缓倾斜含软夹层薄至中厚磷矿体充填开采技术研究

李耀基，李小双，王孟来

(1.国家磷资源开发利用工程技术研究中心，云南晋宁650600; 2.云南磷化集团有限公司，云南晋宁650600)

缓倾斜含软夹层薄至中厚磷矿体充填开采技术研究

李耀基1，2，李小双1，2，王孟来1，2

(1.国家磷资源开发利用工程技术研究中心，云南晋宁650600; 2.云南磷化集团有限公司，云南晋宁650600)

以云南晋宁磷矿6号坑东采区为工程背景，针对其缓倾斜薄至中厚含软夹层难采磷矿体，通过现场调研、理论分析、工程类比等综合性研究手段，结合当前磷矿实际的技术经济条件，对该种磷矿体转入地下后的充填开采技术进行了研究。结果表明，对于含有软夹层的两层矿体，必须采用分层开采技术才能获得较高的资源回收率。同时，采用废石、砂石、水泥及水混合制作而成的高浓度似膏体料浆，通过地面泵送管道输送至地下工作面，可获得较好的经济效果。相关的研究成果可为云南磷化集团有限公司及云南滇池周边区域大量类似赋存条件的磷矿山的地下开采工程建设提供技术与理论指导。

磷矿;充填开采技术;缓倾斜含软夹层薄至中厚磷矿体;废石胶结充填法;分层开采

磷矿是我国重要的战略资源，事关我国粮食生产安全，被国土资源部列为2010年后不能满足国民经济发展需求的20种矿种之一，磷矿需求与开发矛盾日益严峻［1－5］。

我国磷矿主要分布在云南、贵州、湖北、湖南、四川五省，资源总量167亿 t，居世界第二位。然而P2O5平均含量仅为17%，P2O5含量超过30%的富矿资源不足总量的6%，90%以上的磷矿资源为不能直接利用的中低品位贫矿。同时我国是世界上磷矿石第一大需求国，年消耗磷矿石5 000万 t，年采出富矿约3 000万 t，剩余富矿仅能维持十多年开采［6－8］。

我国胶磷矿普遍具有“缓倾斜、中薄层、多夹层”的产出状态，存在着分层开采及其顶板和矿柱稳定性等技术难题，矿石的损失率和贫化率高。据统计，每年损失的中低品位磷矿石达1.5亿t，这不仅造成磷矿资源极大的浪费，而且开采中诱发的地表开裂、崩塌、滑坡、地压等灾害频繁发生［9－12］。

云南是我国磷矿资源大省，拥有磷矿资源储量39.59亿t，占全国的23.59%。云南磷矿年产量占全国近30%，高浓度磷肥产能占全国总量的45%，黄磷产能占全国的43%。磷矿资源的高效利用，对于国家级磷复肥基地的建设和实施“西部大开发”战略具有重要的推动作用［13－15］。

云南胶磷矿床不仅倾斜缓、岩体破碎，而且矿石矿物粒度细、镶嵌关系复杂，在全国具有代表性和典型性。因此解决好云南胶磷矿采选矿工艺技术问题，也可以说解决了我国磷矿资源开发领域中关键性的共性技术问题。

1 工程概况

1.1 充填试验区选取原则与范围

云南磷化集团深部矿体开采方法试验区项目选址应遵循以下原则:

