我国下向分层充填采矿法现状及发展趋势

2021-04-17邓玉彬周益龙林永生

采矿技术 2021年2期

邓玉彬，周益龙，林永生

(1.广晟有色金属股份有限公司，广东广州 510610；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012；3.翁源红岭矿业有限责任公司，广东韶关市 512638)

0 引言

下向分层充填采矿法是20世纪50年代末试验成功的采矿方法，该方法是在一个阶段内自上而下分层回采、充填，以巷道掘进的方式在分层胶结充填体为人工假顶的保护下进行作业的回采方法。该采矿方法的使用成功，为降低坑木消耗、实现开采无轨化、提高采场产能和劳动生产率创造了条件[1-2]。

下向分层充填采矿法除满足充填采矿法的一般适用条件外，主要用于矿石和围岩均不稳固至极不稳固或地压很大，矿石价值高、品位较高的有色、稀有和贵重的金属矿床，以及其它采矿法难以回采的矿柱[2-3]。目前在我国金矿应用广泛，例如前河金矿[4-5]、焦家金矿[6-7]等，在铜矿甚至是铁矿也有它的应用案例[8-9]，其中金川铜镍矿二矿区是我国采用下向分层胶结充填采矿法中规模最大，机械化程度、采场生产能力和劳动率最高的矿山，它采用两步骤回采的机械化盘区下向胶结充填采矿法，同时配备6 m3铲运机、全液压双机凿岩台车等大型设备，使盘区生产能力提高到 2000 t/d，达到世界先进水平[10-12]。

机械化程度低、采场产能小，采充成本高，工序管理复杂一直是我国下向分层充填采矿法应用的难题[1-2]。近年来，随着采矿技术设备的不断发展，以金川铜镍矿为代表的下向分层充填采矿法矿山在机械设备应用、充填成本控制、现场作业管理方面取得了大量的技术成果和现场宝贵的经验[12]。本文全面回顾我国下向分层充填采矿法的应用现状，重点分析金川铜镍矿等典型矿山的成功做法，并指出了当前存在的问题及后续改进的方向。

1 下向分层充填采矿法应用情况

下向分层充填采矿法采场布置主要是根据矿体的厚度确定，一般不受矿体形态变化的限制。当矿体厚度小于20 m时，采场沿矿体走向布置；矿体厚度大于20 m时，应根据矿区岩石力学实测资料，采场垂直或斜交矿体布置，以利于进路稳定和作业安全。采场长度应根据出矿设备确定，沿矿体走向布置时，电耙出矿一般为50 m，铲运机出矿一般为100 m；垂直矿体走向布置时，一般划分为盘区，盘区长度为50 m～100 m，长度为矿体厚度。进路布置形式有单侧进路和双侧进路2种。矿体厚度大于8 m时，上下分层进路应相互垂直布置，在下分层进路回采时，使上分层进路充填体不至于全部暴露，而暴露的部分如同一横梁架在进路之上，使之处于稳固的状态，如我国金川二矿区、武山铜矿等。阶段高度为30 m～60 m，分段高度为10 m～15 m（服务3个～5个分层）。电耙出矿分层高度为2.0 m～3.5 m，铲运机出矿为3.0 m～5.0 m。电耙出矿进路宽度为2.5 m～4.0 m，铲运机出矿为4.0 m～5.0 m。我国应用下向分层充填采矿法的代表性矿山的工艺参数及主要技术经济指标见表1[1]。

表1 下向分层充填采矿法工艺参数及主要技术经济指标[1-2]

2 下向分层充填采矿法典型矿山

2.1 金川铜镍矿[10-14]

