充填采矿法矿块结构的研究

姜仁义

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

·采矿工程·

充填采矿法矿块结构的研究

姜仁义

(中冶京诚(秦皇岛)工程技术有限公司)

矿山设计和生产中选择合理的矿块结构可以提高矿块的生产能力，有利于减少矿石的损失贫化，有利于采场稳定和安全生产。根据矿山生产实际，对充填采矿法中与采充工艺有关的矿块空间结构和充填体结构进行了分析研究。在普遍采用矩形结构矿块的基础上，提出了梯形、倒梯形、菱形、哑铃形结构或其组合结构的可能性，并分析了不同矿块结构的特点及适用条件。

充填采矿法 矿块结构 充填体结构 采充工艺 分步回采

充填采矿法的矿块结构不仅与采掘工艺、地质条件有关，还与充填体材料、充填工艺及最终的充填体有关。综合考虑各种因素，选择适合矿山具体条件的矿块结构，对提高矿块的生产能力，减少矿石的损失贫化，降低生产成本，改善作业条件，有一定的现实意义。

1 充填采矿法矿块结构研究的范围

一般情况下，充填采矿法的生产矿块包括与矿床开拓工程相连的采切工程、矿房、矿柱和底部结构等几部分。对设置永久矿柱的充填采矿法，在矿柱支撑的条件下回采矿房，矿房回采结束后进行充填，充填养护结束后回采下一个矿块，这在本质上与空场采矿法事后充填采空区相同，其矿块组成、结构形式和回采工艺也与空场采矿法相同。对不设置永久矿柱的充填采矿法矿块来说，矿块内不再划分矿房和矿柱，一次或分次采出矿块内的全部矿体，相邻矿块可互为矿房和矿柱，依次分步回采。一步采矿块回采时，依靠相邻矿块、其他围岩的自稳定或相互支撑；二步采矿块回采时，依靠相邻的一步采矿块回采结束后的充填体及其他围岩的自稳定或相互支撑。这种采矿方法的一步采矿块也称为矿房，二步采矿块也称为矿柱。

随着无人操作出矿设备在充填采矿法中的大量应用，无底柱、无底部结构的充填采矿法越来越多，充填采矿法矿块的组成越来越简单。

在充填采矿法的生产矿块中，最重要是作为回采对象的矿体，采切工程、回采工程、充填工程都要以能够方便、高效地回采矿体为原则进行布置和实施。充填采矿法矿块结构的研究主要是研究划为一个矿块开采的矿体的空间结构，也即研究矿块的空间结构。矿体划分成不同结构的矿块主要是便于回采、充填，矿块空间的结构与采充工艺密切相关。

充填采矿法在开采过程中要充填形成起有效支撑的结构物，即充填体。矿块空间结构内的充填体与矿块结构相关，研究充填采矿法矿块结构的同时，也要研究充填体的结构特征。

2 矿块的空间结构

在矿山设计和生产中，充填采矿法的矿块结构一般指与采充工艺相关的矿块空间结构。矿块空间结构参照其相关的采充工艺可以划分为块状结构、层状结构、条状结构及其他形式的结构。

2.1 块状结构

深孔、中深孔凿岩的阶段充填采矿法、分段充填采矿法的矿块结构大都可以看作是块状结构，其主要特征是矿块尺寸较大，钻机在硐室或巷道内钻孔凿岩，孔径较大、钻孔较深，凿岩爆破效率较高，作业较安全，常用于中厚及以上、矿岩较稳固、较规则矿体的开采，是目前地下金属矿山大规模开采的主要结构形式。

块状结构矿块的开采通常在一个采充循环内完成。与回采设备的合理作业范围、采切工程的合理服务范围相比，块状结构的矿块仍然较小。设计和生产中通常将几个相邻矿块划为一个盘区，一个盘区内所有矿块共用溜井、天井及采掘设备，盘区内矿块分一步采矿块(或矿房)和二步采矿块(或矿柱)，先采一步采矿块，后采二步采矿块，一步采矿块、二步采矿块间隔布置。当矿体稳固性较好时，同时回采的一步采矿块之间可以仅隔1个二步采矿块，即隔1采1；为了确保采场稳定，同时回采的二步采矿块之间通常隔2个一步采矿块和1个二步采矿块，即隔3采1。部分充填采矿法矿山的块状结构矿块参数见表1。

