机械化盘区下向进路充填采矿法在嵩县山金的应用

于曙华 马章印 张亚鹏

摘要：嵩县山金深部矿体较为破碎，节理裂隙发育程度高，围岩稳定性较差。针对其采用上向水平进路充填采矿法存在开采难度大、采矿损失贫化严重、支护困难、采矿成本高等难题，开展了机械化盘区下向进路充填采矿法试验应用。采准方式为下盘脉外运输巷道和斜坡道相结合，采场自上而下进路开采，并采用凿岩台车钻凿炮孔，极大地提高了矿山的机械化程度。生产实践表明：采用机械化盘区下向进路充填采矿法开采每吨矿石的成本比上向水平进路充填采矿法低6.1元，经济效益较好，且该方法机械化程度高、采矿效率高、采矿成本低、安全性好、开采破碎矿体的难度低，具有较好的推广意义。

关键词：破碎矿体;机械化;盘区;下向进路;充填采矿法;经济效益

中图分类号：TD853.34文章编号：1001-1277（2021）10-0043-06

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20211009

引 言

嵩县山金矿业有限公司（下称“嵩县山金”）位于河南省洛阳市，是山东黄金集团有限公司的重点骨干企业。随着开采深度的增加，地压作用显现，原有单一的上向水平进路充填采矿法已不能满足安全高效回采需求。针对矿山下部破碎矿体开采技术难题，同时在矿山行业大力发展机械化和自动化采矿的新形势下，原有的传统手抱钻等低效率、低安全度的采出设备已不适合当前生产形势。因此，如何将机械化设备与井下采矿工艺相结合，保证井下安全、高效采掘作业[1-3]，是嵩县山金亟待解决的难题。

2019年以来，嵩县山金对采矿工艺进行了综合优化研究，开展了机械化盘区下向进路充填采矿法探索[4-7]和生产实践[8-11]。本文详细介绍了机械化盘区下向进路充填采矿法的盘区布置及采场结构参数、采准工程、落矿、出矿，以及充填与假底施工工艺，并对矿山应用该采矿方法时存在的问题进行了分析，提出了下一步工作展望。

1 工程背景

嵩县山金M2矿体平均厚度11 m，平均品位5.09 g/t，倾向290°，倾角55°，位于主矿体下盘6 m处，主矿体为构造角砾岩，严格受构造控制，上盘围岩为碎裂岩，下盘围岩为蚀变英安岩。工程地质揭露情况表明，矿区60 m以下中段的矿岩条件明显较浅部中段差，破碎程度有所增加，特别是在1勘探线—2勘探线，矿体极为破碎，现有采矿方法存在开采难度大、支护成本高、采矿损失率大及顶板安全风险高等诸多不利因素。

2 机械化盘区下向进路充填采矿法

2.1 采场结构参数

嵩县山金机械化盘区下向进路充填采矿法利用各中段现有开拓和采准工程，每个分段分为3层回采，即上向、平层、下向，分层高度4.0 m。采场一般沿矿体走向布置，采场长度一般为40～60 m，矿房长度为20～30 m，进路宽度不超过4.0 m，较为适用于破碎矿体开采[12]。

2.2 采准工程

采准方式为下盘脉外运输巷+斜坡道，相邻两分段的脉外运输巷用斜坡道连通。每个分段布置3条盘区矿石溜井，每個采场有1条脉外充填回风井与上下中段连通。采场自上而下进路回采。由脉外运输巷向矿体方向施工采场联巷至矿体上盘，联巷侧帮与脉外充填回风井贯通，联巷低洼处施工沉淀池，沉淀池内架设风泵，方便采场积水随时排出。各分层采场联巷错位布置，进路回采从采场联巷向南北分别回采。

工业化试验选择在0957采场进行，其下向采场进路布置见图1～3。

2.3 回 采

1）落矿。在回采采场内采用CYTJ45B凿岩台车进行凿岩，孔径43 mm。为使回采时不破坏充填体，减小采矿损失贫化，矿房回采时，不以充填体为自由面进行落矿。对一步骤和二步骤回采进行爆破设计，炮孔布置分别见图4和图5，矿房内采用菱形大直径空孔中掏槽，孔深2.5 m。采用岩石膨化硝铵炸药，毫秒微差起爆。