1)露天开采成本过高、剥采比不合理、不再进行露采作业的区域。

2)试验区的矿体在云南磷化集团磷矿中具有代表性;试验区的矿体为缓倾、中厚、软夹层矿体。

3)试验区项目实施与露天采矿生产相互无影响的区域。

目前云南磷化集团有限公司晋宁磷矿6号坑130号勘探线至132号勘探线剥采比达到7.00 m3/t，采矿生产综合成本达到150元/t，基本接近当前技术经济条件下的极限指标。另外，根据6号坑130号勘探线至132号勘探线钻孔资料，该区域矿体平均倾角29%，(Ⅰ+Ⅱ品级)平均厚度6.83 m，是晋宁磷矿典型的缓倾-倾斜、薄-中厚软夹层矿体，极具代表性。目前该区露天开采处于停产状态。充填法开采示范项目初步确定晋宁磷矿6号坑130号勘探线至132号勘探线之间区域作为云南磷化集团深部矿体开采试验区。根据以上原则，试验采区的范围确定在130～132号线。试验区北起130号勘探线，南至132号勘探线，西至露天开采边界。试验区域沿走向长 200 m，沿倾向长 100 m，开采标高2 170～2 230 m，按两个中段、四个标准矿房布置。

1.2 充填试验区开采技术条件

试验区段位于晋宁磷矿6号坑130～132号勘探线之间。晋宁矿区(Ⅲ、Ⅳ矿段)北起五指山北麓(34号勘探线)，南至羊石凹子顶(134号勘探线)，南北长13.7 km，东西宽1.1 km，矿区面积14.97 km2。山势北低南高，最高点标高2 485.5 m，一般标高2 200～2 350 m，与东西两侧的河床相对高差200～400 m。试验区范围出露地层时代有下寒武统梅树村组-下石炭统大塘阶，缺失古生界奥陶、志留系下寒武统筇竹寺组［16］。

试验区地质构造简单，仅含一条F2-23正断层。F2-23正断层横穿133号勘探线，北东走向，长度约为2 000 m，断距约为16 m。矿层主要赋存在梅树村组第二、三段地层中，第三段是主要富矿层。矿体走向为340°～345°，向东倾斜，倾角为15°～42°。试验区段内矿体倾角为15°～42°，平均倾角为29°，沿走向长200 m，沿倾向宽110～120 m，垂高60 m，原始埋深100～200 m。试验区段内矿层(Ⅰ+Ⅱ品级)上矿层平均厚度6.83 m，下矿层平均厚度4.83 m，夹层为泥质白云岩，夹层厚度0.50～1.20 m，上矿层平均品位27.8%，下矿层平均品位26.7%。

2 地下开采工程实施方案

2.1 整体方案与开采规模

试验区内磷块岩矿床贫富矿层之间连续沉积，物质组分渐变，矿石品位逐渐过渡。根据矿石品级划分，Ⅰ级品 (P2O5≥25%)位于含磷矿层的上部;Ⅱ级品(P2O5为15%～25%)主要位于含磷矿层的中部;Ⅲ级品 (表外矿P2O5为8% ～15%)位于含磷矿层的中、下部。本次试采区开采对象为Ⅰ、Ⅱ级品矿层，经方案比较，Ⅰ、Ⅱ级品分层开采。

本试验为地下开采采矿方法工业试验工程，试验的主要目的是寻求适合该矿体地下开采的采矿方法，优化采矿方法的矿块结构参数，分析确定地下开采可能形成的安全危害因素以及计算开采试验的经济指标。以采场生产能力作为采矿方法试验的考核指标，采矿生产能力350 t/d;充填能力63 m3/d。由于矿山生产规模与开采范围大小、采矿方法、装备水平有关，因此，本次试验主要考核采场生产能力、中段运输能力，试验期经济指标按生产规模10万t/a核算。

2.2 采矿方法

本次试验区段内矿层矿体属含软夹层缓倾斜薄-中厚矿体，采用分层开采，先采上矿层，再采下矿层。对于每层矿体，适合采用浅孔房柱法回采，二步骤充填采矿工艺，因此设计采用浅孔房柱法回采，充填法采矿。采矿工艺流程:按房柱法采矿设计形成矿房的切割、拉底巷道-设计胶结充填矿带位置回采-混凝土胶结矿带充填-矿房剩余矿体回采-采空区尾矿砂干式充填。

