廠壩鉛鋅礦充填關(guān)鍵技術(shù)研究

張軍奎 張雄天 趙永峰 朱文志

（蘭州有色冶金設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

礦業(yè)開發(fā)對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的同時必然伴隨著生態(tài)破壞，環(huán)境污染等問題，因此，在實(shí)際開采中需要采取有效的措施進(jìn)行優(yōu)化，不斷創(chuàng)新新工藝、新方法，盡量減少礦業(yè)開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的破壞［1-4］。充填采礦法可有效地減小采礦活動對生態(tài)環(huán)境的破壞，提高礦石的回采率和降低礦石的貧化率，同時可以預(yù)防和控制井下采礦時巖爆及火災(zāi)的發(fā)生，可以較好地增加礦山企業(yè)的綜合效益。因此，充填采礦法在深部開采中的應(yīng)用將會越來越廣［5-6］。本研究以甘肅省廠壩鉛鋅礦為對象，在深入分析礦山開采現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了在廠壩鉛鋅礦采用充填采礦法的具體實(shí)施方案，并對充填采礦中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究，希望以此能夠?qū)鴥?nèi)類似礦山提供一些借鑒。

1 礦山發(fā)展現(xiàn)狀及存在的主要問題

白銀有色集團(tuán)廠壩鉛鋅礦是國家“七·五”、“八·五”期間重點(diǎn)建設(shè)項目，是白銀有色集團(tuán)股份有限公司主要的鉛鋅原料基地，屬大型鉛鋅采選聯(lián)合礦山企業(yè)。該礦山開發(fā)建設(shè)開始于上世紀(jì)80年代，按照原設(shè)計規(guī)劃，礦山的整體開發(fā)建設(shè)分為露天開采和井下開采兩階段。截止2006年，露天開采終結(jié)，完全轉(zhuǎn)入井下開采。整合后的原廠壩、李家溝、小廠壩3個采區(qū)生產(chǎn)能力達(dá)到了300萬t/a。

礦山自1986年開始，無正規(guī)設(shè)計的群采活動存在于廠壩、李家溝采區(qū)，并且愈演愈烈，對廠壩和李家溝礦床造成了嚴(yán)重的破壞，形成了大量不穩(wěn)定空區(qū)，初步估算總采空區(qū)面積達(dá)到了300萬m3，大量的不穩(wěn)定空區(qū)對礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅。此外，礦山一直沿用的空場采礦法，采礦損失、貧化率偏大，實(shí)際生產(chǎn)中損失率達(dá)22%、貧化率達(dá)20%，造成了礦產(chǎn)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，制約了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展；同時多年的無序生產(chǎn)，導(dǎo)致通風(fēng)條件較差。

2 充填采礦方法研究

針對廠壩鉛鋅礦實(shí)際生產(chǎn)中存在的問題，根據(jù)礦巖體穩(wěn)定情況及礦山開采技術(shù)條件，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際及工程經(jīng)驗(yàn)，礦山實(shí)際生產(chǎn)中亟需采礦方法的變革。

根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀及礦山發(fā)展的需要，結(jié)合國內(nèi)外開采同類礦體的經(jīng)驗(yàn)與發(fā)展趨勢，廠壩鉛鋅礦采礦方法必須保證深部開采的生產(chǎn)安全，針對不同開采區(qū)域需體現(xiàn)出適應(yīng)性和靈活性，同時生產(chǎn)能力大、效率高，為礦山達(dá)產(chǎn)創(chuàng)造條件。新選擇的采礦方法盡量利用礦山現(xiàn)有開拓采準(zhǔn)工程，具有采準(zhǔn)工程量少，投產(chǎn)快，礦石貧化、損失率低以及能耗少，成本低，投資省等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過綜合分析及研究，最終確定廠壩鉛鋅礦采礦方法：①機(jī)械化上向水平分層膠結(jié)充填法，真厚度＜8 m的礦體；②分段空場嗣后充填采礦法，真厚度8 m以上的礦體，其中8 m≤真厚度＜15 m的礦體采用沿走向布置的分段空場法，真厚度≥15 m的礦體采用垂直走向布置的分段空場法。

