预控顶高分段充填采矿法在厚大破碎矿体中的应用

廖九波

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，长沙 410012；2.金属矿山安全技术国家重点实验室，长沙 410012；3.中南大学 资源与安全工程学院，长沙 410083)

鲁中矿业位于山东省济南市，周边村庄密集，采区地表均为耕地。矿体产状平缓，矿岩软弱破碎，自20世纪70年代建矿以来，一直采用崩落法开采，各采区上部覆盖层已经形成，多个塌陷坑已透至地表，对矿区及周边环境破坏严重，且生产过程中存在矿石损失贫化大、支护强度大、采矿成本高等问题。若继续沿用该采矿方法，随着开采深度的进一步加大，地压显现将更为严重，损失贫化指标将更难控制，地表塌陷范围也将进一步扩大。

为了适应相关政策的要求和满足鲁中矿业自身长远发展战略需要，急需开展崩落法转充填法关键技术研究，研究采用适应松软破碎矿岩条件的高效充填采矿方法，解决崩落法转充填法过程中的关键技术难题，较大幅度地提高出矿品位，增加铁精矿产量，提升企业经济效益[1-4]。

1 现有采矿方法存在的问题及解决问题分析

1.1 现有采矿方法存在的问题

采用无底柱分段崩落法在生产中存在以下主要问题[5]：

1)地表塌陷范围大，环境破坏严重。

矿区地表有农田、河流、公路和村庄，地表环境复杂。由于崩落法开采，目前矿区地表已出现大面积沉降、开裂和塌陷破坏，形成多个塌陷坑，搬迁难度大。

2)矿石损失贫化大，资源浪费大。

由于矿体倾角较缓，放矿椭球体发育不全，加之矿岩破碎，上覆岩层易于提前混入，进一步增大贫损指标，目前矿石损失贫化指标均达25%～28%，出矿品位仅为30%左右。

3)地压显现严重，安全隐患大，支护成本高。

由于矿岩破碎，矿体埋藏较深，采准巷道变形破坏严重。为了实现正常采矿作业，采准巷道全部采用喷锚网支护，支护成本高。随着采深的加大，巷道变形破坏现象更加严重，将导致部分采场无法正常回采，进一步加大矿石损失。

4)尾矿排放量大，尾矿库堆存压力大。

1.2 解决问题分析

解决上述问题的有效途径是研究采用高效充填采矿法及高质量的全尾砂胶结充填，其应用可以取得如下效果：

1)有效控制地表塌陷，改善矿区环境。

高质量胶结充填及充填接顶，使矿体上覆岩层不再崩落。全面实现充填采矿法后，将缩小地表移动影响范围，在加强地表监测措施后，可减少搬迁范围和搬迁费用。

2)大幅降低矿石损失贫化，提高资源综合利用率。

充填采矿法矿石损失贫化率均可控制在14%以下，矿石损失率降低可使矿石资源得到更有效的利用，可延长矿山服务年限，从而提高矿床开采的整体经济效益。而矿石贫化率的降低可提高矿石出矿品位，增加铁精矿产量，从而提高企业的年度经济效益。

3)有效控制采场地压，改善井下安全作业条件。

高质量胶结充填可对采场围岩提供有效支撑并改善围岩应力分布，从而减轻采场及巷道的变形破坏，使采矿作业得以正常进行。

4)大幅度减少尾砂堆存，延长尾矿库服务年限。

2 开采技术条件

矿体浅部受石炭系与奥陶系假整合面控制，深部受接触带控制。矿体形态呈透镜状或似层状。浅部产状平缓，近水平，至深部变陡，倾角25°～45°。长1 400 m，延深910 m，赋存标高-150～-875 m。矿体厚度1.56～122.62 m，平均厚度30.59 m。矿体TFe品位25.75%～60.01%，平均品位44.31%。

矿体顶板为石炭系板岩、角岩等，节理裂隙发育，性脆易碎，稳定性差；底板为中奥陶系大理岩等，裂隙、溶洞一般不发育，较为稳定。当其含泥质较多时，易破碎坍塌。矿石裂隙较发育，稳定性较差。少部分氧化程度较高的蜂窝状矿石和粉矿稳定性差。