CYTJ45B凿岩台车具有外形尺寸小、转弯半径小、节约能源、噪声低、效率高等优点，其性能参数见表1。2）通风与出矿。采用局扇进行采场通风。通风完成后，采场配备2 m3铲运机将采场矿石转运至采场溜井，完成采场出矿过程。

2.4 充填与假底施工

2.4.1 充填配比试验

采用分级尾砂作为充填骨料，C料作为胶固料进行胶结充填，充填浓度72 %，由于嵩县山金的尾砂较细，直径50 mm沉砂嘴分级尾砂-74 μm约占36 %，直径60 mm沉砂嘴-74 μm约占40 %。采幅小于4 m，充填假底厚度为1.0 m时，要求最终养护强度不低于6.0 MPa;充填假底厚度为1.6 m时，要求最终养护强度不低于3.0 MPa;基础充填体最终养护强度要求不低于1.0 MPa。

为进一步提高嵩县山金分级尾砂胶结充填体强度，该矿山联合C料厂家，改变C料配比，经多次试验后，不同配比、不同龄期的充填体强度都有了大幅度提升。充填实验室C料配比改进后与不同沉砂嘴分级尾砂的试验结果见表2。

由表2可知：45沉砂嘴、充填浓度为72 %时，灰砂比1∶7养护21 d的充填体抗压强度为6.55 MPa，养护28 d的充填体抗压强度为6.12 MPa。考虑到现场数据和实验室数据存在误差，井下假底采用灰砂比1∶6充填，充填厚度1.0 m，基础充填体采用灰砂比1∶14充填，抗压强度满足要求。

除了在充填实验室做充填体抗压强度试验外，在井下作业现场采用水电钻假顶取样、预埋模具取样、充填时三通阀门取样等多种方式，检验井下充填体强度，均满足下向进路充填采矿假顶强度需求。

2.4.2 假底施工

下向进路假底构筑工艺直接影响人工假顶的强度和稳定性，而且其工艺相对复杂、要求高，必须按照设计要求，保证质量。

1）预留碎矿垫层和铺设塑料薄膜。进路回采结束后进行人工平场，将进路或分层道底板残留矿石扒平，使底板纵横向平整，底板留有厚200 mm的碎矿垫层，再在碎矿垫层上铺盖一层塑料薄膜，塑料薄膜铺在进路底板上，紧贴进路四周，边缘向上折起0.2 m。

碎矿垫层可保证下分层回采炮孔与人工假顶间距离，对爆破冲击波有良好的吸收、减弱作用，减少凿岩及爆破对人工假顶的破坏，也防止了人工假顶冒落造成的矿石贫化。铺设的塑料薄膜可防止打底充填时将碎矿胶结，避免矿石损失，而且可使下分层回采假顶平整、光滑、密实，不需再处理顶板，简化了工艺。

采场联巷在充填换层之前，需在本分层联巷与下分层联巷交接的三角位置区，铺设碎石垫层及塑料薄膜，碎石上面为人工假顶，用碎石补偿下层采联空间，以解决采场联巷换层后顶板过高造成的安全隐患。

2）铺底筋网。下向充填采矿第一分层是承载的关键，采用锚杆将应力传至稳固围岩中，实现极破碎围岩中长锚杆悬吊承载作用。其他分层在进路靠近上下盘围岩距底板1 m高度上，每隔0.9 m钻凿1个深0.8～1.5 m的下向倾斜孔（10°～20°）并安装锚杆，锚桿长度根据围岩稳定情况确定，杆体钩朝外露0.3 m，锚杆外露部分与底筋网中直径为12 mm的竖筋沿走向连接起来，以提高人工假顶的整体强度。

在塑料薄膜上铺设底筋网，底筋网主筋12 mm，副筋12 mm，网度300 mm×300 mm;主筋、副筋必须交叉编制，相交处用16#铁丝缠绕加固。若相邻侧依然为矿体时，需要在矿体一侧多0.5 m主筋用于相邻底筋网搭接。

