阶段空场嗣后充填连续采矿法在多层缓倾斜矿体中的应用

严 体，廖庆永，李在利

(1.云南铜业矿山研究院，云南 昆明 650000)

(2.玉溪矿业有限公司，云南 玉溪 653100)

1 矿体开采技术条件

大红山铜矿属海底火山喷发沉积变质中厚缓倾斜高温矿床，矿体倾角20°～35°(局部地段大于35°)，构造及节理裂隙发育，呈层状、似层状产出，矿区共有3个含铁铜矿体(I3、I2、I1)和4个含铜铁矿体(Ic、Ib、Ia、Io)，自上而下分别为Ic→I3→Ib→I2→Ia→I1→Io)。其中I3、I2含铁铜矿体规模大，是主要的开采对象。矿石中主要金属矿物为黄铜矿、磁铁矿，主要脉石矿物为碳酸岩(白云石为主)、黑云母。矿石整体较稳固，f=8～14，矿岩爆破性能较差。矿体呈缓倾斜—倾斜铜铁多层平行产出，矿体厚度薄—中厚—厚大，形态与倾角变化较大，矿体及围岩中等稳固，围岩层理发育。

2 采矿工艺及存在问题

2.1 分段空场法

分段空场法是基于分采的理念而首先被采用的采矿方法，主要针对I3、I2含铁铜主矿体，平均厚度达到10 m以上，是主要的开采对象[1]。两层矿体分别开采，且各自形成独立的采准系统。其中，先期建成的一期工程(开采550水平以上矿体)采用YG-90型凿岩机凿上向扇形炮孔、电耙出矿的底盘漏斗分段空场法开采。后期建成的二期工程(开采550水平以下矿体)则主要采用Simba1354型凿岩机凿岩、堑沟式底部结构的小分段空场法开采；主要工程为在矿体下盘施工采准干线，在干线中开凿出矿进路，进而施工堑沟，在堑沟中施工上向扇形炮孔，铲运机出矿的回采工艺。Ⅰ3、Ⅰ2矿体回采顺序：一期中段运输自成系统，同中段先采Ⅰ3矿体，Ⅰ2矿体待上一中段Ⅰ3矿体采充结束后再行回采。二期同中段共用运输系统，先采Ⅰ3后采Ⅰ2矿体。

实际应用中，分段空场法暴露出如下问题：资源回采率低，为保证两层矿体开采后形成的空区安全，两层矿体间开采时要留14 m厚度的矿柱隔层，造成低品位资源未开采、导致两层矿的资源，损失率较大。在不少地段，I3和I2两矿层间基本没有夹层、矿体品位也较高，此时预留14 m隔层所造成的资源损失更为突出；同时，因矿体面积大，矿岩强度中稳，使预留的间柱和顶底柱矿量，约占总矿量的20%～22%；两层矿体分别布置采准工程导致总体采切千吨比高、原矿开采成本高；采用扇形中深孔崩矿，大块产出率较高，达到15%左右，直接影响供矿效率[1-2]。

2.2 大直径深孔崩矿空场嗣后充填法

下向大直径深孔崩矿空场嗣后充填法是基于“铜铁合采”的理念而设计的采矿方法[3-4]。大直径深孔崩矿技术体现一种规模化作业思维，集中作业，减少循环以求工效最大化。采用阶段式布置可减小开拓采准工程与费用，利于生产和管理的集中[5]。

“高矿柱、大空场、单步骤”的采场结构，无法实现对盘区间柱的回收，矿石损失率高达25%，造成极大的资源浪费。从实际采矿效果来看，空场嗣后充填法普遍存在顶板冒落比较严重、大块率、贫化率和损失率很高的问题。

3 大盘区阶段空场嗣后充填连续回采

3.1 基本思路

针对缓倾斜极厚大矿体，提出了大盘区阶段空场嗣后充填连续采矿法，该法采用大盘区划分，阶段之间无矿柱、矿块之间无间柱、两步骤回采，超前回采Ⅰ步矿房，嗣后块石-尾砂胶结充填，形成充填间柱支撑架构，再回采Ⅱ步矿房嗣后尾砂充填。

3.2 大盘区阶段空场嗣后充填连续采矿法

3.2.1 沿走向布置方案

将盘区间隔划分为Ⅰ步矿房和Ⅱ步矿房，沿矿体走向布置。沿走向矿房长50～100 m，Ⅰ步矿房宽20～25 m，Ⅱ步矿房宽20～25 m。阶段之间无矿柱、矿房之间无间柱、两步骤回采。先回采Ⅰ步矿房，嗣后块石-尾砂胶结充填，形成充填间柱支撑架构，再回采Ⅱ步矿房，嗣后尾砂充填。大盘区采准系统布置采用上盘切顶、底盘出矿的分段布置模式，即大盘区内采用上下盘分段采准。