本矿区水文地质条件较简单—中等，工程地质条件较复杂，环境地质条件中等。综上本矿区属复杂程度中等的矿床。

3 采矿方法选择

由于缓倾斜—倾斜破碎矿体的特殊开采技术条件，开采过程中存在采矿效率低、顶板管理困难、矿石运搬难度大、损失贫化高等技术难题。国内外矿山对此类型矿体的开采通常采用分层充填法、分段充填法、分段或阶段崩落法。随着充填采矿工艺技术的进步以及先进高效设备的应用，安全环保意识的不断增强，充填采矿法在这类矿体开采中得到了越来越广泛的应用。经过几十年的发展，充填采矿法逐步向设备大型化、作业高效率方向发展，各种充填材料、充填工艺及充填装备均应用于生产中，采矿能力可满足大规模安全高效开采的要求。如金川集团在地应力大、矿岩破碎条件下采用机械化下向进路充填采矿法，其二矿区矿石生产能力超过500万t/a，矿石损失贫化率指标均控制在5%以下。安徽开发矿业有限公司研究采用大流量充填系统及高阶段分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法，单套充填系统料浆制备输送能力达200～220 m3/h，采场平均高度达100 m，单个采场的矿量可达50万t，目前该公司矿石生产能力达到了826万t/a，充填量219万m3/a。显然，充填采矿法已经成为一种高产能、高效率，与环境保护、安全生产适应性最好的采矿方法。

充填尾砂试验成果表明，虽然本矿尾砂较细，含泥量大，但可以实现全矿区的高质量全尾砂胶结充填，充填料浆在采场中不离析、不脱水；充填体强度可以满足采矿方法要求，这些成果为充填法的实施创造了良好条件。

针对厚大矿体赋存特征、矿岩稳固性较差和矿石品位较高的特点，结合本矿山生产能力要求和国内外类似条件矿山的开采经验，选择了4种技术上可行的采矿方法，经综合分析比较每一采矿方案的回采工艺、采场地压控制、充填工艺和主要技术经济指标等，最后确定本矿山厚大破碎矿体适合采用预控顶高分段充填法开采[6-7]。

4 预控顶高分段充填采矿法的应用

4.1 盘区布置与结构参数

沿矿体走向每隔48～80 m划分盘区，盘区垂直走向布置，盘区沿走向划分成矿房和矿柱回采，每个盘区设4个矿房和4个矿柱，矿房和矿柱宽度均为6～10 m，长度为矿体厚度。中段高度为50 m，划分4个分段，每个分段均为12.5 m。

在每个中段底部采用有轨集中运输，为了确保铲运机卸矿和矿车装矿安全、高效，在有轨集中运输水平和上分段无轨出矿水平之间留设12.5 m高矿体(一个分段)作为底柱，铲运机装矿后运往采区溜井卸矿，在溜井下部安装振动放矿机向矿车装矿，该底柱在下中段可进行回采。预控顶高分段充填法标准方案见图1。

图1 预控顶高分段充填法标准方案图Fig.1 Standard scheme diagram of pre-controlling roof and high sublevel filling mining method

4.2 采准切割

主要采准切割工程有分段平巷、分段联络道、分段凿岩巷道、矿石溜井、充填天井、切割横巷、切割天井等。

采区斜坡道布置在矿体下盘脉外，坡度15%，每个分段应向矿体掘进联络道与脉外分段平巷联通，作为无轨设备通往各分段的通道。从脉外分段平巷每隔一个矿房或矿柱宽度(6～10 m)向矿体掘进凿岩巷道，也作为出矿通道。上分段凿岩出矿巷道同时作为下分段充填回风巷道。在采场的端部布置切割横巷和切割天井，在切割横巷内打上向平行中深孔，以切割天井为自由面爆破形成切割立槽，作为正常回采的初始爆破补偿空间[8]。

一个标准盘区中矿体(两个穿脉间)走向长80 m，中段高50 m，水平厚度52 m，经初步计算，盘区采切比为5.91 m/kt(61.79 m3/kt)。

4.3 回采工艺

盘区内采用自下而上回采，每次回采1～2个分段，待爆破、出矿，充填体达到一定强度后，再回采上部2～3个分段矿体。

式中：V2：滴定试样消耗的氢氧化钠溶液的体积，单位为毫升（mL）；V0：滴定空白消耗的氢氧化钠溶液的体积，单位为毫升（mL）；c2：氢氧化钠溶液的浓度，单位为摩尔每升（mol/L）；0.210：辛烯基琥珀酸基团的毫摩尔质量，单位为克每毫摩尔（g/mmol）[M（C12H18O3）=210]；m2：待测样品的质量，单位为克（g）；w0：待测样品实际测得的干燥减量，%。

分段内采用“隔一采一”的方式间隔回采，一步骤开采矿房，出矿后，高强度全尾砂胶结充填矿房，形成人工胶结充填体矿柱，待胶结体达到一定强度后，二步骤开采矿柱，低强度嗣后充填。