2.3 充填系统设计

根据试验区开拓系统设计及采矿工作面布置的情况，为避免充填运输与矿山生产的相互干扰，保证矿山矿石生产和充填作业高效、安全，充填站选择地表充填系统。地面搅拌机搅拌的充填料浆被混凝土泵通过充填管道输送至待充矿房，充填管路通过回风井下井，沿巷道架设。

地面充填站站址位于+2 240 m风井工业场地上。充填料来源:充填料骨料及细料均由该矿露天采矿产生的废石破碎解决。矿山剥离废石用矿用运输车拖运至充填站，通过破碎机制备成－25 mm石料及－3 mm中粗粒砂料，水泥通过矿用运输车托运至水泥仓储存。充填时，石料、砂料、水泥向搅拌机受料斗中定量供料，充填料浆用水来自高位水池，搅拌均匀后的充填料浆贮存于混凝土泵喂料漏斗，最终经混凝土输送泵加压输送至采场进行充填。

设计采矿生产规模为10万 t/a，年工作日按300 d计算，矿石密度为2.25 t/m3。充填系统年工作日按300 d计算。充填系统的生产能力不但要满足当前生产的需要，充填能力应有一定的余地。按设计10万t/a试生产，试验区年胶结充填量经计算为1.9万m3，干式充填量为1.42万m3;胶结充填系统日充填量63 m3/d，所需水泥20 t/d。

矿山剥离废石用矿用运输车拖运至地面搅拌站，通过破碎机制备成－25 mm石料及－3 mm中粗粒砂料，分别堆放在骨料堆场和砂料堆场中，水泥通过矿用运输车拖运至地面搅拌站储存仓中。

搅拌时，骨料和砂料经称量系统计量配料后通过皮带机输送至主料漏斗中;散装水泥通过水泥称量系统贮存于称量斗中;充填料浆用水来自水池;骨料、砂料、水泥和水按照合理配比计量后加入搅拌机中搅拌均匀，搅拌均匀的料浆贮存于混凝土输送泵喂料漏斗，最终经混凝土输送泵加压输送至坑内待充矿房。

在+2 240 m充填站设置骨料堆场、砂料堆场，满足每天充填所需的物料量;散装水泥贮存于60 t水泥仓中，约满足充填3 d缓存的物料量。矿山每天破碎废石96 t，按每天工作1班，每班8 h计算，细碎量为12 t/h。采用一台PEX-150型破碎机。该设备排料粒度调整范围为18～50 mm，处理能力8.5～28 t/h，单台电机功率15 kW。

充填料搅拌采用理论生产率为20 m3/h的搅拌站，其中地面搅拌机选择1台JZC500型移动式搅拌机，相应的配套设施有1台PLD1600型配料机，1个60 t水泥仓，1套水泥称量系统，1套水称量系统，1台搅拌站微型控制系统。料仓采用装载机上料。料仓下部设有弧门给料器，该弧门依靠气缸开启和关闭，同时结合微机集中控制，在配料时，弧门开启给料，能够达到精确配料。

搅拌好的充填料浆采用混凝土泵输送。给混凝土输送泵喂料前，尽量均匀拌合混凝土;喂料与卸料时要尽量保证泵送均匀，并且要保障混凝土标高高于集料斗内高度标志线。此外，对于混凝土泵进料斗的位置，必须配备有网筛并安排专人进行监视喂料，防止由于骨料或异物的粒径过大而造成堵塞。

根据相关矿山经验确定的充填料配比、浓度及管道输送试验结果，确定充填管路的内径D宜选取125 mm。且骨料粒级为－25 mm，采用内径125 mm钢管，符合工业应用中管径应大于粒径5～6倍的实践经验。设计初步选择使用DN 125 mm混凝土输送管，采用法兰连接［17－19］。

充填系统输送范围水平距离不超过450 m，垂直向下。根据生产能力与输送压力，考虑到一定富裕，充填碎石充填料浆输送选用HBT60-16-90s细石砂浆混凝土泵，其理论水平输送距离800 m，垂直输送距离250 m，满足试验区泵送要求。其相应的工艺流程如图1所示。