表1 部分充填采矿法矿山块状结构矿块参数 m

矿山阶段高度一步采宽度长度凿岩段高出矿段高二步采宽度长度凿岩段高出矿段高备注中关铁矿12018矿体厚(≤50)606018矿体厚(≤50)6060设计田兴铁矿1002052.550502048.55050设计李楼铁矿10020矿体厚(≤50)10010020矿体厚(≤50)100100设计、生产周油坊铁矿12020矿体厚(≤50)6012020矿体厚(≤50)6060设计书记沟铁矿12015矿体厚(≤50)6012020矿体厚(≤50)6060设计、生产黄岗铁矿10012矿体厚(≤50)12.55018矿体厚(≤50)12.550设计、生产张马屯铁矿6016矿体厚(≤50)126015矿体厚(≤50)1260生产冬瓜山铜矿矿体厚(≤107)1882矿体厚(≤107)矿体厚(≤107)1878矿体厚(≤107)矿体厚(≤107)生产

一步采矿块和二步采矿块结构参数相同的属等块状结构，采用等矿块结构的生产管理相对简单，矿山设计中常推荐采用等矿块结构。由于一步采矿块采用胶结充填，且胶凝材料配比较高，生产成本高，为了减少胶凝材料用量，降低生产成本，也可以适当调整一步采和二步采矿块的结构尺寸，使一步采矿块的尺寸小于二步采矿块，即采用“一小二大”的矿块结构。特殊情况下，如矿山投产初期，为了加大产量，或矿岩稳固性好，胶结成本较低时，也可以采用“一大二小”的矿块结构。矿块的结构与相邻围岩密切相关，层状、似层状、脉状中厚以下矿体一般沿矿体走向划分矿块，矿块由矿体顶底板及相邻矿块的边界组成，在上下盘围岩之间呈近似平行的结构形式；对厚矿体，一般垂直矿体走向布置矿块，矿块的结构形式也在一定程度上受到矿体上下盘围岩的限制。

厚大矿体中远离矿体上下盘边界或仅局部为上下盘边界的矿块数量多，占比大，其结构形式对矿山的生产有较大影响。目前这类矿块的几何结构形式均采用矩形，矿块的几何体为柱体、长方体等形式，其优点是便于管理，缺点是矿体、充填体垂直的矩形平面大面积临空暴露时易垮塌、冒落，造成矿石的损失贫化[1]。根据矿、岩及充填体的特性，这种块状矿块还可以采用其他形式：梯形(至少一个断面为梯形，几何体为棱锥台、锥台、梯台，本文称为锥台)、倒梯形(几何体为梯形锥台的倒置，可称为倒锥台)、菱形(截菱形、纺锤形或组合梯形，上部为梯形，下部为倒梯形，实际上是截菱形，该结构形式的矿块至少有一个断面为截菱形，其几何体为截菱体、哑铃形(组合梯形，上部为倒梯形，下部为梯形，该结构形式的矿块至少有一个断面为哑铃形，其几何体为哑铃体)组合形式，标准的矩形、梯形、倒梯形、菱形、哑铃形结构及其间隔布置形式见图1～图4。

图1 矩形结构矿块及其间隔布置

从图1～图4可以看出，与其他结构形式相比，矩形结构矿块的顶板暴露面积居中，形式简单，便于回采，实际生产中，其侧面临空垮塌较多，特别是二步采时，充填体的垮落一方面造成矿石贫化，另一方面削弱了一步采充填体的支撑作用，产生安全隐患；梯形结构矿块顶部暴露面积小，空间接近拱形，采场总体稳定性较好，在应力成拱的作用下，不易产生大范围冒落；倒梯形结构矿块侧帮内倾，不易垮落，顶板暴露面积加大，增加了顶板冒落的风险，但倒梯形结构矿块的顶板是下部矿体凿岩、充填和上部矿体出矿作业的水平，可以利用采切工程进行预控顶支护，控制顶板冒落；梯形与倒梯形结构矿块相间布置，联合使用，采场稳定，有利于改善矿石的损失贫化指标；菱形结构的矿块与相邻矿块上下交错布置，初始阶段需要间隔设置梯形(自下而上推进时)或倒梯形(自上而下推进时)结构矿块，且凿岩、出矿、充填等水平巷道要在所有采场的顶部或底部设置，工程量较大，但菱形采场接近椭球体，受力条件最好，有利于采场稳定，有利于控制矿石的损失贫化；哑铃形结构矿块受力条件最差，其上部回采需要在中心切割，向采场边帮退采，以减少对中部边帮的破坏；菱形和哑铃形结构矿块间隔布置，可以发挥环形凿岩设备的凿岩能力，实现大规模高效回采。