2.1 機(jī)械化上向水平分層膠結(jié)充填法

本方法適用于厚度在3～8 m之間的礦體。

如圖1所示，礦塊沿走向布置，長100 m，高60 m，分段高12 m，分層高3 m，裝礦穿脈布置在礦塊中部，底柱高12 m，間柱寬8 m。

采準(zhǔn)工程由中段穿脈巷道、脈外礦石溜井、采區(qū)斜坡道、分段巷道、分層巷道、充填回風(fēng)井等組成；切割工程有切割平巷等。

采場內(nèi)工作面從礦房兩側(cè)向充填回風(fēng)井推進(jìn)，暴露面積由小到大。根據(jù)礦巖穩(wěn)固性和鑿巖設(shè)備，綜合考慮安全因素，設(shè)計分層高度3 m，分層控頂高度為5 m，首采層設(shè)計采高5 m，采完之后充填3 m（灰砂比1∶10的充填體2.5 m厚，灰砂比1∶4的膠面層0.5 m厚）。一個分層采完后，進(jìn)行膠結(jié)充填，并為下一循環(huán)留2 m的作業(yè)空間，兼做爆破自由面。

每個分層出礦結(jié)束后，對本分層聯(lián)巷壓頂形成下一分層的分層聯(lián)巷，壓頂廢石出1/3，余下的2/3則用鏟運(yùn)機(jī)鏟平，鋪好路面，之后開始充填。

本方法礦房長度100 m范圍內(nèi)劃分成2個50 m長的小礦房，小礦房之間高差為1個分層，交替回采與充填；若局部頂板圍巖不穩(wěn)固，則可以在25 m或更小的采場長度范圍內(nèi)進(jìn)行回采與充填作業(yè)循環(huán)。

正常分層回采結(jié)束并清場后，通過壓頂形成充填擋墻（每個分段的最后分層必須構(gòu)筑充填擋墻），進(jìn)行全尾砂膠結(jié)充填。充填高度3.0 m，下部2.5 m充填體灰砂比為1∶10，上部0.5 m澆面層采用灰砂比1∶4的充填體（3 d強(qiáng)度>0.5 MPa）作為下一分層回采時的作業(yè)平臺，灰砂比1∶10與1∶4兩者分次充填。最后一分層根據(jù)頂柱厚度要求和頂柱的穩(wěn)固性調(diào)整采幅，采高為2～4 m，采完后充填接頂。

充填擋墻的砌筑一般在采空區(qū)充填前3 d完成，擋墻砌筑完畢后，附近采場爆破作業(yè)時應(yīng)做好防護(hù)工作，以避免爆破沖擊波破壞擋墻。開始充填時，一次充填高度控制在1.0 m，待充填體凝固后方可繼續(xù)充填，以防充填擋墻受力過大。充填面超過充填擋墻最高點(diǎn)后，一次充填高度可為2.0 m，但以充填面不積水為原則。

回采分層的通風(fēng)主要采用局扇。局扇可懸吊于巷道頂部，把風(fēng)筒接到采場內(nèi)，進(jìn)行壓入式通風(fēng)。污風(fēng)經(jīng)上盤充填回風(fēng)井進(jìn)入上階段回風(fēng)巷，通往回風(fēng)井。

機(jī)械化上向水平分層膠結(jié)充填法三維立體示意見圖2。

2.2 分段空場嗣后膠結(jié)充填法

如圖3所示，本方法礦塊長25 m（垂直走向布置）或50 m（沿走向布置），階段高60 m，底柱高12 m，間柱寬9 m（垂直走向布置）、8 m（沿走向布置），分段高16 m，采用平底結(jié)構(gòu)，鏟運(yùn)機(jī)出礦穿脈間距8 m。

