空场嗣后充填采矿法工艺技术探讨

王薪荣，徐曾和，许洪亮(.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 089；.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北 秦皇岛 06600)

空场嗣后充填采矿法工艺技术探讨

王薪荣1，徐曾和1，许洪亮2
(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北 秦皇岛 066001)

空场嗣后充填法具有安全、高效、环保等特点。结合国内外矿山应用实例，介绍了空场嗣后充填采矿法的应用现状，详细分析了空场嗣后充填采矿法的采场结构参数、采准切割工艺、凿岩爆破技术和充填等采矿工艺技术，并介绍了国内外一些矿山的应用实例，对适用该方法的矿山应用具有借鉴意义。

嗣后充填；采矿技术；采准切割；凿岩爆破

矿产资源，人类物质资源的基础。过去，露天开采剥离的大量废石占用了大量土地，尾矿库给周边带来潜在的巨大危害。地下开采过程中遗留大量采空区又是一安全隐患。20世纪末，我国矿产资源开采混乱，形成的大量采空区，而这些采空区至今仍未处理，成为周边矿山开采安全隐患。随着开采深度的增加，一些露天矿开始转为地下开采。近年来，我国新探明许多埋藏较深的大中型矿床，如辽宁大台沟铁矿、河北马城铁矿、安徽泥河铁矿等也只能采用地下开采，地下开采比重将会上升[1]。由此看来，针对中厚及厚大矿体选择安全、高效、环保的采矿方法是矿山开采需要考虑的首要问题。

空场嗣后充填采矿法既能使用高效率的大型采矿设备，又能将废石、尾矿等回填到采空区，减少二次灾害，采用回填支撑保证安全生产，是中厚及厚大矿体适用的最佳开采方式。在国外，特别是发达国家对环境保护要求越来越严格，并制定了环境保护法之后，该方法已经广泛应用[2]，我国也有很多矿山投入实践。本研究通过分析总结国内外空场嗣后充填法应用现状及主要工艺技术，为国内进一步推广应用作为参考。

1 空场嗣后充填采矿法应用现状

空场嗣后充填采矿法，按凿岩方式的不同，可分为阶段凿岩阶段出矿充填采矿法(又称大直径深孔充填采矿法)和分段凿岩阶段出矿充填采矿法。具有机械化程度高，生产能力大、便于自动化与数字化管理等优点。矿山可以根据矿体产状和围岩条件选用阶段凿岩或分段凿岩方式。

国外大直径深孔凿岩爆破技术日趋完善，阶段空场以及分段空场嗣后充填采矿法的组合方案得到了日益广泛的应用，采矿成本大幅降低，劳动生产率显著提高[3]。例如澳大利亚Mount Isa矿、芬兰Pyhasalmi矿、赞比亚Luanshya铜矿、澳大利亚Olympic dam多金属矿、西班牙Rubiales铅锌矿、加拿大Whitehorse铜矿、美国Homestake金矿等，这些矿山都采用高效率采矿设备回采，采后废石或尾砂回填空区。我国大直径深孔采矿技术始于1982年凡口铅锌矿VCR法成功应用[4]，随后金川二矿区、金厂峪金矿、安庆铜矿、冬瓜山铜矿、铜绿山铜矿等矿山相继采用大直径深孔充填采矿技术。

近十年来，随着国家对环境保护要求的不断提高，为了解决地表塌陷和尾矿堆放占用大量土地问题，减少地下开采对环境的破坏，国内新建大部分铁矿也相继采用了空场嗣后充填采矿法。国内已经建成投产的李楼铁矿、安庆铜矿、冬瓜山铜矿、周油坊铁矿、石人沟铁矿、黄岗铁矿、书记沟铁矿等，其中李楼铁矿以750万t/a规模成为国内建成投产规模最大的充填法矿山；正在建设的有田兴铁矿、常峪铁矿、大贾庄铁矿等，其中田兴铁矿以2 000万t/a规模成为目前在建规模最大的充填法矿山[5]。

