急倾斜中厚-厚大矿体空场嗣后充填采矿方案优选研究

冯盼学，陈 何，解联库，董凯程，刘立顺，崔 松

(1．北京矿冶研究总院，北京 100160；2．北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

采选技术

急倾斜中厚-厚大矿体空场嗣后充填采矿方案优选研究

冯盼学1，2，陈 何1，解联库1，董凯程1，刘立顺1，崔 松1

(1．北京矿冶研究总院，北京 100160；2．北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

乌兰矿目前采用分段凿岩阶段矿房法，面临采空区安全、地表沉降破坏、技术经济指标差等问题。针对945 m水平以下开展充填采矿方法的综合比较和优选，当矿体厚度>15 m时，采场垂直矿体走向布置，优先采用大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法，以两步骤中深孔空场嗣后充填采矿法作为补充；当矿体厚度≤15 m时，采场沿矿体走向布置，根据品位高低分别采用两步骤中深孔空场嗣后充填采矿法和间柱式中深孔空场嗣后充填采矿法。

中厚矿体；厚大矿体；急倾斜；空场嗣后充填；大直径深孔

0 引 言

乌兰铅锌矿隶属于蒙古新鑫有限公司，位于蒙古国东方省，距乔巴山市约140 km。矿区属于低丘山区与草原牧区过渡带。

乌兰矿共划分9个矿体，其中5#、9#、1#为主要矿体，分别占40%、35%和10%。矿体从地表延续到地下700 m，走向长度100～500 m，倾角70～90°，厚度1.5～70 m不等，属急倾斜中厚至厚大矿体。矿石品位Pt：1.84%、Zn：4.67%、Ag：91 g/t。矿体及顶底板稳定性较好。

乌兰矿目前为分段凿岩阶段矿房法开采，主要存在以下主要问题。

1)空场法开采必然面临大规模空区处理等难题，945 m以上现已形成一定数量的采空区：其中1#矿体空区局部已发生冒落，9#矿体采场暴露面积达1 100 m2。

2)空场法开采需留设大量矿柱，损失率高，采矿方法的经济合理性较差；空场法开采将对相邻保护矿柱产生扰动，该方法诱发的地表塌陷或沉降将影响井上构筑物的安全，开采深度越深，其影响范围越大。

3)选矿厂细碎、生活区内的部分建筑物处于开采错动界限内，后期设施面临搬迁。

4)目前尾矿库库容不足，尾砂的全部排放势必大为降低尾矿库的使用寿命，而在国外进行新尾矿库的征地、审批、建设等难度较大，不确定因素较多。

总之，为消除采空区安全隐患，实现矿石资源充分回收、地表设施安全和尾砂的减量化排放，确保矿山的可持续生产，开展乌兰矿采矿方法研究，提出安全可靠、经济合理、技术可行的系统解决方案是目前矿山面临的重大难题。

1 技术思路

1)充填可以有效解决采空区和地表塌陷问题，提高资源回收率；尾砂充填至井下可以减少尾矿库库容占用和运营费用，延长尾矿库使用寿命。因此，充填法开采是乌兰矿深部采矿的合理选择，且未必会增加采矿成本。

2)从提高采矿生产能力、降低采矿成本的角度出发，应优先考虑使用高效率的大直径深孔采矿方法。该方法矿块生产能力大，爆破效率高，作业劳动强度低，安全性好。同时减少分段工程，节约成本。

2 945 m以下充填采矿方法研究

当矿体厚度>15 m时，采场垂直矿体走向布置，初选大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法、两步骤中深孔空场嗣后充填采矿法、中深孔空场嗣后充填与上向水平分层联合采矿法三种方案；当矿体厚度≤15 m时，采场沿矿体走向布置，初选两步骤中深孔空场嗣后充填采矿法、间柱式中深孔空场嗣后充填采矿法两种方案，以下予以详细说明并进行方案优选。

2.1 方案一：大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法

如图1所示，矿房、矿柱垂直矿体走向布置，采场宽15 m，长为矿体厚度，阶段高度60 m。采场实行“隔三采一”回采顺序，分矿房、矿柱两步骤回采[1]。在矿体下盘脉外布置沿脉巷，同时布置溜矿井；在矿体上盘布置回风巷道和回风井。沿矿体走向每120 m布置一条溜矿井和回风井。采场上部阶段安排凿岩硐室，因凿岩硐室跨度较大，除硐室顶板采用锚索喷浆支护外，硐室中还应预留临时点柱或条柱。底部阶段设计穿脉出矿巷道、装矿进路及受矿硐室等。根据矿体产状、矿岩稳固情况及回采现状，受矿硐室选用平底或堑沟底部结构。采用上行式开采，上部凿岩硐室则用作上阶段采场回采时的受矿硐室[2]。

