阶段充填采矿方法.pdf

S e r i e s N o ． 3 6 0 J u n e 2 0 0 6 垒 鬣 莓 ME IT AL MI NE 总 第 3 6 0期 2 0 0 6 年第6期 采矿工程 阶 段 充填 采矿 方 法术 李元辉 解世俊 东北大学 摘要介绍了一种新的采矿方法阶段充填采矿法。从地压管理和生产工艺过程方面分析了阶段充填 采矿法的产生背景和划分依据。矿山的应用实践表明， 阶段充填采矿法融合了传统的空场法和充填法的特点， 与 原有的充填采矿法形成完整的充填采矿法体系， 对开采 中等稳固以上的厚大连续矿体具有更高的适应性 ， 尤其对 防治深部矿体开采中的岩爆灾害具有显著的优越性。该方法对高效回收矿产资源、 实现矿山无废开采具有重大意 义。 关键词 阶段充填法 连续开采 无废开采上行开采 无矿柱开采 M a s s Fi l l i ng M e t ho d L i Yu a n h u i Xi e S h i i u n I n s t i t u t e o fMi n i n g E n g i n e e r i n g R e s e a r c h， N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y Ab s t r a c t W i t h t h e d e v e l o p me n t o f t h e mi n i n g t e c h n o l o g y i n r e c e n t y e a r s ，a n e w k i n d o f mi n i n g me t h o d ，c a l l e d ma s s fi l l i n g，h a s b e e n d e v e l o p e d ．T h e g e n e r a t io n b a c k g r o u n d a n d t h e c l a s s i fi c a t i o n p r i n c i p l e o f ma s s fi l l i n g me t h o d a r e a n a l y z e d f r o m t h e a s pe c t s o f g r o u n d p r e s s u r e c o n t r o l an d p r o d u c t i o n p r o c e s s ． T h e a p p l i c a t i o n p r a c t i c e i n mi n e s i n d i c a t e s t h a t ma s s fi l l i n g me t h o d i s c h a r a c t e ri s t i c o f b o t h t r a d i t i o n a l o p e n s t o p i n g me t h od a n d fi l l i n g me t h od ，a n d f o r ms w i t h t h e e x i s t i n g fi l l i n g me t h o d s a c o mp l e t e s y s t e m o f f i U mi n i n g me t h o d s ．I t h a s h i g h e r a d a p t a b i l i t y t o t h e mi n i n g o f me d i u m o r a b o v e s c a l e d s t a b l e c o n t i n u o u s mass o r e b o d i e s an d n o t a b l e s u pe rio ri t y i n c o n t rol l i n g t h e r o c k b u r s t i n d e e p mi n i n g，a n d i s o f gre a t s i g n i fi c a n c e t o t h e h i g h e f fi c i e n c y r e c o v e r y o f mi n e r a l r e s o u r c e a n d t h e r e a l i z a t i o n o f w a s t e l e s s mi n i n g ． Ke y wo r d s Ma s s fi l l i n g me t h o d，C o n t i n u o u s mi n i n g ，W a s t e l e s s mi n i n g，U p w a r d s t o p i n g s e q u e n c e ，P i l l a r l e s s mi n i n g 2 0世纪 7 0年代初期， 在加拿大试验成功了 V C R采矿法， 并很快在加拿大、 美国、 澳大利亚、 西 班牙等国家的许多矿山推广应用， 我国凡口铅锌矿 也于 1 9 8 4年引进该采矿法。