2 空场嗣后充填采矿法主要工艺技术

为了实现空场嗣后充填采矿方法的安全、高效应用，尤其是大直径深孔充填法应特别关注以下几个主要采矿工艺技术：采场结构参数；凿岩设备；采准切割工艺；崩矿方式；装药结构；关键部位爆破工艺；充填工艺等[6]。

2.1 采场结构参数

采场结构参数选定很大程度上取决于成矿地质结构和岩石力学问题，如地应力分布、矿体形态、矿体和围岩岩体力学性质等。国内外空场嗣后充填采矿法的矿块结构参数也不尽相同，采场长度一般在60 m以下，宽度在6～30 m之间，高度一般为40～60 m，最高已达120 m。详见表1[3，7-10]。

表1 大直径深孔充填采矿法采场结构参数

2.2 凿岩设备与凿岩技术

凿岩是阶段空场嗣后充填法的关键工艺之一。生产中凿岩是极度重复性工作，钻孔偏斜影响爆破效果，容易导致矿石大块率高，破坏相邻采场矿体。因此保证爆破效果必须选用高效率的凿岩设备，目前国外Atlas等公司生产的凿岩设备都具有自动、智能凿岩功能，加拿大斯托比矿和瑞典基律纳矿自动化凿岩技术应用较好。

大直径深孔凿岩设备，国外以瑞典Atlas和Sandvik公司生产的设备为代表，如Atlas生产的Simba系列高风压潜孔钻机，Simba364凿岩台车，钻孔直径在90～178 mm，钻孔深度可达51 m；铜绿山铜矿、冬瓜山铜矿、安庆铜矿均采用Simba261钻机，孔径165 mm，设备效率40～50 m/台班；Sandvik生产的DL系列顶锤式钻机，如DL421，钻孔直径89 ～127 mm，钻孔深度可到54 m，设备效率150～200 m/台班。据了解，该型号钻机国外矿山应用较多，但国内还未使用。国内有安徽铜冠公司生产的T系列高气压环形潜孔钻机，如T150，钻孔直径在120～254 mm，钻孔深度达50 m。书记沟铁矿和周油坊铁矿使用该设备，设备效率30 000～35 000 m/a。

分段凿岩设备，国产设备以YZG-90型凿岩机为代表，钻孔深度可达30 m，20 m以下效率较高。黄岗铁矿采用YGZ-90型导轨式凿岩机配CTC14型凿岩台车，凿岩效率26 400 m/台班；进口设备以Atlas公司Simba1354凿岩台车为代表，钻孔直径51～89 mm，钻孔深度可达32 m，国内采用无底柱分段崩落法的矿山广泛应用。在充填法矿山，李楼铁矿应用较好，台年钻孔效率达80 000 m。

2.3 采准切割

采准工作包括底部结构、上部凿岩硐室，切割工作包括切割槽和拉底作业。

2.3.1 底部结构

底部结构是采矿方法的重要组成部分，是一个采场的“心脏地带”[11]。目前国内外大型地下矿山以铲运机出矿为主，主要采用堑沟式和平底式底部结构。

平底式底部结构简单，施工方便，矿石回收率高。但需要采用遥控铲运机出矿，以保证出矿作业人员的安全，大块处理比较困难，国内应用较少。堑沟式底部结构，铲运机在出矿巷道内作业，设备和人员安全有保障；采场矿堆均匀下降，不出现矿堆死角；残矿回收量小，出矿效率高。国内外大型地下矿山大多采用这种底部结构。

安庆铜矿的堑沟式底部结构由扇形中深孔形成，首先利用切割巷道作为中深孔钻机(YGZ-90)的凿岩巷道，在采场中间切割巷道掘进天井作为中深孔爆破自由面，然后逐排或多排爆破形成堑沟[9]。

2.3.2 上部凿岩硐室

凿岩硐室开凿量大，暴露面积大，其稳定性至关重要。国外矿山多采用小断面凿岩硐室内钻凿扇形炮孔以保证硐室稳定[3]，见图1。对于大断面硐室，为了保证凿岩硐室的稳定，在凿岩硐室内需要留设矿柱。矿柱留设形式一般有沿矿块长度方向一字型矿柱、沿宽度方向梳型矿柱和点柱三种形式。冬瓜山铜矿在凿岩硐室内留设宽度为3.6 m的连续间柱，见图2；阿舍勒铜矿则是垂直凿岩硐室布置梳型矿柱[8]，见图3。