顶部以凿岩工程为主，上盘分段联络，矿房顶部沿矿体倾向布置长条式硐室，硐室规格为3.0 m×3.3 m，硐室之间的条柱宽3 m。切顶工程布置在I3矿体上部。使用T150型凿岩台车钻凿垂直向下、孔径165 mm的炮孔，应用的大直径深孔侧向崩矿技术。在矿体底板开凿采准干线、出矿进路和堑沟巷道。在堑沟巷道中使用Simba1354型凿岩台车钻凿扇形上向扇形炮孔，孔径76 mm。出矿进路之间的间距为8～12 m，平底铲运机分段出矿。

采场出矿完毕，立即对采空区进行充填。Ⅰ步矿房采用尾砂胶结充填(灰砂比1∶6～1∶12)，在底部装矿进路和凿岩硐室联络道中采用混凝土封闭挡墙。充填管路从上部充填巷道、充填钻孔引至采场。Ⅰ步矿房空区必须接顶充填，Ⅱ步矿房首先进行废石充填，可以充到空区的2/3，待无法进行废石充填时再采用分级尾砂进行充填。为保证矿石安全回采，回采过程中应加强顶板管理，除采后及时充填以外，还应根据现场顶板稳固情况进行不同形式的支护，以维持回采期间硐室或巷道的稳固完整，现场一般采用喷锚网联合支护。

3.2.2 沿倾向布置方案

沿矿体倾向布置盘区，将盘区间隔划分为Ⅰ步矿房和Ⅱ步矿房。Ⅰ步矿房沿走向跨度12～15 m，Ⅱ步矿房沿走向跨度B≤35 m，矿房沿倾向长度为阶段斜长，最大126 m。阶段之间无矿柱、矿房之间无间柱、两步骤回采。先回采Ⅰ步矿房，嗣后块石-尾砂胶结充填，形成充填间柱支撑架构，再回采Ⅱ步矿房，嗣后尾砂充填。盘区采准系统布置采用上盘切顶、底盘出矿采准模式，与沿走向布置方式基本相同。矿房内凿岩以T150为主，底部采用扇形深孔爆破形成V型堑沟，平底铲运机出矿。切割槽采用下向大孔挤压落矿与浅孔留矿法联合回采，盘区矿房采用上向扇形深孔和下向大孔联合回采。

采用沿倾向布置时矿房的长度可根据矿体的形态以回采作业方便自由选取，但Ⅱ步矿房的跨度严格控制在35 m以内；Ⅰ步矿房的跨度可根据矿房的高度选取，当矿房高度在50 m左右，跨度可取10～12 m。矿房高度70 m时，Ⅰ步矿房跨度取15 m。矿房回采的切割槽沿倾向布置宽4 m。Ⅰ步矿房采用尾砂胶结充填(灰砂比1∶6～1∶12)，在底部装矿进路和凿岩硐室联络道中采用混凝土封闭挡墙。充填管路从上部充填巷道、充填钻孔引至采场。Ⅰ步矿房空区必须接顶充填。Ⅱ步矿房分步回采，一般由中央向两侧退采，即先留下5 m左右作为临时矿柱与Ⅰ步矿房胶结充填体一起支撑采空区顶板，为余下的Ⅱ步矿房回采提供安全保障，使其能够尽可能多而且是安全地回收崩下的矿石。临时矿柱回采完毕用全尾砂充填采空区。为保证矿石安全回采，回采过程中应加强顶板管理，除采后及时充填以外，还应根据现场顶板稳固情况进行不同形式的支护，以维持回采期间硐室或巷道的稳固完整，现场一般采用喷锚网联合支护。

4 连续回采试验

385中段B48～54线盘区为下向大直径深孔侧向崩矿空场嗣后充填连续开采试验盘区，盘区内划分Ⅰ步矿房和Ⅱ步矿房，先采Ⅰ步矿房、嗣后胶结充填，再采Ⅱ步矿房、嗣后尾砂充填，盘区内不设矿柱，以胶结矿柱代替矿石矿柱，再造矿房回采环境，实现对矿体连续回采、减少矿石永久损失、降低矿石贫化。

