上向水平分层胶结充填采矿法在贡北金矿的探索应用

房维科，李文军，石 强，杨国徽

(甘肃玛曲格萨尔黄金实业股份有限公司，甘肃 玛曲 747300)

甘肃玛曲格萨尔黄金实业股份有限公司贡北金矿于1991年发现，1993年开始露天开采，1999年转入地下开采，生产工艺为堆浸产金。由于资源勘查力度不足，2003年停采，11年间累计采出矿石量32.83万t，累计浸出黄金700kg。2004～2005年重新进行探矿工作，累计圈出金矿体19个。矿区多年来一直采用探采结合的方式进行矿石回收，采矿方法主要采用房柱法和浅孔留矿采矿法，年采出矿石量为3万～5万t。在回采过程中遇到顶板和巷道塌陷区，则矿石废弃不出，另掘一条巷道绕过塌陷区，进行下一矿块的回收。最大回采高度8～10m(由于顶板冒落，采空区高度一般大于此值)，由于矿区内大量采空区未进行处理，造成采空区顶板以上中段矿体无法回收。另外，保留矿柱比例大，矿石损失严重，并且考虑到空区顶板暴露面积大，存在安全隐患。

由此可见，矿山当前采用的采矿方法突出问题就是采切工程量大、矿石损失严重，为提高资源回收率，必须对采矿方法进行根本上的改变。

1 矿床地质及开采技术条件评价

矿床赋存于沙砾岩地层中，矿体大部分呈不规则长条脉状、发散状，沿走向和倾向都有膨胀、缩小，分支、复合现象。矿带明显受近东西向断裂破碎带控制，沿断裂破碎带有大量次生方解石脉、断层泥充填。矿体断层面呈波状，此类断层力学性质为压扭性。

矿床地处西倾山西端南麓，属中、高山构造剥蚀地貌类型，山势西高东低，比高300～500m，地形坡度30°～50°左右。主体山脉走向近东西向，支脉呈梳状由北向南展布。沟谷向北西山体侵蚀，多呈现“V”型或“U”型，只在较长山沟的中下段形成箱状宽谷。矿区地下水靠大气降水补给，以潜渗、暗流的形式排泄于山前断陷沼泽盆地或下渗于深部构造断裂带排向深远地带。而矿区沟谷宽浅、地形坡度较大，碳酸盐岩裂隙溶洞发育，冲击卵石层透水性极好，极利于地下水、地表水的下渗排泄。

在探明的矿床中，有相当数量的储量属倾斜薄至中厚矿体，倾角35°～45°，厚度3～4.5m。矿体顶底板由灰质砾岩、白云质灰岩组成，呈厚层-块状构造，隐晶、粉晶质构造。岩石受地质构造破坏影响一般，节理裂隙发育，沿裂隙间均被方解石脉充填，岩石具强烈的赤铁矿化、碳酸盐化、硅化，岩体层间结合紧密，保持层状整体结构。

矿体为紫红色、褐红色赤铁矿化、硅化灰质砾岩型金矿石，矿石碎块间不具粘结性、氧化性和自燃性。矿石比较坚固，稳定性好。矿区地表均被高原草根层覆盖，无崖崩、滑坡、泥石流等自然灾害。

目前，3570、3602两个中段为主要开采中段，其中3602中段正在对Au3、Au6和Au8号等矿体进行设计回采；3630为残采中段，主要开采Au16、Au26和Au27号矿体；3540中段正在进行开拓。

结合贡北矿区地质条件和现有开拓系统以及采空区实际情况，可以对贡北矿区开采技术条件作如下总体评价。

1)矿区岩石质量较差，尤其矿体顶板节理裂隙发育，当采空区跨度达到一定值后不采区有效措施不能自稳。

2)开采形成的空区较多，没有得到有效控顶措施及采空区处理，部分采空区已连通成采空区群，造成采空区以上及周围资源无法回收。必须采取有效措施对采空区进行处理，以提高资源回收率和矿山经济效益。