图1 扇形炮孔凿岩硐室布置示意图

图2 冬瓜山铜矿凿岩硐室布置图

图3 阿舍勒铜矿凿岩硐室布置图

2.3.3 拉底层和切割槽

当采用VCR法时，是以拉底层为自由面进行分层爆破，拉底层空间高度为崩落分层矿量的30%～40%。当采用阶段侧向崩矿时，是以切割立槽作为自由面，切割槽位于矿房中部或侧部，切割槽宽度一般为崩落分层矿量的20%。切割槽一般采用VCR法分段形成。

安庆铜矿采用小断面VCR法掏槽，药包埋置深度1.7～2.0 m，平均爆破高度2.52 m，孔间距2.8～3.0 m，排间距3.0 m，该方法形成切割槽时间短，采场倒梯段侧向崩矿范围大，采场爆破总成本低。

2.4 崩矿方式

国内外大直径深孔采矿法通常采用传统的VCR法水平崩矿和垂直侧向崩矿两种形式。

2.4.1 VCR法水平崩矿

VCR法是在采场底部拉底形成爆破自由面，在上部凿岩硐室内打下向大直径深孔，用球状药包自下而上逐层崩矿(3～4 m)或多层微差崩矿，见图4(a)。VCR法崩矿具有崩矿质量高，爆破效果好，大块率低，对相邻采场充填体破坏性小等特点。但要求采用高威力炸药，成本高；要求高精度凿岩；装药工艺复杂，难于实现机械化作业等缺点。目前国外一些矿山使用VCR法，如加拿大Whitehorse铜矿、美国Homestake金矿等使用，在其他矿山形成切割槽或回采矿柱时应用较多。

北京矿冶研究总院在VCR法深孔崩矿的基础上，开发了束状孔爆破技术方案。该方案在冬瓜山铜矿得到了很好的应用[12]。

2.4.2 垂直侧向崩矿

垂直侧向崩矿采用柱状药包全阶段侧向爆破，见图4(b)。具有装药工艺简单，成本低等特点。但其爆破能量利用率低，爆破效果差；爆破对采场稳定性的破坏严重，容易产生堵孔或冲孔，所以该法单独应用较少。

为了克服全阶段侧向崩矿的缺点，我国凡口铅锌矿、安庆铜矿、铜绿山铜矿等对该崩矿形式进行改进，先采用VCR法形成切割槽，作为爆破自由面，采用柱状药包自下而上逐层分段侧向崩矿，见图4(c)。通过控制崩矿高度和崩矿步距控制爆破规模。该法可减少爆破对采场壁的破坏，提高爆破效率，降低爆破成本，有利于采场周边的孔控制爆破和留矿爆破。

图4 深孔崩矿方式示意图

2.5 装药结构

深孔装药结构有连续装药和间隔装药两种结构。

冬瓜山铜矿束状深孔采用连续装药，孔底用细砂填塞2.5 m，中间连续装药卷4 m，孔口用细砂堵塞3 m；边孔采用间隔装药，孔底用细砂填塞2 m，中间每隔1 m装药卷，孔口用细砂堵塞3 m。

铜绿山铜矿根据围岩硬度分别采用不同的不耦合装药结构，对软岩区每个炮孔装4包炸药，炸药装填长度2.4 m，药包之间用0.7 m长的竹筒间隔，孔底填塞长度1.5 m，孔口填塞长度1.8 m；对硬岩区，每个炮孔装5包炸药，炸药装填长度3 m，药包间仍用0.7 m长的竹筒间隔，孔底填塞长度1.6 m，孔口填塞长度1.8 m[13]。