金川铜镍矿是我国下向分层充填采矿法的先行者和引领者，经过五十多年的技术实践与发展，高价值破碎矿体充填采矿技术取得了显著的进步，达到世界先进水平。

金川铜镍矿矿体厚大、矿石价值高、矿区地应力大以及矿岩破碎，1965年建矿投产的龙首矿区先后采用过分层崩落法和上向分层胶结充填采矿法，但受矿岩稳固性条件制约，最终选择作业安全性最佳的下向六角形高进路胶结充填采矿法进行开采，目前年产矿石165万t。1985年建成投产的二矿区曾沿用龙首矿的上向分层充填法和下向高进路分层充填法，并对其它采矿方法开展过工业性探索，先后试验研究VCR法、大孔空场嗣后一次充填法，对机械化盘区上向进路胶结充填法和机械化盘区下向进路胶结充填法进行产能对比，最终采用机械化盘区下向进路胶结充填采矿法，目前二矿区年产能力450万t，是金川集团的主力矿山。

金川铜镍矿实现安全高效开采的关键是机械化设备的全面应用和有计划的产能规划。金川公司在少量引进国外台车的同时大量使用自主研发的凿岩台车，还自主生产了铲运机、矿用卡车等。采用盘区划开采，形成多个独立作业区域提高产能，大盘区能力超过2000 t/d，小盘区能力基本上都不小于600 t/d～700 t/d。金川二矿区一般2个～3个盘区划分为一个采区，某采区里面有3个小盘区，每个盘区长100 m，宽70 m～80 m，每个盘区平均每天有 4～5条进路在回采，该采区的生产能力为2000 t/d～2500 t/d。

充填工艺方面，为了匹配下向分层充填采矿法的作业安全，充填体单轴抗压强度3 d要达到1.5 MPa，28 d要达到5.0 MPa，充填金川铜镍矿已建成14套高浓度自流输送充填系统和1套全尾砂膏体充填系统，前者充填集料采用3 mm棒磨砂+戈壁砂，由于全尾砂粒度较细，脱水困难，为保持料浆的高浓度，该系统尚未添加全尾砂，胶凝材料为42.5级普通水泥，同样受浓度限制未添加容重较小的粉煤灰，添加剂为水泥用量 1.5%的早强剂，灰砂比1:4，浆液浓度77%～79%，单套系统平均充填能力可达90 m3/h，每天运行时间10 h以上。自流输送充填工艺存在充填体早期强度低、沉缩率高、脱水泥浆污染以及不能处理尾砂等问题，为此金川于1999年建成了我国第一套膏体充填系统，目前该系统的年充填能力超过20万m3。金川全尾砂膏体充填工艺为：充填集料为棒磨砂和尾砂，添加尾砂可使可泵性变好，但尾砂量占比小于40%，胶凝材料为普通水泥和粉煤灰，粉煤灰添加量为150 kg/m3，添加剂主要是减水剂，用量为水泥的1%以上，料浆浓度约为80%，每小时的充填能力可达90 m3，年充填能力可到20万m3。充填成本控制在140 元/t～160 元/t，采充成本 250 元/t～280 元/t。

2.2 前河金矿[4-5]

嵩县前河矿业前河金矿现隶属于中金黄金股份有限公司，成矿类型为构造蚀变岩型中低温热液金矿床，矿体呈不规则脉状，属急倾斜薄矿体。矿石品位较高，但储量有限。矿体及其顶底板岩石受蚀变和构造影响严重，矿岩破碎松软，稳定性极差，且遇水泥化，工程揭露后自稳性差。矿体开采技术条件差、开采难度极大，1990年建矿投产以来主要采用下向分层胶结充填采矿法开采，目前年生产能力为18.15万t。

上下盘不稳固薄矿体回采凿岩爆破工艺采用偏下盘布置炮眼无掏槽控制爆破技术、微差爆破技术，维持上盘围岩的稳定性。首分层进路采用高强聚酯纤维网+中空注浆长锚索联合支护方式，其他分层回采进路和充填联络巷采用木棚支护以控制支护成本。采用人工出矿与电耙绞车联合出矿方式，落矿点距中央双格溜井5 m以内，采用人工出矿，剩下的则采用电耙出矿。为了降低充填成本，减少钢筋用量，不再应用吊筋和上下盘锚杆，并且根据进路充填的强度要求及时调整充填配比，不承受直接顶板压力的空间采取不充填等方式。主要应用下向进路充填法的同时，根据矿岩稳固性情况采用留矿法、上向充填法等。