侧帮为充填体时，将其假底预留的横筋全部揭露，缠绕搭接或焊接牢固，采用焊接时，必须保证纵筋平直焊接，平直焊接长度不小于50 mm，接头埋入充填体内;侧帮为矿体时，将预留的0.5 m横筋紧贴实帮竖立起来;侧帮为围岩时，须在距底板高1 m的岩体中钻孔并镶入锚杆，孔距0.9 m，孔深0.8～1.5 m，上（下）盘进路主筋与锚杆焊接。每根锚杆上焊接3根钢筋。

3）钢筋吊挂。吊筋沿两帮副筋布置，上端与顶板钢筋网连接，下端与底板钢筋网连接，间距2.0 m。

2.4.3 管路架设及溢流槽施工

采场内敷设充填管及排气管各1根，充填管头置于进路端部5 m处，充填管紧贴矿房顶板吊挂（见图6），在进砂管路侧面（并且必须在侧面）每3 m切割或钻凿1个放砂口，采场任何一点距离放砂口（含管口）的距离不得超过5 m，从而形成多点均匀排砂，以提高充填面平整度。

排气管采用壁厚3 mm，承压0.3 MPa的DN76塑料管，为保证下分层充填接顶，在采场铺设假底时，端部退回5 m处放置1个铁桶（废油桶）与钢筋网焊接牢固，形成人工溢流槽。下分层回采过程揭露上分层预留的溢流槽，充填时将排气管吊挂其中，以便充填接顶。

2.4.4 采场充填

采场回采出矿完毕后，对采空区进行胶结充填。以C料作为胶凝材料，分级尾砂作为充填骨料，料浆浓度72 %，料浆由主充填管路接至中段充填管路井，然后充入采场，经过一段时间的脱水、养护后达到一定强度，从而起到稳定采场的作用。其主要流程为：平场→铺碎石→铺塑料薄膜→铺底筋网→管路吊挂→架设充填挡墙→假底充填→采场充填。

充填管路：上中段主充填管路→充填回风井上部分→采场。充填分3次进行，每次间隔≥8 h。井下充填人员每隔10～15 min巡查1次，观察管路是否正常及充填情况，发现问题及时处理。

1）第一次采场打底充填。采用灰砂比1∶6、浓度72 %的料浆进行打底充填，一次性不间断完成进路打底充填，避免进路打底充填体内出现分层弱面，打底充填厚度1.0 m，稳固后单轴抗压强度达6.03 MPa，形成稳固的人工假底。

2）第二次普通充填。打底充填完毕，经8 h以上的养护期后进行上部普通充填作业，采用灰砂比1∶14、浓度72 %的料浆，可减少充填成本，稳固后单轴抗压强度>1 MPa，工艺与打底层相同，充至离进路顶板0.5 m左右的位置。

3）第三次接顶充填。采用灰砂比1∶14、浓度72 %的料浆接顶充填。信号管流浆时充填站立即关闭放料阀门，清洗搅拌桶及冲刷充填管路。

4）下向充填采场充填时严禁采场积水，充填作业人员利用各采场沉淀池内风泵及时排水。

2.5 采矿损失贫化控制

机械化盘区下向进路充填采矿法开采过程中二次贫化主要为侧帮充填体贫化。多条进路回采的矿房，为减少侧帮尾砂二次贫化，在一步骤回采矿房侧帮（矿石）施工勾花网（见图7），勾花网采用膨胀螺栓固定在岩壁上，勾花网上采用8#铁丝穿绑扎长0.3 m的木板，木板与勾花网距离0.5 m左右，形成地锚。胶结充填后，勾花网与胶结充填体通过地锚连接在一起，防止二步骤回采采场揭露勾花网时散落，使胶结充填体的整体性和强度有所提高。