2.6 关键部位爆破工艺

2.6.1 采场爆破

为了提高爆破效率，美国Homestake金矿采用VCR法[7]，先起爆采场中央的炮孔，其余炮孔按菱形或同心圆顺序起爆。这样，每个炮孔都有两个自由面，破碎体积最大，块度最适中。当回采靠近顶板的矿体时，应该根据矿岩性质和采场尺寸进行严格的稳定性分析，确定安全厚度。应控制爆破规模，采用分段多排微差爆破工艺。

2.6.2 采场边界爆破

采场边界一般采用光面爆破、加强松动爆破或减震爆破。

2.6.2.1 光面爆破

光面爆破是沿采场边界钻凿一排孔，采用不耦合装药，在主体爆破前爆破，每个炮孔爆破产生切向拉应力，进而在炮孔连线上形成裂缝，从而形成一个光滑平整的岩壁。

安庆铜矿在多个采场进行了边排孔光面爆破，爆破后采场帮壁平整，爆破效果良好[9]。

2.6.2.2 加强松动爆破

矿柱回采时两侧均为充填体，为保护充填体，边排孔实行加强松动爆破。安庆铜矿矿柱回采采用加强松动爆破，采场爆破后，尾砂混入率为3%～5%，而采用加强松动爆破之前，采场尾砂混入率为7%～10%，因此，加强松动爆破对减弱爆破对两侧充填体破坏作用是有效的[9]。

2.6.2.3 减震爆破

为了减少对间柱的破坏，西班牙Rubiales矿在矿房边界采用减震爆破[7]，将炸药装入一根直径100 mm的塑料管内，塑料管与孔之间用砂子填塞。先在矿房中心用VCR法形成垂直切割槽，然后以切割槽为自由面进行倒梯段爆破。回采矿柱时，每侧留1～2 m厚的矿壁，尽量减少爆破对充填体的破坏。残留矿壁会随着放矿时自行片落，可以回收。采矿场顶部和上下盘围岩采用琴弦式锚索加固，进一步减少矿石贫化。

2.7 充填工艺

近几十年来，国内外充填工艺已较为成熟。空场嗣后充填关键在于第一步矿房回采后充填体的稳定，通常都采用胶结充填，以保证相邻二步矿柱回采期间生产安全，二步矿柱采用废石或全尾砂充填。国内一些矿山根据充填经验，在采场底部结构采用灰砂配比为1∶4 充填料浆高强度充填，正常充填采用灰砂配比为1∶10 充填料浆充填，充填接顶采用灰砂配比为1∶8 充填料浆充填。

Mount Isa矿曾使用各种各样的充填方式，包括：①水砂充填料；②胶结水砂充填料，是由水砂充填料与水泥和细磨的铜反射炉炉渣的混合物构成；③块石胶结充填料，是粉砂岩与胶结水砂充填料混合而成。采用混凝土砌筑或者采用木方加胶合板喷浆形成弧形挡墙，并布设脱水管。通过顶板专用充填孔、回风天井或联络天井充填，一般连续充填3 d后暂停充填，排出料浆中对于水分后再进行充填，28 d后达到1 MPa，养护4个月后进行相邻采场回采工作。

冬瓜山铜矿，一步矿房采用尾砂胶结充填，二步矿柱采用全尾砂充填，采场底部结构倾斜，充填时容易发生挡墙倒塌，因此采用钢筋混凝土结构挡墙，挡墙设有脱水管和充填观察管，充填到挡墙高度时暂停充填进行养护，底部结构充填完毕后在采场中央通过充填钻孔充填[10]。

3 矿山实例

3.1 澳大利亚Mount Isa矿

Mount Isa铜矿设计生产能力650万t/a，矿区有9条平行的矿脉，走向长100～800 m，其中在Black Star有3条主要铅锌矿脉，厚度一般为10～45 m；在Rio Grand地区有4个铜矿体，其中1100#铜矿体是一个大型矿体，走向长2 500 m，矿体宽度300 m，厚度150～300 m。矿石及围岩稳固性较好。主要采用分段或阶段空场充填嗣后充填法两步骤回采。矿块尺寸分别有40 m×40 m、30 m×30 m和20 m×20 m三种不同矿块，中段高度60 m，分段高度10 m。采用上向扇形孔形成拉底，罗宾斯61R天井钻机形成切割井。回采凿岩采用Atlas Promec M177环形钻机钻凿中深孔，炮孔直径102 mm；在凿岩硐室内采用Atlas 潜孔钻机钻凿下向深孔，炮孔直径140 mm。采用分次大爆破回采，遥控铲运机出矿。采场回采完后采用一步胶结充填，二步非胶结充填。该矿综合采矿成本65澳元/t，其中充填成本49.2澳元/t。

