论文部分内容阅读
摘要：下文根据工程实例,详细介绍了上向水平胶结充填采矿法，该方法不仅解决了地表不允许塌陷、地面不允许污染的问题，而且具有较强的安全性，可较大地提高回采率，取得较好的经济效益和社会效益。
关键词：上向水平胶结充填采矿法；安全性；回采率
1 矿区概述
某矿区的矿床主要为隐伏的中型铜、铅、锌矿床，根据矿床形成条件、矿体空间分布规律划分为4个矿带8个矿体，其中Ⅱ3矿体为主要矿体，矿石量占全区75.46%。矿体总体走向近东西，走向控制长1 534.80 m；倾向北，平均倾向斜长340 m，倾角为32°～65°。矿体真厚度最小0.16 m，最大105.14 m，一般为3～12 m，平均10.53 m，厚度变化大。矿体形态较复杂，主要呈“入”字形，分南、北两枝，南枝上部（-200 m 以上）形态复杂，多呈蛇形弯曲，少数呈弯曲的似层状。矿体和围岩坚固系数f＝6～8，稳固性一般；在溶洞发育带、溶蚀裂隙带、断层破碎带、风化带等地带，围岩稳定性较差。矿区内有大面积的农田，部分村镇、河谷坐落于该矿区矿体上部，地表塌陷将会导致地表、公路和建筑物的破坏。针对以上情况，对该矿区矿体采用上向水平分层胶结充填采矿法进行开采，既能有效防止地表塌陷，又能使尾砂充入地下，减少环境污染。
2 上向水平胶结充填采矿法概述
上向水平分层胶结充填采矿法[1]一般适用于矿石稳固、围岩不稳固的倾斜或急倾斜矿体，它能适应形态不规则、分支复合变化大的矿体。该采矿方法一般采用水平分层自下而上逐分层回采，每分层回采结束后，及时对分层进行充填，以支撑采场空区两帮，并作为下一作业循环的作业平台。该方法为工作面循环作业，凿岩、爆破、通风、撬毛及支护、出矿、充填，完成一个循环后进行下一个循环作业。具体采矿方法如图1。
1 分层巷道；2分层联络道路；3充填回风天井；4矿石溜井；5中段运输平巷；6装矿穿脉；7回风巷道；8胶结充填体；9滤水井；10矿柱；11斜坡道联络道
3 采矿工艺
3.1 矿体赋存状况及矿块构成要素
矿体目前埋深为-65～-500 m左右，计划分两期开采：一期开采为-65～-315 m，保有地质储量1305.47×104t；二期开采－315～－500 m 标高，保有地质储量856.82×104 t，整个矿区计划服务31年。
根据该矿区矿体产状、赋存状态变化大等特点，采用上向水平分层胶结充填采矿法进行开采，采场沿走向布置（当矿体厚度大于15 m时，采场垂直走向布置），长50 m，每2个采场间留3 m永久间柱，底柱3 m（若矿石品位高，不留底柱）；2个采场为一个盘区，盘区阶段高度为40～50 m，采场分层高度3.3 m，每3个分层为一个分段，分段高度10 m左右。
3.2 采准切割
分层充填法以盘区为回采单元并进行采准切割布置。每个盘区布置一条采准斜坡道、一条脉外矿石溜井。在盘区中央、矿体下盘掘进采准斜坡道及分段联络道，自分段联络道掘进进路通达矿体，进路断面3.6×3 m。通过采场进路，在矿体内沿走向掘进水平拉底巷道，巷道断面3.6×3.3 m，然后刷大至矿体水平厚度形成拉底层。在采场端部上盘掘进人行充填通风天井，井内设梯子，下盘中部顺路滤水井随各分层的回采架设。采场进路自分段联络道先以-15%坡度下掘到达矿体，随逐层采矿而逐层挑顶垫底形成逐层采场进路，以适应每分层回采进路的要求，采场进路最终坡度为+15%；每采完3个分层后重新自分段联络道掘进采场进路。
3.3 回采工艺和设备选择
采场凿岩采用Boomer281 单臂电动液压凿岩台车凿水平炮孔，炮孔直径Φ45 mm，孔网间距1.0 m×1.2 m，孔深3.6 m。采用铵油炸药，装药器装药，非电爆破。爆破通风完毕后，用撬毛车撬毛。出矿用3 m3柴油铲运机，铲运机经采场进路将矿石卸入矿石溜井。出礦完毕即对顶板进行锚杆支护；回采每循环进尺3.5 m，每分层全部采完后即进行胶结充填；一个采场充填时，另一个采场凿岩爆破或出矿，采准废石尽量回填采空区。
