了矿柱的强度，且矿柱被废石所包围，自然减少了矿柱开裂、片帮的情况，从而降低了地表破坏与沉降影响。

4 结论

无轨填废上行式开采方法存在一定的局限性，其适用的技术条件比较苛刻，考察过其他铅锌矿山 和多金属矿山，大多数不满足应用前提条件，只有矿体顶底板稳固到能支撑第一次回采后没有立即垮落或片帮时才行，这也是无轨填废上行式开采方法在国内外不常用的原因之一。此外，前期投资要一次性到位、建设期长等也是影响应用的重要因素；所以真正实施无轨填废上行式开采的矿山不多，但鉴于其相比较下行式采矿方法具有非常明显的技术优势和经济方面的突出优点，在开采技术条件类似的地下矿山非常具有推广应用价值。