3.2 冬瓜山铜矿

冬瓜山铜矿矿体赋存-690～-1 007 m之间，缓倾斜一般10°左右，矿体沿走向长1 810 m，平均厚度34 m，最小厚度1.1 m，最大厚度100.67 m。采用大直径深孔嗣后充填采矿法，矿体按盘区划分，每个盘区20个采场，采场长50 m、宽18 m，高度为矿体厚度。采场沿走向布置，间隔回采，垂直矿体走向按“隔三采一”向两翼推进。回采凿岩采用Simba261潜孔钻在凿岩硐室钻凿下向垂直深孔，炮孔直径Φ165 mm。采用乳化炸药分次爆破，以切割槽和拉底层为自由面倒梯段侧向崩矿，矿石采用EST-8B电动铲运机装运，残留矿石用遥控铲运机回收。嗣后充填采用掘进废石与尾砂充填采场，充填料浆用充填管通过充填天井或残留炮孔进入采场。盘区综合生产能力2 400 t/d，凿岩设备效率40 m/台班，铲运机出矿效率800 t/台班，损失、贫化率8%，采切比80 m3/kt。

3.3 李楼铁矿

安徽李楼铁矿生产规模为750万t/a。矿体平均厚度48.2 m，矿体倾角65～75°，矿床工程地质复杂程度中等偏复杂。采用分段凿岩、阶段出矿采矿方法，矿块垂直矿体走向布置，矿块分两步回采，一步采和二步采的矿块尺寸相同，矿块高度100 m，矿块宽度20 m，矿块长度50 m，分段高度25 m。凿岩采用Simba1354型液压凿岩台车，台年效率80 000 m。炮孔布置采用扇形孔，孔底距2.6～2.9 m，排距1.7 m。根据矿山实际统计，炮孔延米爆破量10 t/m，炸药单耗0.45 kg/t，矿石贫化率9.42%，矿石损失率13.52%，矿石大块率20%，采场生产能力2 000 t/d，矿山采矿成本104.14元/t。

4 结 语

随着科学技术的发展，采矿设备大型化、自动化、高效化，采矿技术数字化、智能化的绿色矿山已经成为新一代矿山发展的方向。我国还有很多矿山依赖于原有的廉价人力劳动，由于空场嗣后充填具有工艺简单、成本低、劳动生产率高、环保等特点，还能应用高效采掘设备，便于自动化与信息化管理。因此，该方法值得在新建矿山或改造矿山优先考虑。从我国实际情况出发，也应着重考虑新技术、新工艺推广应用。如稳步推广先进机械设备以设备换人，琴弦式长锚索支护技术，充填料浆制备与输送优化。

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Discussion on mining technologies for open stoping with subsequent filling

WANG Xinrong1，XU Zenghe1，XU Hongliang2
(1.College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.Shenkan Qinhuangdao Engineering & Technology Co.，Ltd.，MCC Group，Qinhuangdao 066001，China)

The method of open stoping with subsequent filling is safety，high efficiency，environmental protection.Combined with the practical application of domestic and foreign mines，the application and present situation of the open stoping with subsequent filling is shown in the paper，and also introduced the stope structure parameters，the drilling and blasting technology，the filling method and the rock mechanics and any other mining technologies，and some domestic and foreign applications of the mine are also be introduced.It can be used as reference for the application of this method in any other mines.

back-filling；mining technology；mining preparation and cutting；drilling and blasting

2017-03-24 责任编辑：宋菲

王薪荣(1988-)，男，甘肃白银人，博士研究生，E-mail：xinrongw0963@163.com。

TD853

A

1004-4051(2017)08-0099-05