采场充填准备包括架设滤水井、设置脱水笼、铺设脱水管、架设充填管等。采场滤水井布置在盘区中央矿柱内，两侧采场共用一条充填滤水井。该滤水井随逐层采矿而逐层架设形成。充填管从充填井铺设至采场，每分层充填高度距采场顶板应留出至少2 m高的自由空间。
采用上向水平分层胶结充填采矿法，按上述工艺参数对矿体进行开采设计计算，得出每个标准盘区矿块矿量为171 840 t，盘区采出矿量为149 414.88 t，采准切割工程量为11 377.11 m3，其采切比为87.57 m3/kt。
3.4 采场通风
新鲜风流自中段（分段）下盘沿脉巷道、穿脉、滤水井，或经盘区斜坡道、采场进路进入采场，清洗工作面后的污风从采场端部人行通风天井进入回风水平巷道。
4 充填工艺
按充填工艺要求，充填材料选用分级合格尾砂、掘进废石和胶结用的普通硅酸盐水泥。合格充填尾砂由选矿厂提供，掘进废石尽量不出地表而充入采空区。根据采矿方法对充填工艺的要求，尾砂充填系统应具备制备水泥胶结料的能力。灰砂比初步确定为1:4～8，为防止在输送过程中料浆离析、沉淀产生堵管，胶结充填料浆浓度为70%，经济合理的料浆输送浓度需经充填试验最终确定。
矿山采用尾砂胶结充填工艺，尾砂充填设施主要包括地面充填搅拌站、输送管路等。合格尾砂用泵送至地面充填搅拌站的贮砂仓中，水泥存贮在水泥仓中。由地面搅拌站制备而成的符合充填工艺要求的充填料浆,通过原罐笼井内敷设的充填管路自流输送至井下，再经石门、中段水平底盘沿脉、回采穿脉进入采场充填。
地表充填搅拌站新设2套充填系统，中段水平充填管选用PF 钢绦编织复合管，采场内敷设的充填管选用树脂管。
充填顺序[2]：按矿房回采顺序进行充填，矿房每一分层回采完毕后即可进行充填。充填前先做好采空区的密闭工作，在分层水平采场的各个出口设密闭墙，密闭墙采用砖、混凝土砌筑，内附1～2 层麻袋片或蚊帐布，密闭墙的四周用水泥砂浆抹缝，以防跑浆、漏浆；采场中部架设滤水笼，作为滤水通道，以增加滤水效果；同时，为了防止进路泄水，在密闭墙外2～4 m处设一挡墙，高约0.5 m；为防止泄水进入溜井，各分层水平的溜井上口用混凝土墙挡好。充填时，分层下部按1:8的尾砂胶结充填直达设计范围；分层上部预留0.8～1.0 m按照灰砂比1：4的比例进行铺面，作为回采上一分层的工作平台，为向上回采创造良好的出矿条件。充填后需养护7～10 d，等平台凝固后方可继续向上回采，胶结充填料的配比和需求量计算：参考类似矿山经验，根据充填材料实际情况，设计充填砂浆浓度为0.7，所设计的充填材料消耗见表1，28 d胶结强度可接近预期强度。
5 上向水平胶结充填采矿方法的优点和经济效益
（1）该采矿法由于可及时充填采空区，有效地控制围岩地压，解决了地表塌陷问题，使第四系地下水（地表村庄饮用水、农田灌溉水）不被破坏，防止第四系地下水进入井下采场，保证矿山的安全生产。
（2）提高矿石的回采率。
（3）该矿区在使用该采矿方法时，通过提高分层高度和房柱合理布置，减少了采准工程量，降低了采矿成本，提高了劳动效率。
（4）经济效益:-500 m水平以上现有地质储量184万t，按以前房柱法、留矿法回采（回采率70%），可回采矿石1 513.6 万t；如按胶结充填采矿法回采（回采率可达到85%），可回采矿石1 837.95万t。这样可多回采矿石324.35万t。同时矿石富含铜、铅、锌、金等多种金属，保守估计按矿石单价350元/t、胶结充填成本30元/t计算，可增加经济效益103 792万元。
（5）采用尾砂作为充填材料既有充足的材料来源，又缓解了尾砂坝的压力，在环境保护方面也起到了良好的作用，做到了地下矿产资源开发与环境保护的和谐统一。
（6）该胶结充填采矿方法在该矿区的试验和应用成功，为将来采空区矿柱的回采提供了经验，可以做到充分回收矿产资源，减少了资源损失。
（7）该胶结充填采矿法作为一种高回采率的采矿方法,对同类矿山有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] 解世俊，周德元，宋晓天，等.采矿手册[M].北京：冶金工业出版社，2006.