图2 梯形、倒梯形结构矿块及其间隔布置

图3 菱形结构矿块及其间隔布置

图4 菱形、哑铃形结构矿块及其间隔布置

块状结构矿块体积越大，越能发挥采矿设备的效率和提高生产效率。在确保围矿岩稳定的条件下，增大矿块体积主要有两个途径：①借鉴柱体稳定的特性，在平面上将矿块布置成近正方形、近正方形，扩大其周长增大矿块的平面面积，增加矿块的高度增大矿块的体积，如澳大利亚芒塔艾萨(MountIsa)铜矿矿块平面尺寸40m×40m、40m×30m，当矿块高度达到200m或以上时，矿块体积超过30万m3[2]；②利用单向板特性，在能够保证采场稳定矿块宽度不变的条件下，增加矿块的长度增大矿块体积，如冬瓜山铜矿矿块的宽度18m，长度达82m，当矿块高度(为矿体厚度)达到70m时，矿块体积超过10万m3[3-5]。块状结构矿块的体积主要取决于矿体的赋存条件、稳固性、充填体的自立能力及回采充填工艺。从目前设计和生产的矿山看，块状结构的小型矿块体积在5万m3(矿块的参考尺寸(宽×长×高)：15m×50m×50m)以下；中型矿块的体积在5～10万m3((20m×50m×50m)～(20m×50m×100m))；大型矿块的体积在10～20万m3((20m×50m×100m)～(20m×100m×100m))；特大型矿块的体积超过20万m3(≥20m×100m×100m)。

2.2 层状结构

分层开采的矿块结构多是层状结构，其特征是浅孔凿岩落矿，分层回采，人员、设备在采场内作业，矿石损失贫化较少，生产效率较低。

层状结构的矿块由多个分层组成。设计和生产中通常将几个相邻矿块划为一个盘区，一个盘区内所有矿块共用溜井、天井及采掘设备，盘区内矿块间隔开采。层状结构矿块的开采要在多个采充循环内完成，其中每一层至少要进行一次采充循环。

层状结构矿块的主要参数是分层的平面尺寸及分层高度。分层的平面尺寸主要取决于矿体规模、矿岩的稳固性，矿体规模较大、矿块内留设矿柱、加强顶板支护均可增大分层的平面尺寸；分层高度一般指正常回采过程中一个采充循环内的落矿高度或充填高度，主要取决于矿体围岩、矿体、充填体临空时的稳固性及回采工艺，稳固性较好时，可以加大分层高度。

层状结构矿块上向分层回采时，正常回采区段的分层高度一般为4～6m，采用凿岩机浅孔凿岩时“两采一充”或“一挑一压”再充填，即两次凿岩落矿一次充填；凿岩台车浅孔凿岩一般为“一采一充”，充填高度等于落矿高度。正常回采区段的最大空间高度为充填高度或落矿高度与空顶距之和，空顶距即充余高度、空顶高度，是便于上分层回采的空间高度，因而正常回采区段充填不接顶。部分充填采矿法矿山的层状结构矿块参数见表2[6]。

2.3 条带状结构

进路式回采的充填采矿法和壁式充填采矿法的矿块结构都是条带状结构(或称条状结构)。条带状结构矿块采用进路或将矿体分成条带进行回采、充填，由于断面较小，一般采用浅孔凿岩。

表2 部分充填采矿法矿山层状结构矿块参数 m

矿山阶段高度一步采宽度长度分层高度二步采宽度长度分层高度备注新城金矿508～7矿体厚3.3～4.57～8矿体厚3.3～4.5生产三山岛金矿40～4510矿体厚2.5～410矿体厚2.5～4生产石人沟铁矿12020矿体厚3.6～3.830矿体厚3.6～3.8设计杨官营铁矿60矿体厚40～804.2～4.4矿体厚40～804.2～4.4设计高官营铁矿60矿体厚80～1004～5矿体厚80～1004～5设计、生产安各庄矿6010矿体厚512矿体厚5设计

条带状结构矿块基本不受开采技术条件限制，但生产效率较低，成本较高，主要用于回采不稳固、极不稳固矿体。

条带状结构矿块的开采要在多个采充循环内完成，其中每一条带至少要进行一次采充循环。

为了提高生产效率，需要增大进路或条带的断面，增加其长度。进路或条带的断面增大、长度增长会加大回采难度，通风、支护成本提高。矿山设计和生产中应根据矿岩条件和采掘工艺设备，选择合理的条带断面、长度及回采工艺。

采用进路式回采的充填采矿法矿山，电耙出矿时，进路断面为(2.5～3)m×(2.5～3)m；采用无轨设备出矿的进路断面主要取决于设备规格，2～6m3铲运机的进路断面一般为(4～5)m×4m。为了改善进路的受力条件，金川镍矿采用了六角形断面。六角形断面的腰宽为5.4m，顶底宽2.6m，高4m。进路长度根据出矿设备的合理运距确定，电耙出矿时一般为40～60m；铲运机出矿时一般为100～200m[7-9]。设计和生产中通常将多条相邻进路划为一个矿块(也称作盘区)，一个矿块所有进路共用溜井、天井及采掘设备，矿块内进路间隔开采。

