上向水平进路充填法在山东某金矿的应用与实践

2022-09-13王要善王吉祥

矿业工程 2022年4期

王乾王要善王吉祥

(山东黄金集团蓬莱矿业有限公司，山东烟台 265621)

0 引言

上向水平分层进路充填采矿法具有采矿效率高、充填体的强度要求低、工艺简单等特点，山东黄金集团某金矿矿脉呈不规则透镜状、囊状，矿体属于碎裂蚀变岩类型，含矿岩性为褐铁矿化蚀变岩，矿体破碎，泥化较严重，上下盘围岩为较稳固的灰岩及板岩，稳固性一般。根据矿床开采技术条件和矿山生产现状，参考国内铜山铜矿倾斜矿体、和睦山铁矿倾斜薄矿体、江西金山金矿缓倾斜中厚矿体等开采技术条件类似的矿山开采经验，设计应用了上向分层进路胶结充填法，薄矿体采用电耙出矿，中厚及厚矿体采用铲运机出矿。通过不断地应用和摸索，在充填体强度要求、充填料浆浓度及配比选取、充填工艺流程、空区封堵措施等方面积累了大量的实践经验。

1 开采条件

山东黄金集团某金矿设计区域内矿脉呈不规则透镜状、囊状。矿体走向长750 m，倾角60°左右，平均厚度8 m，平均品位3.39 g/t，估计矿量21万t，金属量718.2 kg，在83线附近矿体被一条结构面断开。矿体属于碎裂蚀变岩类型，含矿岩性为褐铁矿化蚀变岩，矿体破碎、泥化较严重；上下盘围岩为较稳固的灰岩及板岩，稳固性一般。

2 采矿方案

根据矿床开采技术条件和矿山生产现状，并与国内类似矿山(铜山铜矿倾斜矿体、和睦山铁矿倾斜薄矿体、江西金山金矿缓倾斜中厚矿体)开采技术条件进行分析比较[1]，设计应用了上向分层进路胶结充填法，薄矿体采用电耙出矿，中厚及厚矿体采用铲运机出矿。结合该矿现有装备水平和开采实践经验，设计一、二层采用铲运机出矿，三层及以上采用电耙出矿。采场进路为3 m×3 m，即进路宽度3 m、进路高度3 m。矿体沿走向设计两个采场(7 983 m水平采场、8 389 m水平采场),矿块设计采场长均为40 m，高20 m，厚度为矿体厚度，进路沿走向布置。

2.1 采准工程布置

采准工程主要包括充填通风井、人行通风井、探矿穿脉以及脉外出矿巷。其中充填通风井布置于83线下盘，人行通风井布置于81线下盘，延伸脉内巷与77线穿脉相通，作为下盘脉外出矿巷，工程量统计见表1。83线充填通风井的布置见图1。

表1 采准工程量统计表

(a)平面图

2.2 回采工艺

设计为两个矿房(7 983 m水平采场和8 389 m水平采场)，同时进行采矿作业，控制一个矿房长度为40 m。一分层8 389采场自联络道向两边施工，回采过程先掘进2 m×2 m小断面，到达端部后再进行扩帮，扩大为3 m×3 m，采后充填接顶[2～4]。二分层在一分层充填体上作业，开采高度3 m，采后立即充填，充填接顶，完成一个分段的作业。随着分层回采，脉内顺路进行溜井架设，采用3 mm钢板进行铺设，设计溜井直径为1 m。

2.3 采场凿岩、爆破

进路式采矿采用YT-28气腿式凿岩机进行凿岩，浅孔落矿，钎头直径38～40 mm，孔深2.5～3.0 m。掘进进路爆破采用铵油炸药、爆破顺序由中间向两翼，分段微差起爆，导爆管起爆，电雷管引爆，实行光面爆破。在靠近顶板周边眼距控制在0.6 m以内，采用间隔装药，导爆管起爆，提高爆破后顶板的平整度。

2.4 采场通风

采场通风由矿山主要通风系统形成的主风流和工作面局扇共同完成。为提高出矿效率，各回采工作面都应配备有局扇通风，必要时可采用双扇抽压混合式通风。采场风速应不低于0.15 m/s，不大于4 m/s。工作面局扇通风时，在保障设备安全的前提下，扇风机尽量安设在靠近工作面处，采用软风筒将工作面污风压入采场充填回风天井，进入上部回风系统。新鲜风流自充填通风井至采联，送至采场后，污风自端部人行通风井排入1 780 m中段集体排出。

3 充填方案设计方案

3.1 充填总体方案

根据矿山充填需求，充填总体方案需满足单独全尾砂、单独机制砂以及全尾砂+机制砂胶结充填的制备能力，所以对于充填设备的选型要兼顾3种充填料浆的特性，特别是搅拌及输送特性。设计采用大锥角立式砂仓进行尾矿的浓缩，采用两段搅拌，一段为适合全尾砂胶结充填搅拌的高速搅拌桶搅拌，二段为适合机制砂胶结充填搅拌的双轴卧式搅拌机。充填料浆的输送采用自流输送。

3.2 充填体强度要求

采用上向分层或者上向进路胶结充填法采矿的区域，要求：R7不小于2.5 MPa；采空区充填R28不小于1 MPa。充填料浆流平性好，坡积角小于3°～5°，充填体接顶要好，沉缩率小于2%～3%。