[2] 李兴尚，吴法春，许家林.上向水平分层充填采矿法的优化研究[J].金属矿山，2006（4）：16-18.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：上向水平胶结充填采矿法；安全性；回采率
1 矿区概述
某矿区的矿床主要为隐伏的中型铜、铅、锌矿床，根据矿床形成条件、矿体空间分布规律划分为4个矿带8个矿体，其中Ⅱ3矿体为主要矿体，矿石量占全区75.46%。矿体总体走向近东西，走向控制长1 534.80 m；倾向北，平均倾向斜长340 m，倾角为32°～65°。矿体真厚度最小0.16 m，最大105.14 m，一般为3～12 m，平均10.53 m，厚度变化大。矿体形态较复杂，主要呈“入”字形，分南、北两枝，南枝上部（-200 m 以上）形态复杂，多呈蛇形弯曲，少数呈弯曲的似层状。矿体和围岩坚固系数f＝6～8，稳固性一般；在溶洞发育带、溶蚀裂隙带、断层破碎带、风化带等地带，围岩稳定性较差。矿区内有大面积的农田，部分村镇、河谷坐落于该矿区矿体上部，地表塌陷将会导致地表、公路和建筑物的破坏。针对以上情况，对该矿区矿体采用上向水平分层胶结充填采矿法进行开采，既能有效防止地表塌陷，又能使尾砂充入地下，减少环境污染。
2 上向水平胶结充填采矿法概述
上向水平分层胶结充填采矿法[1]一般适用于矿石稳固、围岩不稳固的倾斜或急倾斜矿体，它能适应形态不规则、分支复合变化大的矿体。该采矿方法一般采用水平分层自下而上逐分层回采，每分层回采结束后，及时对分层进行充填，以支撑采场空区两帮，并作为下一作业循环的作业平台。该方法为工作面循环作业，凿岩、爆破、通风、撬毛及支护、出矿、充填，完成一个循环后进行下一个循环作业。具体采矿方法如图1。
1 分层巷道；2分层联络道路；3充填回风天井；4矿石溜井；5中段运输平巷；6装矿穿脉；7回风巷道；8胶结充填体；9滤水井；10矿柱；11斜坡道联络道
3 采矿工艺
3.1 矿体赋存状况及矿块构成要素
矿体目前埋深为-65～-500 m左右，计划分两期开采：一期开采为-65～-315 m，保有地质储量1305.47×104t；二期开采－315～－500 m 标高，保有地质储量856.82×104 t，整个矿区计划服务31年。
根据该矿区矿体产状、赋存状态变化大等特点，采用上向水平分层胶结充填采矿法进行开采，采场沿走向布置（当矿体厚度大于15 m时，采场垂直走向布置），长50 m，每2个采场间留3 m永久间柱，底柱3 m（若矿石品位高，不留底柱）；2个采场为一个盘区，盘区阶段高度为40～50 m，采场分层高度3.3 m，每3个分层为一个分段，分段高度10 m左右。
3.2 采准切割
分层充填法以盘区为回采单元并进行采准切割布置。每个盘区布置一条采准斜坡道、一条脉外矿石溜井。在盘区中央、矿体下盘掘进采准斜坡道及分段联络道，自分段联络道掘进进路通达矿体，进路断面3.6×3 m。通过采场进路，在矿体内沿走向掘进水平拉底巷道，巷道断面3.6×3.3 m，然后刷大至矿体水平厚度形成拉底层。在采场端部上盘掘进人行充填通风天井，井内设梯子，下盘中部顺路滤水井随各分层的回采架设。采场进路自分段联络道先以-15%坡度下掘到达矿体，随逐层采矿而逐层挑顶垫底形成逐层采场进路，以适应每分层回采进路的要求，采场进路最终坡度为+15%；每采完3个分层后重新自分段联络道掘进采场进路。
3.3 回采工艺和设备选择
采场凿岩采用Boomer281 单臂电动液压凿岩台车凿水平炮孔，炮孔直径Φ45 mm，孔网间距1.0 m×1.2 m，孔深3.6 m。采用铵油炸药，装药器装药，非电爆破。爆破通风完毕后，用撬毛车撬毛。出矿用3 m3柴油铲运机，铲运机经采场进路将矿石卸入矿石溜井。出礦完毕即对顶板进行锚杆支护；回采每循环进尺3.5 m，每分层全部采完后即进行胶结充填；一个采场充填时，另一个采场凿岩爆破或出矿，采准废石尽量回填采空区。
采场充填准备包括架设滤水井、设置脱水笼、铺设脱水管、架设充填管等。采场滤水井布置在盘区中央矿柱内，两侧采场共用一条充填滤水井。该滤水井随逐层采矿而逐层架设形成。充填管从充填井铺设至采场，每分层充填高度距采场顶板应留出至少2 m高的自由空间。