采準(zhǔn)工程有穿脈裝礦巷道、采場礦石溜井、分段平巷、出礦穿脈、出礦穿、分段鑿巖巷道、人行通風(fēng)天井、采區(qū)斜坡道；切割工程有切割平巷、切割井、切割槽。總體回收順序如下：

第一步先采礦房，礦房回收時將對應(yīng)的上中段底柱一同回收，其中底柱上部留5 m護(hù)壁分隔上中段塹溝及塹溝上的充填體，之后進(jìn)行充填（灰砂比1∶10）。

第二步回采間柱，回收間柱時，兩側(cè)都是灰砂比1∶4的充填體，采用上向水平分層充填法回采，連同上中段底柱一同回收，并留5 m安全護(hù)壁，鏟運(yùn)機(jī)出礦，回采結(jié)束后充填（灰砂比1∶4）。

第三步回收安全護(hù)壁，采用進(jìn)路法分條帶間隔進(jìn)行回采，回采結(jié)束后巷道頂部敷設(shè)充填管進(jìn)行充填（灰砂比1∶10），之后再采相隔條帶，直到結(jié)束。

礦房自切割槽開始向礦房另一翼退采，在分段巷道中用BommerK41X中深孔鑿巖臺車鉆鑿扇形中深孔，排距為1.9 m，孔底距為2.6～3.7 m。BYJR-100型裝藥機(jī)裝藥，非電微差雷管導(dǎo)爆索起爆。崩落礦石進(jìn)入底部塹溝后，采用鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)至采場溜井。

新鮮風(fēng)流經(jīng)中段運(yùn)輸巷進(jìn)入底部結(jié)構(gòu)，上部各分段新鮮風(fēng)流從采區(qū)斜坡道進(jìn)入鑿巖聯(lián)絡(luò)巷至采場，清洗采場后，污風(fēng)從采場經(jīng)充填回風(fēng)井至上一中段的回風(fēng)石門至回風(fēng)井。

在礦房（礦柱）開采完成之后，砌筑充填擋墻封堵各出口，進(jìn)行充填，充填管路從上中段的充填聯(lián)絡(luò)巷至礦房（礦柱）的充填井，進(jìn)入采場充填。

分段空場嗣后膠結(jié)充填法三維立體示意見圖4。

3 充填材料配比試驗(yàn)研究

不同配比充填材料力學(xué)性能差異較大，尤其充填材料配比中超細(xì)尾砂比例較高時，對充填材料的流動性及力學(xué)性能影響較大。超細(xì)尾砂沉降速度慢，約為分級尾砂的1/10，尾砂濃縮效果較差，為達(dá)到理想的沉降效果，通常需加入一定比例的絮凝劑，導(dǎo)致充填成本增大；此外，超細(xì)尾砂滲透性約為分級尾砂的1/100，脫水性差，井下采場充填后固結(jié)時間較長，強(qiáng)度較低，存在較大的安全隱患。目前超細(xì)尾砂的處置主要是排放到尾礦庫進(jìn)行儲存，但超細(xì)尾砂存在著孔隙水壓大，自然外排風(fēng)干后固結(jié)強(qiáng)度低，難以筑壩等問題。因此，對超細(xì)尾砂的合理應(yīng)用不僅可解決尾砂來源不足，還可解決堆存于尾礦庫帶來的環(huán)保和安全隱患問題。

結(jié)合廠壩鉛鋅礦具體情況，由于尾砂中粒徑小于74μm細(xì)顆粒含量超過74%（具體分析見3.1節(jié)），為滿足廠壩鉛鋅礦實(shí)際充填強(qiáng)度及流動性要求且合理處置超細(xì)尾砂，考慮在充填材料配比中增加部分細(xì)石（-1 mm）作為骨料，為確定合適的添加比例，進(jìn)行了充填材料配比試驗(yàn)研究。擬定了充填濃度為68%～80%，灰砂比為1∶4～1∶15，細(xì)石添加比例分別為20%、30%、40%多組試驗(yàn)方案。