3.3 充填原料来源

该矿地表浅部氧化矿采用全泥氰化选矿工艺，尾砂含有毒化学药剂，不能用于充填。随着开采标高的延深，原生矿逐渐增多，矿山已建成一座生产规模为100 t/d的原生矿选矿厂，采用浮选法选矿，其尾砂可以作为充填料骨料。该矿为生产矿山，地表已堆存大量废石，岩性主要为细粒石英砂岩、灰岩以及千枚岩，可以作为充填料骨料；废石最大块度300 mm左右(特大块除外)，含泥量较大，需进行破碎以满足管道输送要求。根据当地材料供应条件，胶凝材料选用附近水泥厂生产的42.5硅酸盐水泥。

3.4 充填料浆浓度及配比选取

充填实验主要对尾砂的物理化学特性、静态沉降、废石机制砂的物理化学特性、尾砂+机制砂胶结充填料以及机制砂胶结充填料的理化特性、充填料浆的配比、试块的单轴抗压特性以及受压破坏等进行了试验研究[5～6]。

充填工程实验室主要测试了全尾砂基础物化性质、全尾砂絮凝沉降特性以及不同物料不同配比充填料浆的强度特性，得到主要结论如下：

1)全尾砂比重2.86 t/m3，容重1.33 t/m3,空隙率53.5%，自然安息角41.11°；尾砂粒径偏细，-400目颗粒含量占到46.15%；砂浆pH=7.5，呈弱碱性。

2)质量浓度80%，灰砂比1:4碎石(粒径≤0.5 cm)料浆凝结时间为233 min。

3)通过全尾砂静态浓密沉降试验得出：对于西和中宝全尾砂料浆，使用絮凝剂型号ZYD絮凝沉降效果较好，最佳矿浆稀释浓度为10%，最佳絮凝剂添加量为30 g/t。动态浓密试验表明在料浆质量浓度为10%左右的给料浓度、絮凝剂添加量为60 g/t情况下，处理量为0.4088 t/m2·h时的底流浓度为66.34%。

4)配比试验表明：充填骨料采用尾砂和碎石混合骨料时，m砂：m碎石为10:1时强度最优；单独采用碎石(粒径≤0.5 cm)作为充填骨料，料浆质量浓度达到80%时，粗颗粒沉降不明显，灰砂比1:4料浆1d强度0.5 MPa，3d强度1.96 MPa，7d强度4.11 MPa；灰砂比1:6料浆3d强度0.96 MPa，7d强度1.92 MPa；灰砂比1:15,料浆3d强度0.23 MPa，7d强度0.33 MPa。

充填材料的设计应用如下：一步采进路底部采用1:4胶结充填，充填厚度0.5 m，中间部分采用1:6～1:10胶结充填，充填厚度1.5 m，顶部0.5 m采用1:4胶结充填；二步采进路底部采用1:10胶结充填，充填厚度0.5 m，顶部0.5 m采用1:10胶结充填，中间部分采用废石充填。

3.5 充填工艺

该搅拌站可以实现全尾砂胶结料、机制砂胶结料、机制砂+全尾砂胶结料的制备，充填料浆浓度：机制砂充填料76%～80%，全尾砂充填料68%～72%；机制砂+全尾砂充填料70%～74%。可根据井下对不同强度充填料的需要灵活选用，技术参数见表2。本次充填工艺设计流程为：

1)浮选车间排出的全尾砂尾矿浆经尾砂输送泵输送至充填站大锥角立式砂仓中，溢流水经管道输送至24线罐笼明竖井口的高位水池循环使用；浓密后的高浓度料浆通过底流剪切泵输送至充填站搅拌车间一级搅拌桶中[7～8]。

2)调浓冲洗水利用砂仓溢流水，利用砂仓清洗泵计量后输送至搅拌桶及二级卧式搅拌机中；水泥通过散装水泥罐车输送至水泥筒仓内存储，筒仓设置料位计，底部通过螺旋输送机、称重螺旋给料机进行输送计量后卸料至一级搅拌桶中；浓密后的高浓度尾砂料浆、水泥和水通过高浓度强力搅拌桶进行充分搅拌，再自流至二级卧式搅拌机中。不同粒级的机制砂由装载机铲装至配料斗，再由斗提设备提升至二级卧式搅拌机中。

3)混合机制砂和来自一级搅拌的全尾砂胶结料在二级卧式搅拌机中再进行混合搅拌，制成的机制砂+全尾砂胶结料最终通过钻孔自流输送至井下需要充填区域。

表2 充填工艺技术参数表

3.6 空区封堵措施

充填封堵工艺主要包括充填挡墙的构筑与采空区相通通道的封堵，以免充填时料浆泄漏和不必要的水流入采空区。充填挡墙是充填必不可少的设施，是采场充填密闭工艺的关键技术，它关系到充填体的强度、充填的安全性和充填成本。

用于井下封闭的充填挡墙主要有：混凝土挡墙、砖混结构挡墙、钢丝绳钢筋网挡墙、木结构挡墙和组合挡墙等；其作用是隔离空区，防止充填料桨外泄，同时还要承受充填料凝固之前侧向静压力。混凝土挡墙强度高、防渗性能好，但需要拆除揭露充填体时较困难；砖混结挡墙强度和防渗性能中等，需要拆除揭露充填体时较容易;木结构挡墙成本低、构筑和拆除容易，但强度和防渗性能较差。

分层(进路)充填法采场或留矿法采场各分段联道挡墙采用木挡墙或柔性挡墙，挡墙布置在采场进路或分段联道口，主要材料包括土工布、木板、钢材、圆木、锚杆等，充填挡墙结构见图2。