3)目前贡北矿区开拓系统不够完善，必须进行优化，才能提高开拓系统的适应能力。

4)当前采用的房柱法生产效率低，矿石损失率高，急需选择更适合贡北矿区开采技术条件的安全、高效、经济的采矿方法。

2 采矿方法

2.1 采矿方法的选择

根据贡北矿区矿体的自身特征，考虑到国内外目前对于薄至中厚难采金矿脉地下回采方案基本有3种，即空场法、崩落法和充填法。由于崩落法对矿石损失大，贫化大，采切比过大，成本高，因此不予考虑。而对于空场法，因为矿石损失大(30%以上，而贡北金矿矿石品位较高)，贫化高，且随着采空区的增加，顶板冒落、矿体压垮、地压灾害频现，对安全影响较大，因此也不采用。再结合相关岩石力学测验和ANSYS有限元软件对矿块进行三维数值模拟，最终确定采用上向水平分层充填法[1]，这里主要介绍上向水平分层胶结充填法在贡北矿的应用。

上向水平分层胶结充填法采用了预控顶房柱法的采准布置、顶板处理方法，上向分层充填法的落矿工艺、出矿工艺和采空区处理方法(图1)

1-脉外阶段运输巷；2-穿脉运输巷；3-矿石溜井；4-行人天井;5-填充天井；6-充填料层(灰砂比1∶8)；7-充填料层(灰砂比1∶4)

2.2 采场布置和结构参数

1)采场垂直于矿体走向布置，长度为矿体水平厚度，宽度20m。

2)矿房矿柱交替布置，宽度均为10m。

3)将阶段划分为分段，分段高度9m，每个分段负责3个分层，分层高度3m(当遇到矿石和围岩都很稳固时，分层高度可加大到4～6m)。

4)回采过程中，最小控顶高度2m，最大控顶高度4m。

5)采场装矿采用人工和电耙。

2.3 采切布置

采用下脉外阶段斜坡道采准方式，阶段和各分段间通过采用斜坡道联通，在相邻矿房和矿柱中间布置掘进穿脉到达矿体边界，从穿脉开始进行拉底工作。每个矿房分别沿上盘布置一条切割上山作为回采自由面，切割上山兼作通风上山和充填井，在矿房下盘布置人行井，兼作泄水通道，每一分层水平布置脉外出矿巷道和溜井。

2.4 回采工艺

采用YT-28型气腿式凿岩机挑采2.0m，不出矿，工人站在矿堆上打水平孔压顶回采到设计高度。每次爆破后通风时间不少于40min，工作面炮烟排净后，安全人员进入采场检查顶板，清理浮石。确保采场安全后，采用铲运机将崩落的矿石卸入分段溜矿井，再由农用小四轮经阶段平硐运到硐外矿堆。采矿作业成本见表1，回采主要经济技术指标见表2。

表1 上向水平分层胶结充填采矿法采矿作业成本

表2 上向水平分层胶结采矿法回采主要技术经济指标

2.4.1 回采顺序

为合理控制地压，采用由首采区区段的中央向两翼间隔采场回采方式(图2)。

图2 最优采场回采顺序

根据免压拱理论以及砌体梁假说，两个间隔采场同时回采时，应使中央的采场超前两翼采场回采(图3)，为了兼顾无轨设备在相邻采场间的方便移动，中间采场超前一个分层，即3.0m。本分层的凿岩爆破、出矿、护顶和充填完成后，即可转到上一分层，回采时采用后退式回采。

图3 超前回采示意图

2.4.2 凿岩爆破

采用YT-28型气腿式凿岩机凿岩，炮孔直径40mm，孔深1.8m。分层水平顶部炮孔平行布置，进行光面爆破，以保证采场顶板尽量平整、稳固，同时对矿石顶板进行处理和支护。

2.4.3 通风

设计采用抽出式通风方式，新鲜风流经阶段斜坡、分段平巷及采场联络道进入采场，冲洗工作面后，污风经充填回风井排入上阶段回风平巷，可在回风充填井顶部设置局扇加强通风。

2.4.4 出矿

采用铲运机装矿石，经采场联络道、分段平巷，运输到溜矿井卸矿，由农用小四轮运出硐外。

2.4.5 采场顶板管理

爆破落矿后并经过有效通风排除炮烟后，安全人员进入采场进行敲帮问顶，清理浮石。如果顶板矿岩异常破碎，经过撬毛处理后，还存在垮落危险，无法正常作业，可考虑其他顶板支护方式，如悬挂金属网及布置锚杆等。