3 应用效果

1）凿岩台车凿岩技术指标比较。为解决YT28型凿岩机等传统采掘工具效率低、安全性低、工人作业强度大等问题，嵩县山金经多地考察后，于2019年7月购进1台CYTJ45B凿岩台车和1台2 m3铲运机，在100中段采场进行工业化试验。CYTJ45B凿岩台车与YT28型凿岩机施工效率对比见表3。该凿岩台车与YT28型凿岩机相比，其能耗仅为YT28型凿岩机的1/5～1/4，凿孔速度高50 %～100 %、噪声低15 %～25 %。

2）主要技术经济指标。机械化盘区下向进路充填采矿法采矿损失率、矿石贫化率皆为4 %，生产能力为116.4 t/d，采切比为8.8 m/kt。以单中段1个采场为例，分别计算2种不同采矿方法开采的费用，结果见表4。经计算，采用机械化盘区下向进路充填采矿法比上向水平进路充填采矿法开采成本节省6.1元/t。

3）机械化盘区下向进路充填采矿法与上向水平进路充填采矿法相比，具有以下特点：①一定程度上降低了采矿损失率和矿石贫化率;②减少了上向水平进路充填采矿法矿房内支护费用和材料费用;③增加了充填直接成本;④下向进路充填采矿过程中，矿房顶板始终是人工构筑的假顶，对顶板基本不需采取支护措施，也不存在浮石问题，作业人员在其下面作业较为安全;⑤下向进路充填采矿法减少了爆破后浮石捡撬环节，减少了顶板维护环节，极大地提高了采出矿循环效率[13-16]。

4）机械化设备配套。凿岩台车的推广使嵩县山金井下管理产生了重要变革，主要优势有：①采矿效率大幅提高，单中段采矿效率提高200 %;②施工人员都在防护棚下作业，避免了肢体暴露在采场岩体下，安全生产得到更加有效的保证;③集中作业后，被缩减中段的管理人员可全部充实到其他中段，提高了井下生产的管理质量，同时采掘区域的收缩降低了安全管理难度，使安全管理更具有掌控力，每年为嵩县山金节省大量成本。

5）目前仍然存在的问题。①假底钢筋网垫高20 cm后进行胶结充填，从下分层揭露出的人工假底看，钢筋网20 cm以下随着回采全部脱落，钢筋网以上整体性完好。②下向充填采场效率较低，主要影响因素为人工假底铺设过程中钢筋网施工和上下盘围岩锚杆施工时间较长，影响采充进度。

4 结 语

随着嵩县山金开采深度的增加，矿山所面临的压力也在逐步增加，矿体破碎程度、节理裂隙发育程度也在上升，围岩稳定性也越差，单一的上向水平进路充填采矿法不再适用。为此，本文提出机械化盘区下向進路充填采矿法，其采准方式为下盘脉外运输巷道联合斜坡道，相邻两分段的脉外运输巷用斜坡道连通;主要特点是可利用各中段现有开拓和采准工程，每个分段分为3层回采，即上向、平层、下向。现场应用表明：机械化盘区下向进路充填采矿法具有机械化程度高、采矿效率高、采矿成本低等优点，可在类似条件的矿山中推广应用。

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Application of mechanized panel downward approach filling

mining method in Songxian Shanjin company

Yu Shuhua，Ma Zhangyin，Zhang Yapeng

（Songxian Shanjin Mining Co.，Ltd.）

Abstract：The deep ore body of Songxian Shanjin company is broken，the degree of joint fracture development is high，and the stability of surrounding rock is poor.Because the original upward horizontal approach filling mining method is faced with challenges，such as great mining difficulty，serious mining loss and dilution，support difficulty and high mining cost，this paper carried out experimental research on the mechanized panel downward approach mining method.The mining preparation means is that the transport roadway on the footwall outside the vein is combined with the ramp，the stope is mined from top downwards in approaches and steps with drill jumbo drilling bore holes，which greatly improves mechanization degree of the mine.Production practice shows that the mechanized panel downwards approach mining method saves the cost to mine ores by 6.1 yuan/t compared to upward approach mining method，with good economic profits，higher mechanization degree，high mining efficiency，low mining cost，high safety level，low difficulty to mine broken ore body，and high promotional significance.

Keywords：broken ore body;mechanization;panel;downward approach;filling mining method;economic profits