多礦脈上向水平分層充填采礦法的優化分析

石 勇

（金誠信礦業管理股份有限公司，北京 101500）

上向水平分層充填采礦法是上向分層充填采礦法中的一種，與其對應的還有一種采礦方法為上向傾斜分層填充采礦法，是礦產資源開采中常用的一種采礦方法，對開采工作面進行分層開采，將礦石采出部分用填充物進行填充，保證開采工作面的穩定性和礦山地質結構完整性。按照開采單元的大小，上向水平分層充填采礦法可分為礦塊上向分層充填采礦法和盤區上向分層充填采礦法，當礦房和間柱的布置是垂直于礦體走向時，多采用盤區上向分層充填采礦法，每個盤區包含多個礦房和間柱，并且一條斜坡道為一個盤區服務；當礦房和間柱的布置是沿著礦體走向時，多采用礦坑上向分層充填采礦法。按照采礦工作面中是否存在點柱，又可以將上向水平分層充填采礦法分為有點柱分層充填采礦法和無點柱分層充填采礦法，點柱的作用是用于支撐采礦空間頂板，其外形呈圓柱形或者方柱形，直徑在6m~9m之間。上向水平分層充填采礦法具有難度低、易實施、成本低等多個優點，其適用于開采礦石、圍巖比較穩固的礦體，已經被廣泛應用到礦產開采領域中。隨著工業化和城市化進程的不斷加快，人們對于礦產資源的需求呈現出持續上升的狀態，目前大部分埋深淺、易開采的礦山資源已經基本開采完畢，為了增加礦產資源儲備量，國內加大了對多礦脈的開采力度，多礦脈地質結構復雜，具有較大的開采難度，上向水平分層充填采礦法在實際應用中，采礦頂板下沉量較大，嚴重威脅了采礦安全，為此提出多礦脈上向水平分層充填采礦法的優化分析。

1 多礦脈上向水平分層充填采礦法的優化設計

多礦脈是一種以板狀為主、礦體形狀不規則、圍巖穩定性較差的礦床，并且經常與礦床地層形成一定的角度，上向水平分層充填采礦法在對多礦脈開采實際應用中，采礦參數、填充材料選取和配比仍然沿用普通礦床上向水平分層充填采礦方法，并沒有考慮到多礦脈開采需求和地質特點，這也是上向水平分層充填采礦法應用過程中采礦頂板嚴重下沉的主要原因。針對多礦脈地質特征和開采需求，對上向水平分層充填采礦法進行優化分析，主要是對采礦參數和填充材料方面優化，下文將重點對該兩方面進行優化分析。

1.1 多礦脈上向水平分層充填采礦參數優化

在一般情況下，上向水平分層充填采礦方法在應用過程中，采場的寬度為18m，采場的長度為75m。該采礦參數的選取是在礦床地質結構穩定的前提下，可以搭建過寬或者過長的采場，但是多礦脈地質結構多受到斷裂、褶皺、斷層等構造影響，導致多礦脈地質結構穩定性極差，如果采場寬度、長度等采礦參數取值過大，將會出現塌陷、采礦頂板下沉等現象[1]。根據以上分析，多礦脈上向水平分層充填采礦參數優化是主要優化內容。為了確定準確的開采參數，需要對多礦脈礦柱安全系數進行計算分析，其計算公式如下：

公式（1）中，L 為礦柱抗壓強度，多礦脈礦柱抗壓強度為65MPa；D 為采場寬度；H 為采場長度。將采場寬度取值為13 m、14 m、15 m、16 m、17m，采場長度取值為50m、55 m、60 m、65 m、70 m帶入上述公式中，分別計算出不同采場參數下，多礦脈礦柱的安全系數，計算結果分別為2.3K、2.5 K、2.1 K、2.0 K、1.8 K。根據多礦脈礦柱的安全系數計算結果，將多礦脈上向水平分層充填采礦參數優化，將采場寬度調整為8-12m，采場長度調整為55m，以此完成多礦脈上向水平分層充填采礦參數優化。

1.2 多礦脈上向水平分層充填采礦法填充材料優化

上向水平分層充填采礦法的填充材料主要以分級尾砂為主，分級尾砂原料主要來源于礦山開采的廢渣和廢料中，通過對廢舊砂石進行分級，選取出37um以下的物體作為填充材料[2]。在一般普通礦山開采中，以分級尾砂作為主要填充材料，就可以滿足對礦產工作面的支撐需求。但是多礦脈地質結構不規則，顆粒直徑比較小的分級尾砂抗壓強度比較低，物理性能較弱，并不能滿足多礦脈工作面支撐需求，因此需要對填充材料進行優化。與分級尾砂對應的是全尾砂，全尾砂是沒有經過分級的礦石材料，其粒級比分級尾砂大，物理性能方面要優于分級尾砂，下表為分級尾砂填充物與全尾砂填充物物理性能對比。