采用壁式充填采矿法的矿山，其回采条带与进路式回采充填采矿法矿山的进路相似。当矿体厚度较小，围岩稳固性较好时，其回采条带可以适当加宽。一般情况下，壁式充填采矿法回采条带的宽度为2～8m。

2.4 其他结构形式

除了前述常用的结构外，充填采矿法也可根据需要留设临时矿柱，如矿块间柱、盘区间柱等。这些间柱在中段、矿块或盘区回采期间作为临时矿柱，回采结束后再回采，即“三步采矿块”。“三步采矿块”的结构一般应与一步采、二步采矿块相同或相近，以便于采用相同或相似的工艺回采[5-6]。

为了减轻采矿对地表、围岩及有关工程的影响，充填采矿法也可留设永久矿柱。在矿块范围以外如矿块间柱、盘区间柱等的永久矿柱，一般不影响正常回采的矿块结构；在矿块范围内留永久矿柱，如点柱式充填采矿法，从地压控制方面看，其矿块结构是一种组合结构，是层状结构矿块与矿柱的组合，可以有效地控制地压。

矿体的边角部位、孤立的小矿体等，空间形态不规则，可以根据矿体相似原理，采用相同或相似矿体的回采工艺和结构形式[10]。

3 充填体结构

充填体结构是充填采矿法矿块结构的重要组成部分，主要有散体结构、胶结体结构、组合结构及流体结构。

(1)散体结构。干式废石充填、单一的水砂充填形成的充填体即为散体结构。散体结构的充填体不具有自立性，沉降系数较大，具有一定的可压缩性，在封闭的条件下，具有一定的承载能力。充填采矿法矿山的二步采矿块一般采用散体结构。

(2)胶结体结构。胶结体结构包括尾砂胶结结构、碎石混凝土结构、碎石尾砂胶结体结构、钢筋混凝土结构等。胶结体结构一般可以达到要求的强度，能起到有效支撑。充填采矿法矿山的一步采矿块应当采用胶结体结构。

(3)组合结构。根据生产需要采用散体、胶结体等相结合的结构。如矿块底部有矿体需要后期开采时，一般仅需在矿块底部设置钢筋混凝土胶结体结构或其他胶结体结构，其上部、中部则可以采用其他结构形式。二步采矿块上部需要行走无轨设备时，其矿块上部也应采用胶结体结构。

(4)流体结构。水力充填体在沉淀脱水、胶结之前属流体结构。一般条件下，流体不具有承载力，流体结构的充填体只是暂时状态，脱水、胶结之后成为散体或胶结体。但是，在地下开采期间及至开采结束闭坑后，地下水有可能重新渗入充填体，使得散体结构的充填体重新变成流体结构，这种结构的充填体与地下充水溶洞相似，可能危及矿山的安全生产和地下岩体的稳定，应当严加防范。

在封闭的条件下，流体结构具有不可压缩性和超强的承载能力，利用其这一特性变害为利，与地下水的综合整治、采场和井巷的充填封闭统一考虑。

4 结 论

(1)充填采矿法矿块结构的主要部分是与回采工艺相关的矿块空间结构形式及充填体的结构。

(2)与回采工艺相关的矿块的空间结构形式可以划为块状结构、层状结构、条带状结构和组合结构。深孔、中深孔凿岩的阶段充填采矿法、分段充填采矿法等的矿块结构是块状结构，块状结构是充填采矿法矿山的主要矿块结构，矿块的生产能力大，生产效率高；分层充填采矿法的矿块结构是层状结构；进路式回采的充填采矿法和壁式充填采矿法的矿块结构是条带状结构。

(3)充填体结构主要有散体结构、胶结体结构、组合结构及流体结构。散体结构和胶结体结构是充填体的两种基本结构，矿山设计和生产中应当根据实际需要选择充填体的结构形式。

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Research on the Structure of the Block Mining by Filled Stope Mining Method

Jiang Renyi

(MCC Capital Engineering & Research Incorporation Qinhuangdao Co., Ltd.)

If the applicable structure of the block would be adopted in mine's design and production, the production capacity of the block could be improved, and it is helpful to reduce loss and dilution of the ore, and it is helpful tothe stope stability and safety in production. According to the practice of mine's design and production, it is studied that the space structure which associated to the technology of mining and filling,and the structure of filled body in filled stope mining method. Based on the rectangular structure of the block that is widely adopted, the possibility of adopting the trapezoidal,the inverted-trapezoidal, the rhombic and the dumbbell shaped structure are put forward, and the characteristics and applicable conditions of the block structures are analyzed.

Filled stope mining method， Structure of the block， Structure of filled body, Technology of mining and filling, Mining by step

2014-09-01)

姜仁义(1959—)，男，教授级高级工程师，066004 河北省秦皇岛市经济技术开发区龙海道71号。