2.4 充填系统的优点

本充填系统优点主要包括以下四点:1)变废为宝，将丢弃在排土场的大量剥离废石作为主要充填骨料加以利用，减少了排土场的堆放量，节省了一定的征地费用。2)用废石作为充填骨料，地下充填体强度较高，能保证地下采矿作业活动的安全。3)废石来源广泛，距离充填采场距离很近，充填成本低。4)采用地面泵送管道输送高浓度似膏体料浆进行充填，可以利用最新的充填采矿工艺技术与成套装备，操作方便，运营成本低，系统稳定性高。

3 结论

缓倾斜含软夹层薄至中厚磷矿体是指倾角12°～30°，厚度3.0～12 m，中间含0.5～3 m泥质软夹层的磷矿体。具有倾角缓、形状变化大、矿岩界线不清、顶板围岩较为破碎、安全性低、混采时贫化率高、常规空场与崩落采矿方法回采率低等开采技术难题，其开采问题目前已经成为我国滇池地区磷矿山露天转地下开采过程中的技术桎梏。目前缓倾斜薄至中厚磷矿体开采存在的问题主要有:1)尚未解决与此种矿体地下开采相配套的机械设备、采矿方法与采矿工艺技术;2)关于缓倾斜薄至中厚磷矿体特别是破碎不稳定缓倾斜薄至中厚磷矿体地下开采的采场与围岩矿压活动规律及其支护措施的研究鲜见报道;3)磷矿地下开采引起的岩层移动和地表沉陷没有较大突破性的研究成果，相关的理论体系远未成熟和完善，尚处于初步研究阶段。本文以云南磷化集团下属的晋宁磷矿6号坑东采空区为实际研究对象，对其地下开采后的充填采矿技术进行了研究，找到了一种对上下两层矿实行分层废石胶结充填法的开采技术，能较好地解决该类矿的开采难题。相关研究结果对于云南滇池区域磷矿山难采磷矿体地下开采建设具有重要的指导意义。

图1 充填工艺流程图Fig.1 The flowsheet of waste filling process

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Study on filling mining technology of the gently inclined and thin to medium thickness phosphate ore-body with soft interlayer

LI Yaoji1，2，LI Xiaoshuang1，2，WANG Menglai1，2
(1.National Engineering Research Center of Phosphate Resources Development and Utilization，Jinning Yunnan 650600，China;2.Yunnan Phosphate Chemical Group Co.，Ltd.，Jinning Yunnan 650600，China)

Taken the No.6 pit in east mining area of Jinning phosphate mine in Yunnan Province as engineering background，the study on the mining technology for gently inclined and thin to medium thickness phosphate ore-body with soft interlayer has been done，according to the actual technical and economic conditions of the phosphate mine，on the basis of the comprehensive research method of field investigation，theory analysis and engineering analogy.The results show that: For the two layers of ore body containing soft interlayer，slicing techniques should be used to achieve high resource recovery.Meanwhile，it could obtain good economic results that the high concentration paste-like slurry made from a mix of waste rocks，dinas，cement and water has been conveied to the underground working face by the ground pumping pipes.Related research could provide technical and theoretical guidance for the underground mining engineering construction of Yunnan Phosphate Chemical Group Co.，Ltd.and a large number of phosphate mines with similar occurrence conditions surrounding the area of Yunnan dianchi lake.

phosphate mine;filling mining technology;gently inclined and thin to medium thickness phosphate orebody with soft interlayer;cemented rockfill;slicing method

TU 871

Α

1671-4172(2015)01-0011-04

“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAB08B01);云南省“十二五”科技领军人才计划项目(2014HA014)。

李耀基(1962－)，男，教授级高级工程师，硕士，采矿工程专业，主要从事磷矿资源高效开采方面的研究与管理工作。

李小双(1983－)，男，高级工程师，博士，采矿工程专业，主要从事采矿与岩石力学方面的研究。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.003