图1 大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法

选用高气压潜孔台车从凿岩硐室向下凿大直径深孔至受矿硐室顶板。采用“VCR”拉槽-倒梯段侧向分段崩矿回采工艺，控制每次爆破的高度和单响药量，以免对相邻采场矿岩或充填体造成破坏。每次崩落的矿石运出约1/3，使下次崩矿留有足够爆破补偿空间，其余矿石暂留在采场中，对两侧矿岩或充填体起临时支撑作用；采场总体爆破完毕，再进行大量集中出矿[3]。采用非电环形起爆系统，毫秒微差雷管，可靠程度较高。铲运机出矿，从出矿进路中装矿经穿脉巷道运至下盘溜井；受矿硐室内残矿采用遥控铲运机清理，应避免人员直接进入受矿硐室作业。

采场出矿完毕，应及早对采空区进行充填。在出矿进路和穿脉中架设挡墙，空区中吊挂1～2条滤水管用于充填体脱水。矿房采场回采后，采用尾砂胶结充填，灰砂比为1∶4和1∶10；矿柱采场用废石或1∶20尾砂胶结充填。废石尽可能不提升地表，努力实现无废开采。

2.2 方案二：两步骤中深孔空场嗣后充填采矿法(垂直矿体走向)

如图2所示，矿房、矿柱按15 m宽垂直矿体走向布置，长为矿体厚度，阶段高度60 m。一步骤矿房采场采用分段凿岩和阶段出矿、充填，尽可能提高采充效率；阶段内划分1个出矿分段和3个无轨凿岩分段，分段高15 m，堑沟式底部结构出矿。二步骤矿柱采场采用分段凿岩、出矿和充填，通过降低两侧矿房采场的暴露高度以减少水泥用量；阶段内划分4个凿岩、出矿分段，平底式底部结构出矿。

图2 两步骤中深孔空场嗣后充填采矿法(垂直矿体走向)

中段沿脉巷道的布置同方案一。矿体下盘脉外设计有采区斜坡道、分段沿脉巷道、溜井，从分段沿脉巷道施工分段联络道、分段凿岩巷道及切割平巷；上盘布置有回风巷道和人行回风井。切割井布置在矿体中央，兼通风作用。矿石通过下盘溜井放出，再二次倒运进入下盘主溜井。矿房采场出矿水平布置穿脉出矿巷道、装矿进路及受矿硐室等；矿柱采场采用平底式底部结构分段出矿。

采用中深孔台车从凿岩巷道凿上向扇形孔，孔径Φ76～100 mm。在切割平巷中以切割天井为自由面进行爆破拉槽，切割槽形成后用中深孔以槽区为补偿空间实行分段侧向爆破，从中间槽区向矿体上下盘后退分次侧向崩矿回采[4]。每次爆落后应暂留部分矿石在采场中，对两侧矿岩或充填体进行临时支撑；采场总体爆破完毕，再进行大量集中出矿。采用普通铲运机大量出矿，遥控铲运机清理残矿。

在穿脉平巷中设置木板柔性挡墙，并从采场顶板吊挂滤水管经下部封闭门引出。矿房空区采用尾砂胶结充填，灰砂比为1∶4和1∶14；矿柱则用废石或1∶20尾砂胶结充填。

2.3 方案三：中深孔空场嗣后充填与上向水平分层联合采矿法

如图3所示，采场布置方式及结构参数，一步骤矿房的分段划分、采切工程布置、凿岩爆破、出矿及充填工艺等同方案二。而二步骤矿柱采场采用分层凿岩、出矿和充填，通过大幅降低两侧矿房充填体暴露高度以减少水泥用量；分段内划分为4个分层，分层高度为3.7～3.8 m。

图3 中深孔空场嗣后充填与上向水平分层联合采矿法

在分段巷道内布置分层联络道至矿柱采场。采用水平中深孔落矿，以分层充填预留空间为自由面进行回采爆破，普通铲运机出矿。

矿房采场回采后，采用灰砂比1∶18的尾砂胶结充填；矿柱采用1∶20尾砂胶结充填，1∶4高强度充填体浇面。

2.4 方案四：间柱式中深孔空场嗣后充填采矿法

如图4所示，采场沿矿体走向布置，宽为矿体厚度，阶段高度60 m。每阶段划分1个出矿分段和3个无轨凿岩分段，分段高15 m。

采场采用分段凿岩、分段爆破和阶段出矿、充填。采场间留隔离间柱。矿体下盘脉外设计有采区斜坡道、分段沿脉巷道、溜井，从分段沿脉巷道施工分段联络道、分段凿岩巷道及切割平巷；上盘布置有回风巷道和人行回风井。切割井布置在矿体中央，兼作回风井。矿石经下盘溜井放出。出矿水平布置出矿穿脉及受矿硐室等。