表1 分級尾砂填充物與全尾砂填充物物理性能對比

從上表中可以看出，全尾砂礦壓強度要優于分級尾砂，因此在多礦脈上向水平分層填充開采中將分級尾砂填充材料更改為全尾砂，提高填充物的物理性能[3]。除此之外，為了使填充物的抗壓強度更高，還需要對填充物的配比進行優化[3]。傳統填充材料配比為：尾砂、水泥、水、減水劑的比例為6:2:1：1,這種配比配置的填充物擴展度為250mm,塌落度為140mm，抗壓強度為19.8PMa,《多礦脈采礦技術規范》中要求填充材料的塌落度在130±15mm，擴展度在100±45mm，抗壓強度不得低于40 PMa，由此可以看出傳統填充材料配比并不滿足多礦脈采礦技術要求。據有關研究資料中闡述，填充材料的抗壓強度、擴展度以及塌落度與水泥摻量有關，因此選取三種不同水泥配比，測試填充材料的物理性能[4]。測試結果顯示：尾砂、水泥、水、減水劑比例為5:3:1：1，填充材料擴展度為100mm,塌落度為80mm，抗壓強度為24.6PMa；尾砂、水泥、水、減水劑比例為4:4:1：1，填充材料擴展度為80mm,塌落度為50mm，抗壓強度為45.4PMa；尾砂、水泥、水、減水劑比例為3:5:1：1，填充材料擴展度為150mm,塌落度為130mm，抗壓強度為21.9PMa。根據以上測試結果，將多礦脈上向水平分層填充材料配比優化為：尾砂、水泥、水、減水劑比例為4:4:1：1。

此外在填充材料制作過程中，添加適量藥劑，可以使填充材料質量濃度為70%的全尾砂漿沉降特性得到明顯的改善，同時在每立方米中70%的質量濃度的全尾砂漿中增加藥劑也可使清濁界面得到快速的沉降。再向立式砂倉中添加適量的藥劑可以實現砂漿的動態沉降，實現在輸入砂漿的過程中，將填充材料完全溢出填充，從而有效控制采礦頂板的下沉。通過以上對采礦方法的調整，實現多礦脈上向水平分層填充采礦法的優化。

2 實驗

2.1 實驗設計

實驗以某多礦脈為實驗對象，該礦脈面積約4562m2，長度約268m，礦體深度為1168m~1545m，礦山內含豐富的銅、金、鐵等礦產資源，礦石類型以石英脈型為主，次為硅質巖型和花崗斑巖型，開采難度比較大。實驗分別使用傳統上向水平分層填充采礦與優化后的采礦法進行采礦，礦洞填充材料分別選取分級尾砂和全尾砂，填充材料按照上文提出配比進行調配，開采過程中記錄開采頂板的下沉情況。

2.2 實驗結果分析

實驗以采礦頂板下沉量作為實驗結果，隨機選取十個采礦區域頂板下沉數據，對優化前后多礦脈上向水平分層填充采礦法進行對比，實驗結果如下表所示。

表2 優化前后采礦頂板下沉量（mm）對比

從上表中可以看出，應用優化后的多礦脈上向水平分層填充采礦法采礦頂板下沉量明顯低于優化前，傳統采礦法采礦頂板下沉量在2.15m~6.85mm之間，平均下沉量為4.12mm，而優化后的采礦方法頂板下沉量在0.09~0.14范圍內，平均下沉量為0.11mm，實驗證明了此次提出的優化方案具有良好的實用性，可以有效解決采礦頂板的下沉問題。

3 結束語

上向水平分層充填采礦法的應用對多礦脈或者其他復雜礦脈開采質量具有重要作用，本文針對目前現有的上向水平分層充填采礦方法中的缺點和不足，對其進行合理優化，改善其在多礦脈開采應用中采礦頂板下沉量較大的問題，有效保障了多礦脈開采安全，并且可以在一定程度上提高多礦脈采礦工程的質量和礦產資源的利用率。但在該采礦方法中仍然存在其他某些方面的問題，制約著多礦脈采礦的效率和速度。因此，還需不斷對上向水平分層充填采礦法進行優化研究，從而提高對礦產資源的利用率，使多礦脈采礦工程更加規范化，促進采礦企業的發展。