当时我国采矿界对 V C R采矿法分类有过争论 有的认为矿房回采后用 充填材料充满采空区， 应属充填采矿法一类； 有的认 为该法以矿岩自身稳固性和矿柱控制地压， 嗣后充 填矿房 目的是提高矿柱的回采率或处理采空区， 理 应归类于空场采矿法。1 9 8 6年出版的 金属矿床地 下开采 教材采纳了后者的意见 J 。 随着科学技术 的迅速发展 ， 采矿的工艺技术也 在不断改进。过去以单一因素控制采场地压来命名 采矿方法， 现在生产实践中又出现用组合因素控制 采场地压， 这就产生一种新的采矿方法阶段充 填采矿法 ] 。这不是以前的概念回归， 而是采矿工 艺变革的结果。 1 阶段充填采矿法基本特征 阶段充填采矿法是以矿岩自身稳固性和嗣后一 次性充填矿房的充填体的有机组合来控制采场地 压。将阶段划分为一步矿房和二步矿房， 先回采一 步矿房， 采后进行胶结充填， 待其凝结沉实后， 再回 采二步矿房， 采后用松散充填料充填。一步矿房和 二步矿房构成统一的回采单元， 按回采单元核算采 矿的综合技术经济指标。 一 步矿房和二步矿房均用空场采矿法回采， 其 结构参数要根据矿岩的稳固性、 回采工艺、 采用的凿 岩和运搬设备等因素确定。此外， 由于一步矿房和 二步矿房回采条件差别较大， 各 自的技术经济指标 不尽相同， 因此在选取矿房的结构参数时， 除按 自 然 因素外， 还要综合考虑技术和经济因素才能获得最 合理的结果 。 阶段充填采矿法具有回采工艺简单、 效率高、 成 国家自然科学基金资助项目 5 0 4 7 4 0 1 7 ， 5 047 4 0 1 8 。 李元辉 1 9 6 8一 ， 男， 东北大学采矿工程研究所， 副教授。 1 1 0 0 04 辽 宁省沈阳市和平区文化路 1 1 号。 维普资讯 总第 3 6 0期 鬣 莓 2 0 0 6年第 6期 本低等空场采矿法的优点， 同时又具有与嗣后一次 充填矿房相组合的灵活性， 并且大幅提高了充填的 效率， 降低了充填成本， 消除了回采和充填工艺的制 约关系。空场法回采和矿房充填有机组合， 可显著 地提高二步矿房的矿石回采率和矿床综合回收率。 充填矿房是阶段充填采矿法回采工艺的重要组 成部分， 是矿体可持续开采的必要条件， 而空场采矿 法的采空矿房可以不充填或充填， 其目的主要是处 理采空区， 这和阶段充填法充填矿房有本质的差别。 因此， 阶段充填采矿法具有空场法和充填法融为一 体的优越性， 构成一种全新的采矿方法。 2 应用范围和前景 2 ． 1 应用范围 阶段充填采矿法适用于矿石和岩石稳固及中等 稳固以上的厚大连续规整矿体； 这种采矿法由于无 残留采空区， 用于深部矿体开采防治岩爆有明显效 果； 高回采率和低贫化率使其开采富矿石及贵重金 属矿石尤为适宜； 当地表或围岩需要保护时， 该法应 为首选。 2 ． 2 应用前景 1 实现阶段连续开采。将阶段划分为一步矿 房和二步矿房后， 按选定的合理回采顺序， 可以实现 阶段矿块的连续开采， 一方面充分地利用了国家矿 产资源， 同时， 为企业创造了良好的经济效益和社会 效益 。 2 实现无废开采。矿房矿石采出后， 采空矿 房作为一种新资源加以利用 ， 将井下产出的废石和 地面选厂产出的尾矿充填于采空区 ， 为 回采二 步矿 房创造了良好的回采条件， 从而使企业获得更好的 效益。实现无废开采， 取消了地面的废石场和尾矿 库， 从根本上改变了矿山面貌， 并构筑美好的矿山景 观。 3 实施阶段上行开采。当矿体埋藏较浅或对 保护地表有某种特殊要求时， 可应用阶段充填法实 施阶段上行开采。与传统的阶段下行开采不同， 采 用上行开采 ， 将竖井一次掘至矿体最深部， 使最下部 阶段达到回采水平， 在上一个阶段进行采准， 上两个 阶段开拓， 如此回采 、 采准 、 开拓 向上阶段展开。井 下产出的废石和尾砂充入下部回采阶段的采空区。 为了减少基建初期的投资， 也可以采取 3～5个组 合阶段 ， 实施阶段上行开采。阶段上行开采最突出 的优点 ， 就是使矿山地表不受破坏 以及免 除矿 山生 产期内二次扩建的干扰， 同时为废石不出坑就地充 1 4 ． 填、 实现无废开采创造了便利条件。 3 应用实例 3 ． 1 辽宁抚顺红透山铜矿 该矿开采深度已达 1 3 0 0多米， 是全国金属矿 山中开采最深的矿山。在矿岩中等稳固的厚大 3 主矿体应用阶段充填采矿法。矿房垂直矿体布置， 长为3 04 0 m， 一步矿房宽 1 0 m， 二步矿房宽为 l 6 ～ 1 7 m， 矿房高 3 9 m。一步矿房用留矿法回采， 采 后用分级尾砂胶结充填。