前河金矿的充填站为简易式，具有较大的灵活性，随着开采标高的不断降低，充填站水平也相应的下降了100 m。充填骨料就地取材，采用附近河流的河砂和卵石，胶凝材料则采用 42.5级普通水泥。通过各方面的优化管理，目前充填作业成本控制在100元/t左右。

2.3 武山铜矿[8, 15]

武山铜矿是一座有五十多年建矿历史的大型地下矿山，为江西铜业集团有限公司主力矿山之一，目前生产能力为 5000 t/d，三期扩建工程规划产能翻倍。武山铜矿矿岩均不稳固，属难采矿床，初期采用整体钢筋混凝土假顶分层崩落法开采，因矿岩破碎、矿体自然，1989年之后技术改造为充填法开采，南矿带采用上向水平分层尾砂充填法，稳固性相对较差的北矿带则采用下向进路胶结充填法，目前北矿带仍采用该采矿方法，南矿带因胶结充填能力不足则改为安全性较好的钢筋混凝土假底下向进路式水砂充填法。经过不断的采矿工艺改造，武山铜矿成为我国采用下向分层充填采矿法开采的代表性矿山。

机械化设备的利用是提高下向分层充填采矿法生产能力的关键，武山铜矿通过引进凿岩台车，替换0.75 m3电动铲车为2 m3内燃机铲车，采场生产能力提升50%以上，平均产能达到110 t/d。充填成本高是制约上向分层充填采矿法应用的另一重要原因，通过采充成本分析，支护用坑木和充填用水泥成本占到60%，采用锚网支护替代部分坑木，添加粉煤灰替代水泥，梳理采充作业工序保障作业的连续性，武山铜矿将采充成本控制在200元/t。

充填体质量的好坏是下向分层充填法顺利实施的关键，武山铜矿通过一系列措施提高充填体质量。砌筑充填挡墙时在底部埋设一根排水管，方便排出充填之前的空区积水，安装污水阀门截留洗管水流入空区。假顶构筑采用吊筋加底部钢筋网的常规方法，吊筋分为长短筋，长筋端部焊接钢板增强抗拉能力。在分层充填体中埋入油桶，利用油桶空间构成下分层回采的回风通道，改变胶结采场高温的工作环境。为解决充填管端口充填料堆积和下料不均匀等问题，在充填管端口前埋设空区顶柱分散充填料，以及在充填管上开下料小孔。为了解决当前及三期扩建工程分级尾砂、河砂供应短缺以及尾矿库库容压力，武山铜矿正在新建一套全尾砂膏体充填系统，目前初步井下工业试验已取得成功。

3 存在的问题及改进方向

下向分层充填采矿法存在的主要问题是充填工艺所占采场各工序作业总时间长和采充总成本多，构筑人工假顶以及充填体要求质量高限制了采场产能[15-16]。金川公司提高采场机械化率，缩减了凿岩、出矿时间，建立膏体充填系统，本质上提高充填体强度，缩短了充填工序占用时间，有效提升了采场生产能力。但是，开采类似于前河金矿小规模薄矿体时，机械设备利用率难以快速提高，产能难有进一步提升空间。

充填质量要求导致全尾砂难以用于井下充填，利用河砂作为充填集料使得充填成本居高不下，当高价值矿体开采枯竭时，贫矿开采仍采用现行工艺，矿山企业在经济上将难以承受。

针对以上突出问题，前河金矿等岩金矿山应探索引进采矿小型化设备，提高凿岩、出矿效率；优化人工假顶构筑工艺，保证所需强度的同时降低钢筋的使用量[6]；采用回采废石部分替代砂子作为充填集料，探索膏体充填工艺的可行性，试验全尾砂-废石充填工艺，降低充填成本[17]；加强充填工序作业管理，充分发挥料浆凝结强度，缩短回采转层时间[18]。