3.1 尾砂基本性質(zhì)測定

采用MASTERSIZER 2000激光衍射粒度分析儀對廠壩鉛鋅礦全尾砂粒徑進(jìn)行了測定，見圖5及表1。

全尾砂分布粒徑如下：d10=2.295 μm，d50=28.605 μm，d90=139.958 μm，d平均=55.136 μm。

通過尾砂粒級分析試驗(yàn)可知，廠壩鉛鋅礦全尾砂中超細(xì)尾砂含量比例較高，若直接采用全尾砂膠結(jié)充填，不利于充填體強(qiáng)度的形成。

全尾砂比重、容重等參數(shù)測定見表2。

3.2 膠結(jié)充填材料強(qiáng)度配比試驗(yàn)

根據(jù)確定的試驗(yàn)方案，對每組試驗(yàn)進(jìn)行3 d、7 d、28 d、60 d 4個齡期的強(qiáng)度測試，每組齡期澆注3個試塊，共制作有效試塊324個。采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的金屬模澆注，終凝后拆模，為模擬井下充填環(huán)境，將試塊放入恒溫箱內(nèi)進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，溫度調(diào)節(jié)到20℃左右，濕度調(diào)節(jié)到96%左右。

采用YAW-300D型微機(jī)控制恒應(yīng)力抗壓抗折壓力試驗(yàn)機(jī)對充填試樣進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度測定。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

注：尾砂8、細(xì)石2指尾砂與細(xì)石的質(zhì)量比為8∶2，其他類推。

3.3 基于MATLAB的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

MATLAB是美國MathWorks公司出品的一款數(shù)學(xué)軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力。為深入分析不同材料配比對充填試樣強(qiáng)度的影響，利用MATLAB軟件的meshgrid模塊以細(xì)石摻量、灰砂比、質(zhì)量濃度3個因素作為自變量，以不同養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度為因變量，建立了不同配比充填試樣3 d、7 d、28 d、60 d的三維數(shù)據(jù)模型。其結(jié)果如圖6～圖9所示。

通過對以上各個養(yǎng)護(hù)齡期、不同配比的充填試樣的強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度一定時，水泥添加量越多，試塊凝結(jié)速度越快，各齡期試塊的強(qiáng)度越大，齡期從3 d到7 d、28 d、60 d時，各組配比試塊強(qiáng)度均有一定的增幅。以全尾砂∶細(xì)石為7∶3的骨料配方為例，對于質(zhì)量濃度為75%的7 d試塊，灰砂比1∶4、1∶6的試塊強(qiáng)度分別為1∶6、1∶10的9.04、3.09倍；對于質(zhì)量濃度為75%的28 d試塊，灰砂比1∶4、1∶6的試塊強(qiáng)度分別為1∶6、1∶10的1.12、18.05倍。其他配比的骨料配方試塊強(qiáng)度也遵循此類似的強(qiáng)度增大的規(guī)律。

充填料漿濃度是決定充填體強(qiáng)度的另一主要因素，當(dāng)水泥添加量一定時，隨著料漿濃度的增大，試塊各齡期的強(qiáng)度也逐漸增大。例如，對于全尾砂∶細(xì)石為8∶2的骨料配方，灰砂比為1∶4的7 d試塊，濃度為78%、76%的試塊強(qiáng)度分別較76%、74%高出了25.77%、8.38%；灰砂比為1∶6的28 d試塊，濃度為78%、76%的試塊強(qiáng)度分別較74%、72%高出了24.73%、41.83%；灰砂比為1∶10的60 d試塊，濃度為78%、76%的試塊強(qiáng)度分別較76%、74%高出了3.43%和650.48%。其他配比骨料配方試塊強(qiáng)度也遵循此類似的強(qiáng)度增大的規(guī)律。由此可見，提高充填料漿濃度是提高充填質(zhì)量的主要措施之一。