2.5 填充工艺

2.5.1 简易填充系统

矿区的充填系统主要设在地表，充填尾砂、卵石或50mm以下的碎石由矿石车运输，并由铲运车运到充填站堆料场。并采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥作为充填体的胶结材料。结合矿山实际情况，充填制备站采用年工作200d，每天一班，每班6h的工作制度，日充填能力设计为200m3/d(图4)。

图4 填充系统工艺流程简图

2.5.2 填充步骤

每分层进路出矿结束后，应及时进行填充，控制地压，防止围岩变形，以保证相邻进路的回采安全，进路采空区采用1∶8碎石胶结充填，回采的第一、二分层用1∶4高配比胶结体构筑假底，以提高下阶段采场回采的安全性。填充步骤如下:

1)充填前的准备工作。①采场出矿完毕后，将设备移出采场；②构筑挡墙，密封采区。用木板封闭采区各个进路口，上部留出入口和观察窗，随着充填料的逐渐升高，逐步架高木板，同时密封好木板与岩壁之间的空隙，防止跑浆漏浆；③检查地表充填制备站与充填采场之间的线路，信号装置与照明设备。

2)采场充填。所有充填准备工作完成后，即可按配比进行采场充填。充填工作以充填天井为中心，由远而近分段进行，为防止崩落的粉矿渗入充填体以及为出矿创造良好条件，每一分层充填体表面铺设一层0.2m左右的混凝土底板。混凝土地板应加入速凝剂，铺设1d后即可站在其上凿岩，2～3d后即可爆破落矿和行走自行设备，充填作业成本见表3。

表3 上向水平分层胶结充填采矿法充填作业成本

3 采矿方法存在的问题及改进措施

上向水平分层胶结充填法能有效地控制围岩变形、破坏和地表移动，为矿柱回采创造了有利的条件，矿石回收率高，贫化率低。但是充填成本高是本采矿方法的存在的主要问题，充填成本占采充直接成本的70%以上，其主要原因是水泥消耗量大，正常情况下，充填体水泥消耗量达到156～282kg/m3[2]；其次，填充骨料的采集破碎成本高。作业机械化程度低，施工队伍素质良莠不齐，导致生产效率低下。贡北金矿矿体厚度变化较大(厚度1.2～17.3m)，巷道断面规格基本为2.2m×2.0m，而且采场内多为坑木支护，故多采用人工铁耙装矿，人力推矿车出矿，工人劳动强度大，效率低，单个采区平均日出矿能力30t/d左右。

考虑到充填成本较高，贡北金矿应该在以后的生产应用中：①应扩大充填配比实验，探索碎石最大控制粒度，以进一步提高充填质量，降低充填成本；②系统建成后，在生产应用过程中应不断完善充填系统；③根据各采区围岩的稳固性和强度要求，适当调整充填配比，在保证上下阶段围岩不片帮、不冒顶的前提下留适当空间不充填，以节约水泥和骨料消耗；④探索建立废石不出井系统，用废石直接充填采空区，从而缓解提升运输紧张问题，降低充填成本[3]；⑤针对单个采区出矿能力低的问题，应采取电耙装矿，农用四轮车运输出矿；⑥加强施工队伍管理，注重对施工队伍素质培养。

4 结论

采用充填采矿法，矿山需要新建充填料制备站、充填系统。单纯从投资及成本考虑，直接经济效益较差。但是从矿山整体考虑，由于利用了矿山废石作为填充骨料，其间接经济效益、社会效益和环境效益显著，减少了废石堆场的管理费，减轻了废石对环境的破坏；有效控制顶板暴露面积，确保井下回采安全，直接控制地压，缓解地表变形，保护草原生态；矿石回收率将提高到90%～95%，回收率提高到20%～25%(目前回收率为70%)。

可以预计，随着采矿技术的进步和矿山设备的创新研发，以及机械自动化程度的提高，不光是贵金属矿、富矿适合采用上向水平分层胶结充填法，此采矿法也将在其他类型矿山得到广泛应用。

[1] 王湘桂，唐开元. 矿山充填采矿法综述[J]. 矿业快报，2008(12)：1-5.

[2] 李德辉. 设计胶结充填采矿法的几点看法[J]. 有色冶金设计与研究，1991(2):72-75.

[3] 聂世磊. 上向水平分层充填采矿法在麻姑山铜钼矿的应用[J]. 金属矿山，2002(3)：52-53.