以切割天井为自由面进行爆破拉槽，而后进行分段侧向爆破，从中间槽区向两端后退分次回采。侧向崩矿顺序自上而下进行。采场总体爆破完毕，进行大量集中出矿。残矿采用遥控铲运机清理。

在出矿和凿岩分段与采场联通的巷道内架设木板挡墙，空区采用废石或1∶20尾砂胶结充填。

2.5 方案五：两步骤中深孔空场嗣后充填采矿法(沿矿体走向)

如图5所示，采场沿矿体走向布置，宽为矿体厚度。矿块分矿房、矿柱两步骤回采[5]。一步骤矿房长度较小，为10 m，尽可能降低充填水泥用量；二步骤矿柱尺寸较大，为50 m。阶段高度60 m。每阶段划分1个出矿分段和3个无轨凿岩分段，分段高15 m。

穿脉平巷布置在矿柱采场两端，作为矿块回采的联络道。其余采切工程布置基本同方案4。

先采矿房后采矿柱。在矿房和矿柱中央分别布置切割井，采用上向中深孔分段后退式侧向崩矿。普通铲运机和遥控铲运机联合出矿。

矿房采场回采后用尾砂胶结充填，灰砂比1∶4和1∶10；矿柱则用废石或1∶20尾砂胶结充填。

2.6 采矿方法综合比较与优选

采矿方法技术经济综合比较及优选见表1，其中方案一、方案二、方案三针对矿体厚度>15 m，方案四、方案五针对矿体厚度≤15 m。

表1 开采方案技术经济综合比较

图4 间柱式中深孔空场嗣后充填采矿法

图5 两步骤中深孔空场嗣后充填采矿法(沿矿体走向)

3 结 论

根据乌兰矿945 m以下矿体厚度范围分别进行多种充填采矿方法的综合比较和优选，主要得出以下结论。

1)当矿体厚度>15 m时，采场垂直矿体走向布置，优先采用大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法；而当大直径深孔方案与分段工程协调困难而难以适用时，可以采用两步骤中深孔空场嗣后充填采矿法。

2)在矿体厚度≤15 m的条件下，采场沿矿体走向布置。当品位较低时，采用间柱式中深孔空场嗣后充填采矿法；而当品位较高时，采用两步骤中深孔空场嗣后充填采矿法。

[1] 解联库，董凯程，万串串，等.瓮福磷矿大塘矿段急倾斜中厚多层矿体安全高效采矿方法[J].有色金属工程，2015，5(S1)：58-61，66.

[2] 董凯程，解联库，冯盼学，等.地下残矿高效回采技术研究[J].有色金属工程，2015，5(S1)：5-7，12.

[3] 李樟鹤.高阶段大直径深孔爆破技术在安庆铜矿的应用[J].金属矿山，2002(2)：25-27.

[4] 崔松，鲁忠华，董凯程，等.复杂第四系条件下急倾斜厚大破碎矿体采矿方法研究[J].有色金属：矿山部分，2014(1)：10-13.

[5] 崔宏亮，刘立华，张海军.深部厚大破碎矿体回采技术探讨[J].金属矿山，2009(2)：37-39.

Optimization study on mining method of open-stope succeed by fill for steeply inclined and medium-large thick orebody

FENG Panxue1，2，CHEN He1，XIE Lianku1，DONG Kaicheng1，LIU Lishun1，CUI Song1

(1.Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy，Beijing 100160，China；2.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

Wulan mine currently adopts the mining method of sublevel drilling and stage room stoping，facing the problems of goaf safety，surface subsidence damage and poor technical and economic indexes.Backfilling mining methods are comprehensively compared and optimized below 945m level.When ore body thickness >15 m，the stopes are arranged vertically to the direction of orebody strike.The large diameter longhole mining method of stage open stoping with subsequent backfilling is selected in preference，and the two-step mining method as supplement of sublevel open-stope succeed by fill with mid-depth blasthole.When ore body thickness ≤ 15 m，the stopes are arranged along the direction of orebody strike.According to ore grade，the two-step mining method and barrier pillar reserved method are adopted respectively of sublevel open-stope succeed by fill with mid-depth blasthole.

medium thickness orebody；large and thick ore body；steeply inclined；open-stope succeed by fill；large diameter longhole

2017-03-06 责任编辑：刘艳敏

“十三五”国家重点研发计划课题资助(编号：2016YFC0600802)；国家国际科技合作专项资助(编号：2015DFR70880)

冯盼学(1984-)，男，工程师，硕士，采矿工程专业，主要研究方向为采矿工艺与设计、爆破技术等，E-mail：fengpanxue@126.com。

TD823.7

A

1004-4051(2017)07-0096-05