當(dāng)水泥添加量和質(zhì)量濃度一定時，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，試塊強(qiáng)度有大幅提高的趨勢。例如，對于全尾砂∶細(xì)石為7∶3的骨料配方，灰砂比1∶4的79%、77%、75%、73%濃度試塊，齡期為7 d的強(qiáng)度分別較3 d增長2.25、2.29、2.21、1.79 MPa，即分別增長了1.59、2.62、2.55、3.97倍；灰砂比 1∶6的 79%、77%、75%、73%濃度試塊，齡期28 d的試塊強(qiáng)度分別較7 d增長了 4.99、4.55、3.63、2.24 MPa，即分別增長了 10.26、11.96、10.69、11.21倍。其他配比骨料配方試塊強(qiáng)度也遵循此類似強(qiáng)度增大的規(guī)律。

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)護(hù)齡期確定的情況下，灰砂比、質(zhì)量濃度、細(xì)石摻量3個影響充填試樣強(qiáng)度的因素中，灰砂比對充填體強(qiáng)度影響最大，質(zhì)量濃度次之，細(xì)石的添加對充填體初期強(qiáng)度影響較大，對后期強(qiáng)度影響逐漸減緩。從改善級配角度來看，添加適當(dāng)比例的碎石對試塊強(qiáng)度顆粒分布與力學(xué)架構(gòu)有利。添加細(xì)石的試塊當(dāng)中，細(xì)石添加比例為30%時強(qiáng)度較好，即全尾砂∶細(xì)石=7∶3。早期強(qiáng)度的快速形成對于早期強(qiáng)度要求較高的上向水平分層膠結(jié)充填采礦法較為有利，采礦安全性更高。礦山采用充填工業(yè)泵進(jìn)行充填砂漿的輸送，根據(jù)工業(yè)泵的輸送性能，當(dāng)全尾砂∶細(xì)石=7∶3時，各灰砂比質(zhì)量濃度為74%～78%時泵送效果最佳。

4 結(jié) 論

（1）在深入分析甘肅廠壩鉛鋅礦生產(chǎn)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對礦山開采中存在的問題，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，提出了采用充填采礦的方案。

（2）根據(jù)廠壩鉛鋅礦的生產(chǎn)現(xiàn)狀、圍巖穩(wěn)定性、礦體賦存情況，提出了適合廠壩鉛鋅礦生產(chǎn)實(shí)際的充填采礦方法，利用三維建模技術(shù)構(gòu)建了三維采礦模型，并對具體的采礦工藝進(jìn)行了分析論證。

（3）針對廠壩鉛鋅礦尾砂中超細(xì)顆粒含量較高的問題，提出了全尾砂+細(xì)石膠結(jié)充填方案，并對不同配比充填材料進(jìn)行了充填試驗(yàn)研究。分析發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)護(hù)齡期確定的情況下，灰砂比、質(zhì)量濃度、細(xì)石摻量3個影響充填試樣強(qiáng)度的因素中，灰砂比對充填體強(qiáng)度影響最大，質(zhì)量濃度次之，細(xì)石的添加對充填體初期強(qiáng)度影響較大，對后期強(qiáng)度影響逐漸減緩。對于早期強(qiáng)度要求較高的上向水平分層膠結(jié)充填采礦法摻加一定的細(xì)石對充填體強(qiáng)度的早期形成較為有利。

（4）通過對利用MATLAB數(shù)據(jù)分析軟件建立的各個養(yǎng)護(hù)齡期不同配比的充填試樣的三維數(shù)據(jù)模型分析，同時結(jié)合廠壩鉛鋅礦充填工業(yè)泵的輸送性能，最終確定全尾砂∶細(xì)石=7∶3、各灰砂比質(zhì)量濃度為74%～78%時充填效果最佳。