采用上向水平分层胶结充填采矿法，按上述工艺参数对矿体进行开采设计计算，得出每个标准盘区矿块矿量为171 840 t，盘区采出矿量为149 414.88 t，采准切割工程量为11 377.11 m3，其采切比为87.57 m3/kt。
3.4 采场通风
新鲜风流自中段（分段）下盘沿脉巷道、穿脉、滤水井，或经盘区斜坡道、采场进路进入采场，清洗工作面后的污风从采场端部人行通风天井进入回风水平巷道。
4 充填工艺
按充填工艺要求，充填材料选用分级合格尾砂、掘进废石和胶结用的普通硅酸盐水泥。合格充填尾砂由选矿厂提供，掘进废石尽量不出地表而充入采空区。根据采矿方法对充填工艺的要求，尾砂充填系统应具备制备水泥胶结料的能力。灰砂比初步确定为1:4～8，为防止在输送过程中料浆离析、沉淀产生堵管，胶结充填料浆浓度为70%，经济合理的料浆输送浓度需经充填试验最终确定。
矿山采用尾砂胶结充填工艺，尾砂充填设施主要包括地面充填搅拌站、输送管路等。合格尾砂用泵送至地面充填搅拌站的贮砂仓中，水泥存贮在水泥仓中。由地面搅拌站制备而成的符合充填工艺要求的充填料浆,通过原罐笼井内敷设的充填管路自流输送至井下，再经石门、中段水平底盘沿脉、回采穿脉进入采场充填。
地表充填搅拌站新设2套充填系统，中段水平充填管选用PF 钢绦编织复合管，采场内敷设的充填管选用树脂管。
充填顺序[2]：按矿房回采顺序进行充填，矿房每一分层回采完毕后即可进行充填。充填前先做好采空区的密闭工作，在分层水平采场的各个出口设密闭墙，密闭墙采用砖、混凝土砌筑，内附1～2 层麻袋片或蚊帐布，密闭墙的四周用水泥砂浆抹缝，以防跑浆、漏浆；采场中部架设滤水笼，作为滤水通道，以增加滤水效果；同时，为了防止进路泄水，在密闭墙外2～4 m处设一挡墙，高约0.5 m；为防止泄水进入溜井，各分层水平的溜井上口用混凝土墙挡好。充填时，分层下部按1:8的尾砂胶结充填直达设计范围；分层上部预留0.8～1.0 m按照灰砂比1：4的比例进行铺面，作为回采上一分层的工作平台，为向上回采创造良好的出矿条件。充填后需养护7～10 d，等平台凝固后方可继续向上回采，胶结充填料的配比和需求量计算：参考类似矿山经验，根据充填材料实际情况，设计充填砂浆浓度为0.7，所设计的充填材料消耗见表1，28 d胶结强度可接近预期强度。
5 上向水平胶结充填采矿方法的优点和经济效益
（1）该采矿法由于可及时充填采空区，有效地控制围岩地压，解决了地表塌陷问题，使第四系地下水（地表村庄饮用水、农田灌溉水）不被破坏，防止第四系地下水进入井下采场，保证矿山的安全生产。
（2）提高矿石的回采率。
（3）该矿区在使用该采矿方法时，通过提高分层高度和房柱合理布置，减少了采准工程量，降低了采矿成本，提高了劳动效率。
（4）经济效益:-500 m水平以上现有地质储量184万t，按以前房柱法、留矿法回采（回采率70%），可回采矿石1 513.6 万t；如按胶结充填采矿法回采（回采率可达到85%），可回采矿石1 837.95万t。这样可多回采矿石324.35万t。同时矿石富含铜、铅、锌、金等多种金属，保守估计按矿石单价350元/t、胶结充填成本30元/t计算，可增加经济效益103 792万元。
（5）采用尾砂作为充填材料既有充足的材料来源，又缓解了尾砂坝的压力，在环境保护方面也起到了良好的作用，做到了地下矿产资源开发与环境保护的和谐统一。
（6）该胶结充填采矿方法在该矿区的试验和应用成功，为将来采空区矿柱的回采提供了经验，可以做到充分回收矿产资源，减少了资源损失。
（7）该胶结充填采矿法作为一种高回采率的采矿方法,对同类矿山有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] 解世俊，周德元，宋晓天，等.采矿手册[M].北京：冶金工业出版社，2006.
[2] 李兴尚，吴法春，许家林.上向水平分层充填采矿法的优化研究[J].金属矿山，2006（4）：16-18.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。