三山岛金矿深部矿体上向水平分层充填采矿法优化研究与应用

2021-02-27贾万玉吴若菡万串串

有色金属（矿山部分） 2021年1期

贾万玉，吴若菡，万串串

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿，山东莱州 261400；2.矿冶科技集团有限公司，北京 102628)

浅部矿产资源逐渐枯竭，深部资源开发是目前全球矿业发展的趋势。随着深部已探明资源量逐步增加，资源开发不断走向地球深部，世界主要矿业大国相继进入深部开采。据不完全统计，目前超过1 000 m的矿井已有100余座，分布在南非、加拿大、德国、俄罗斯、波兰等地区和国家，其中以南非最具代表性，最深达4 800 m[1-3]。我国金属矿产资源开发技术近年来取得了长足进步，部分技术达到或超越了国际领先水平，2004年我国的千米深井仅有8处，2018年全国千米深井已达80余座，并以每年10～25 m的速度向下延伸，我国深部资源开采逐渐成为新常态[4-6]。本文以三山岛金矿西山矿区深部矿体开采为背景，通过分析目前生产中存在的技术难题，从采场联络道(以下简称“采联”)布置、回风联络道(以下简称“风联”)布置、回采工艺等方面进行优化，以应对深部开采高应力作用对工程稳定性的影响。

1 三山岛金矿开采现状

三山岛金矿西山矿区目前开采深度已超过800 m，拟开发的西岭矿区矿体也集中赋存在-800 m以下，这两个矿区作为三山岛金矿未来主要生产区域均已进入深井开采区域。目前三山岛金矿主要采用上向水平分层充填采矿法回采矿体，按照采场结构划分主要有点柱式、盘区式、普通分层式及进路式上向水平分层充填采矿法[7-8]。在实际生产过程中，主要依据矿体赋存形态及矿岩稳固情况选择合适的采矿方法。西山矿区进入深井开采区域后，1 640线以南区域矿体赋存情况不理想，矿体厚度及走向长度均逐渐缩短，该部分区域主要采用普通分层式、进路式采矿法进行回采；1 640～1 800线间赋存厚大矿体，矿石平均品位1.9 g/t以上，局部矿体厚度超过60 m，且矿体沿走向方向赋存连续，矿石内夹石赋存情况较少，适合于采用高效采矿方法进行回采，目前该区域均采用垂直矿体走向盘区式上向水平分层充填采矿法。

2 目前存在的技术难题

深井开采不可避免带来高岩溶水压、高地应力、高地温、强烈开采扰动等问题，这些问题直接导致深井开采安全性差、效率低、成本高、环境恶劣，影响深井安全高效开采[9-10]。

从西山矿区-780中段以下深部开采区域生产现状来看，深井开采面临的高地应力问题是直接制约深井安全高效开采的主要因素。在高地应力作用下，西山矿区深部围岩出现与浅部围岩截然不同的破坏形态，深部各巷道、采场的顶板、两帮垮塌现象比比皆是，脆性岩体在持续高地应力作用下，有时会出现岩爆现象，安全隐患日益突出，给生产造成巨大影响。

用上向水平分层盘区采矿法回采1 640线以北厚大矿体时，矿房、矿柱均垂直矿体走向布置，每分层矿房、矿柱对应的一步、二步采场规格均设计为10 m宽×4 m高×矿体厚。该采场结构参数在-780中段以上区域应用时未发现异常，但进入深部后，随着地应力作用逐渐显现，采用常规10 m宽采场跨度，在实际回采中发现，在现有支护条件下，采场支撑能力不足，采场回采过程中需不同程度预留部分点柱支撑顶板，造成一定的矿石损失且点柱后期回收安全风险很大。因此，进入-780中段以下区域后，在盘区上向水平分层采矿法设计时，通常将原10 m宽采场跨度缩小为8 m宽。

在实际生产中发现，尽管通过缩小采场跨度，能有效解决盘区采场因顶板暴露面积大需预留点柱造成矿石损失问题，但采场跨度缩小后，相同范围内盘区采场数增加，带来盘区采联间距进一步缩短、中分段巷采联开口数增加、采场回风风联布置困难等系列问题，特别在高地应力作用下，采联垮塌、风联提前揭露、中分段巷上盘侧失稳等现象频发，同样制约了盘区采矿法的安全高效回采。

为此，亟需针对盘区采矿法的上述问题进行系统优化，有效规避常规盘区采矿法诸多安全隐患，为深井开采条件下上向水平分层充填采矿法安全高效回采提供有效的保障。

3 改进措施

3.1 “人字形”采联优化布置

西山矿区根据矿体赋存形态，普遍采用上向水平分层盘区充填采矿法，采场宽度为10 m，采联断面为3.6 m×3.3 m，以往采准设计中各盘区采场采联均由中分段巷开口进行施工，采联最大间距仅为6.4 m，在采联两帮垮塌情况下，采联“间柱”宽度仅能维持在4 m左右，安全隐患较大。特别是进入深井开采区域后，盘区采场由10 m宽缩小为8 m宽，相邻采联间距仅4.4 m，在高地应力作用下，相邻采联间岩柱破坏较严重，相互影响。由现场施工情况可知，各采联开口对施工后的中分段巷应力状态造成破坏，采联开口处往往成为工程“薄弱区”，该区域顶板冒落频发，两帮支护失效、维护困难，安全隐患大，如图1所示。