4.1 原设计方案

该盘区原设计采用阶段大直径崩矿空场嗣后充填采矿法，将盘区划分为矿房和矿柱，盘区内设计6个矿房，盘区内矿房间设有矿柱。矿房倾斜跨度20～35 m，走向长40～80 m，矿柱6～12 m，见图1。该设计方案因矿房回采高度高，局部达到70 m，矿柱损失量大，达到约30万t矿柱永久损失。

图1 矿山原设计方案

4.2 空场嗣后充填连续采矿法设计方案

在B50～54线Ⅱ段矿房已经完成采场落矿的条件下，该盘区工业试验方案见图2，将此区域划分为285矿柱，Ⅰ段东矿房、Ⅰ段西矿房、Ⅰ段B51线矿柱，Ⅱ段B48～50矿柱、Ⅱ段B50～54矿柱，Ⅲ段东矿房、Ⅲ段西矿房、Ⅲ段B51线矿柱。其中285矿柱不采、Ⅰ段B51线矿柱、Ⅱ段B48～50矿柱、Ⅱ段B50～54矿柱和Ⅲ段B51线矿柱为胶结充填，其余矿房为废石充填及尾砂充填。

图2 连续开采方案平面布置图

盘区采准系统布置与矿山现用上盘切顶、底盘出矿采准模式相同。即大区内采用上下盘分段采准，上盘顶部布置470水平、450水平两层切顶沿脉及分段联络巷道，在各层切顶沿脉中沿倾向布置长条式硐室，应用大直径深孔侧向崩矿技术。下盘脉外在400水平、410水平和420水平分别布置采准干线、出矿进路和凿岩堑沟。

盘区内充填主要通过500水平充填巷道及探矿沿脉布置的充填管道进行充填，各分段切顶层可作为空区废石充填排放口。

采准干线及上盘切顶巷道各水平新鲜风流由西部尾砂进风斜井进入，污风通过各水平回到B48线主回风系统，最终排出地表。

根据跳采原则和盘区周边工程布置情况，盘区总体回采顺序为：先回采胶结充填矿房再回采废石及尾砂充填矿房。具体顺序为：①Ⅱ段B50～54矿房(Ⅰ步)→②Ⅱ段B48～50矿房(Ⅰ步)、Ⅰ段B51线矿房(Ⅰ步)、Ⅲ段B51线矿房(Ⅰ步)→③Ⅰ段西矿房(Ⅱ步)→ ④Ⅲ段西矿房(Ⅱ步)→⑤Ⅰ段东矿房(Ⅱ步)→⑥Ⅲ段东矿房(Ⅱ步)。

4.3 经济技术指标

(1)采用连续开采方案，在出矿品位基本相同的情况下多供矿30万t，提高幅度达20.55%，多回收原矿含铜约1 855 t，回采效果得到明显提升。

(2)经研究采用连续开采技术后，区域内盘区连续开采损失率6.19%，贫化率11.41%，极大地降低了矿柱损失率。

(3)连续回采盘区采切工程量及采切比分别为2.97 m/kt、35.87 m3/kt，小于现用大直径深孔3.31 m/kt、36.32 m3/kt，采切比降低1.24%。

(4)空场嗣后充填连续采矿法具有“强采、强出、强充”的工艺特点，采场供矿能力达1 500～2 400 t/d，属于高效开采。

(5)根据对矿柱稳定性，以及盘区结构尺寸优化的研究，矿柱合理结构参数为：矿房跨度25～30 m，矿柱宽度12 m。根据工业试验，胶结矿柱局部出现破坏，但整体性和稳定性较好。

5 结 论

大空场嗣后充填连续开采属“两步骤”开采，将矿房、矿柱以及采空区的处理作为一个整体进行考虑，有步骤地全面回采。采矿方法特征：超前回采Ⅰ步矿房，嗣后块石-尾砂胶结充填，形成充填间柱支撑架构、再造Ⅱ步矿房回采环境，实现大盘区机械化连续采矿工艺。既减少矿石的损失贫化，又消除采空区带来的隐患。大盘区空场嗣后充填连续采矿法的开采效益总体优于矿山现用方法，并且由于贫损得到有效控制，可提高供矿品位，大幅度提高回收率，降低地质资源的消耗、延长矿山服务年限。具有生产效率高、资源回采强度大的优点，实现井下采矿作业集中化。连续开采模式下各盘区采准系统布置与采准联络系统的设计具有系统性，并且是与废石充填综合考虑的，综合考虑了废石充填方案与能力，可以有效充填采切废石。