1)凿岩爆破

采用YGZ-90型凿岩机或DL210液压凿岩台车在分段凿岩巷道内打上向扇形中深孔，孔径Φ65 mm，凿岩机高1.2 m，排距1.5～1.8 m，孔底距1.8～2.4 m，边孔角45°。采场中深孔凿岩时，顶板稳固性差，靠顶板的孔原则上不超深。以切割天井为自由面的拉槽中深孔凿岩参数为：排距1.0～1.3 m，垂直平行孔，孔距0.8～1.0 m。

切割天井是形成切割槽的关键工艺，采用普通法掘进切割天井，但矿山可开展深孔爆破成井或切割天井钻机掘进切割井的工艺、设备研究，以提高掘井效率。

采用黏性铵油炸药，BQF-100装药器装药，非电导爆系统起爆。每个采场从上盘切割槽向下盘分段巷方向退采；每次爆破6～8排作为一个分条，对分条依次进行回采充填[9-10]。

2)采场通风

新鲜风流由采区斜坡道、分段平巷经分段联络道进入回采工作面，清洗工作面后的污风经空区汇入上分段回风巷道。由于是在巷道端部进行凿岩、出矿等作业，因此需采用局扇加强通风。

确保通风良好后再进行顶板检查和撬毛作业，检撬从采场口开始，由外向里，最后进行工作面的检撬。

3)支护

本分段开采时，上分段充填回风巷道和采场两帮应采用长锚索、树脂锚杆、喷射混凝土及金属网进行联合预支护。锚索的规格：Φ15.24 mm×6.7 m，间排距：2.0 m×4.0 m，单根锚索的锚固力大于200 kN；锚杆采用Φ18 mm螺钢托盘锚杆，长2.0 m，锚杆间距1.0 m×1.0 m；喷射C20混凝土，支护厚度为100 mm；金属网规格2.6 m×1.1 m。如现场揭露围岩极不稳定，上述支护方案不能确保巷道稳定时，应据情况采用钢拱架、中空注浆锚杆等支护方案。

4)出矿

每个分条共爆破6～8排孔，由3 m3遥控和电动铲运机出矿，铲出的矿石再经分段联络道运到附近的矿石溜井。

5)充填

分条回采完后，需及时充填采空区，以减少顶板和上下盘围岩的暴露时间。充填前先将设备移出采场，砌筑充填挡墙封闭已回采分条端的凿岩巷道，在挡墙内布置滤水管道。充填管道从上分段凿岩巷道下放，将充填料浆输送至充填工作面，对采空区进行充填。

采用全尾砂胶结充填，充填料浆浓度控制在58%～62%。一步骤开采矿房时，空区下部11.5 m高采用灰砂比1∶8、1.0 MPa以上充填体强度，空区上部1 m高采用灰砂比1∶5、2.0 MPa以上充填体强度，充填至上分段凿岩巷道底板标高后停止充填；二步骤开采矿柱时，空区下部11.5 m高采用灰砂比1∶10、0.5 MPa以上充填体强度，空区上部1 m高采用2.0 MPa以上充填体强度，二步骤矿柱也可采用部分废石进行充填。充填完后，养护一段时间，要确保充填体能够自立后方可回采后续的分条[11-12]。

4.4 主要技术经济指标

1)采场生产能力

采场生产能力具体计算见表1。

表1 采场生产能力计算表

2)主要技术经济指标

采矿贫化率：12%；

采矿损失率：14%；

采切比：5.91 m/kt(61.79 m3/kt)；

凿岩台效：58 m/(台·班)；

炮孔崩矿量：4.9 t/m；

采矿工效：49.04 t/(工·班)；

采矿生产成本(含充填)：126.20元/t矿。

5 结论

1)针对软弱破碎的厚大难采矿体，采用生产能力较大、开采成本较低的预控顶高分段充填法，该充填采矿法在鲁中矿业成功实施，实现破碎不稳固矿床规模化安全高效开采，将矿石损失率从目前的26%降低至14%以下，多回收矿石资源2 040万t；将矿石贫化率从目前的28%降低至12%以下，矿石出矿品位从目前的30%提高至38%以上，每年可多产铁精矿45.35万t，年新增产值2.45亿元以上，新增效益1.31亿元；使堆存于尾矿库的尾砂量减少186万t/a。项目的实施对鲁中矿业提质增效具有十分重要的意义。

2)鲁中矿业成为我国成功实现大规模崩落法转充填法安全高效开采的典型矿山，为我国松软破碎、埋藏深、价值高等这类复杂难采矿体安全开采提供借鉴与指导。