鉴于盘区采场各采联开口顶板冒落、两帮支护失效频发现象，对盘区采准工程进行优化，研究提出“人字形”采联布置形式，即一步采场采联施工结束后对采联开口范围内5 m左右巷道加强支护，确保该部分巷道长时间处于稳定状态，一步、二步采场采联共用该部分巷道，二步采场采联施工时不再对已趋于稳定的中分段巷再次造成破坏，对于维护主运输巷道稳定意义重大。具体布置形式如图2所示。

“人字形”采准工程优化方案在-735中段、-780中段盘区一步、二步采联施工中得到验证，如图3所示。从效果上看，该方案解决了盘区采联开口多、布置密集造成中分段巷破坏等问题，有效杜绝了开口处巷道顶板冒落、两帮垮塌对生产的影响，应用效果显著，该方案作为有效手段在西山矿区-780中段以下、1 640线以北盘区采准工程中得到推广应用。

3.2 “脉外双通道”优化布置

西山矿区深部1 620线以北区域为热水淋水、破碎区域，该区域节理裂隙发育严重，岩体完整性差，趋于散体结构，且节理间普遍存在泥质充填，自身稳定性较差，加之涌水存在，巷道往往一经揭露即出现不同程度的冒落。因此，深部中分段巷开拓过程中，局部区域需要架设U型钢联合混凝土墙进行支护，见图4。该支护作为中分段巷永久性支护，已支护区域无法开口施工采场采联。

为解决中分段巷永久性支护区域采准工程无法施工的问题，研究提出采用“脉外双通道”布置形式，即在支护区域两端围岩条件较好区域施工采联，采联施工后平行于中分段巷方向施工脉外通道，避开中分段巷已支护区域，通过布置脉外通道将各采联进行连接，确保采准工程正常施工。图5为已支护区域脉外双通道优化布置图。

3.3 采场通风工程优化布置

采用上向水平分层充填采矿法回采时，一步、二步采场之间不留间柱，采场风井统一与上中段风联联通。为确保厚大矿体采场通风效果，盘区采场风井常布置在矿体内，对应风井上口同样布置在矿体内。常规回风风联常采用两种布置形式，一种是主风联布置在矿体内，主风联与风井直接连接，不设或少设小风联；另一种是主风联布置于废石内，通过主风联施工长距离小风联与风井贯通，如图6所示。

实际生产中，当主风联布置于矿体内，采场回采至近主风联底板高度时，常常由于风联空区造成风联处采场顶板塌方，且采场一旦揭露风联，采场顶板部分区域冒落加重，局部高度超过7 m左右，安全隐患增大，直接造成风联下方采场两侧矿体无法回收；即使主风联布置在废石内，需施工长距离风联，仍然存在采场顶板揭露风联后，采场下盘至采场中央风井处顶板超高问题，呈现“凸形”顶板，安全隐患依然存在。

为有效解决上述安全隐患，研究提出“废石内布置主风联，一步、二步采场共用风联方案”。即将主风联布置在矿体下盘稳固的废石内，确保采场回采结束后主风联依然可用；此外在一步、二步采场交界处布置小风联，小风联与一步、二步采场风井连接，两采场共用一条小风联。采场施工至风联底板标高时，一步采场风联下侧预留1 m保护岩柱，确保风联不揭露、不破坏，该部分岩柱通过二步采场回收。此外，在风井设计上，采场风井仍布置在矿体内部，为减少一步采场最后分层预留矿柱范围，同时减少二步采场回收矿柱难度，风井设计时风井上口位置尽量靠近矿体下盘，通过合理布置风井位置，有效缩短共用风联长度，同时减少预留矿柱尺寸，降低矿柱损失风险。图7为盘区一步、二步采场共用风联优化图。

3.4 “双采幅、三采幅”回采工艺改进

用上向水平分层充填法回采矿体时，由于采准工程量较大，施工时常常待中分段巷施工结束后或施工至各采联开口时再按顺序依次施工各采联及切割巷。该种作业方式下，采准工程施工进度及采场投产时间往往受中分段巷施工进度制约，采场投产时间从中分段巷施工起至少需历时三个月。采准工程施工周期太长，不利于采场快速形成，对于生产正常接续影响较大。

为解决中段矿体回采时采准工程量大及采场投产时间过长的难题，研究提出“双采幅、三采幅”回采工艺，即中分段巷施工至盘区第一个一步采场采联时，一步采场采联与中分段巷平行施工，一步采场采联施工至矿体后，沿矿体走向方向或水平方向布置脉内联络道，脉内联络道与一步采场切割巷、中分段巷平行作业。脉内联络道形成后，顺序施工第二个、第三个一步采场切割巷，此时中分段巷继续施工，但无需施工第二个、第三个一步采场采联。工程施工结束后，依靠一步采场采联及脉内联络道可实现两个、三个一步采场同时开采，即实现单一采联辅助回采多盘区采场效果。上向水平分层充填采矿法常规施工方案与“双采幅”施工方案对比见图8。

采用该种方案，一步采场采联可不再施工，借助第一个一步采场采联及脉内联络道可实现多个盘区一步采场集中转层。各分层一步采场回采结束后，对采场及脉内联络道进行统一充填，为确保二步采场在已充填联络道下方回采安全，联络道充填前可在二步采场对应区域施工钢结构底部结构，结构两端进入一步采场轮廓内，并且在二步采场范围联络道两帮进行吊挂。借助钢结构支撑作用，确保二步采场充填体下安全回采。脉内联络道钢结构底部结构布置见图9。