二步矿房用分段法回采， 采后用尾砂充填。据 一 4 6 7 m阶段 7 个一步矿房回 采结果， 共采出矿量 3 0 ． 3万 t ， 月生产能力为 6 3 0 8 t ， 矿石损失率为 2 ． 1 8 ％， 贫化率为 1 6 ． 2 ％， 矿房侧 帮暴露面积达 1 2 0 0 m ， 胶结充填强度最 高4 ． 8 M P a ， 平均 2 ． 5 M P a 。二步矿房以 一 4 6 7 m阶段 l 0 采场为例， 矿石损失率为 1 ． 1 7 ％， 贫化率为 2 8 ％。 一 4 6 7 m阶段 1 0 、 l 4 及 l 6 3个二步矿房的回采效 果证实， 回采效率高、 充填成本低、 作业安全。当一 步矿房充填体面积为 1 2 0 01 6 0 0 m ， 强度为2 3 M P a ， 时间在2 a以上时， 完全能保证二步矿房的 正常回采条件。该矿在 8年期间， 用阶段充填法回 采了4个阶段一 4 6 7 m 、 一 5 2 7 m 、 一 5 8 7 m及 一 6 4 7 m 5 0 0多万 t 矿石， 充填了 1 4 0万 m 采空区， 创造了 1 ． 7 8亿元的经济效益。 3 ． 2 山东张马屯铁矿 张马屯铁矿系矽卡岩型磁铁矿床， 矿体厚度 1 5 3 0 13 1 ， 最大7 5 m， 倾角从 l 0 。 一3 0 。 到6 0 。 ～7 0 。 ， 矿岩中等稳固以上。地下涌水量很大， 经帷幕注浆 堵水和疏干排水等防治水工程， 该矿安全顺利地生 产 了3 0多年。 在 一 3 6 0 m水平采用阶段充填采矿法回采。将 矿体划分为一步矿房和二步矿房， 一步矿房宽 l 6 m， 二步矿房宽 1 5 m， 矿房长 5 0 m， 阶段高6 0 IT I ， 用 分段法回采矿房， 分段垂高 1 2 m 。二步矿房回采后 用低标号全尾胶结充填。矿房回采指标如表 1 。 表 1 矿房回采主要指标 霉委 ／ t 矿／ t d ／ 采m kt 备注 编 号量 万 ’ ／ ％ ／ ％ 苜值 F 4 1 0 5 7 ．2 3 5 04 5 0 6 ． 7 6 9 5 ． 5 9 一步矿房 F 4 1 0 2 6 ． 3 3 5 04 5 0 6 ． 6 8 9 3 ． 5 1 1 一步矿房 Z 3 91 0 2 ． 3 5 1 5 02 0 0 7 ． 0 5 7 0 ． 5 1 8二步矿房 从表 1 看出， 矿房综合指标均比该矿上部水平 2 4 0 m， 3 0 0 m 高出很多一 2 4 0 m水平综合回 采率为7 1 ． 4 ％， 一 3 0 0 m为 6 0 ％ 。阶段充填法的 综合回采率比分段空场法的综合回采率要高2 0 ％ 维普资讯 李元辉等 阶段充填采矿方法 2 0 0 6 年第6 期 以上， 其他指标也相应较好。 该矿所用 的充 填材料为全尾 砂 粒 级 一0 ． 0 4 7 m m占6 6 ． 4 5 ％ ， 水泥和炉渣 炉渣替代水泥4 0 ％ 一 5 0 ％ 。一步矿房充填强度为 1 ． 0～1 ． 8 6 M P a ， 充填 后期强度可能增加。这种强度的充填体， 基本保证了 二步矿房顺利回采的条件， 实现阶段连续开采。 根据阶段充填采矿回采的良好效果， 目前在该 矿已全面推广。井下产出的废石部分充填矿房， 其 余进行综合利用。在地表取消废石山， 不设尾矿库， 成为无废开采的典范矿山。 3 ． 3 乌克兰扎波罗热铁矿床 该矿矿体厚度2 ～1 2 0 m， 倾角6 0 。 ～8 0 。 ， 品位 为6 0 ． 5 ％， 为矿岩中等稳固的大型铁矿床， 其上部 有厚5 0余米， 宽几十米， 静水压力达 5 M P a 的含水 层， 并和顿聂兹河有水力联系。于4 8 0～6 4 0 m阶 段北 5 ～南 7 线间采用阶段充填采矿法。 矿房垂直走向布置， 从矿体中问划分上、 下盘两 部分， 矿房长4 0～5 0 m， 宽 3 0 m， 高 9 2 ～1 0 0 m至 1 2 0～1 6 0 m， 分段凿岩巷道垂距 3 0 m。矿房几何 形状呈棱形， 上、 下部分棱面与水平的夹角为 6 0 。 ， 左右相邻棱形矿房间隔回采， 上下相邻矿房交错布 置， 不留问柱和顶底柱， 形成无矿柱连续开采结构。 矿房拉底与底部落矿同时完成， 并形成堑沟底 部结构。崩落矿石在堑沟集矿， 经振动出矿机装矿。 矿房上部棱面能使充填料密实接顶。细磨的高炉炉 渣 0 ． 0 7 4 m m粒级占5 5 ％ 做主要胶凝材料。充填 料的配比为炉渣 细砂 水泥 也可以不加 水 4 O O～ 4 5 0 k g 1 2 0 0 ～ 1 5 0 0 k g 1 0～ 1 5 k g 4 0 0 4 5 0 k g ， 固体质量浓度达 8 0 ％， 充填 8 h后固化， 充 填体强度达5～8 M P a 。 由于高强度的胶结充填体， 不仅保证了上覆含 水岩层不受破坏 ， 而且提高 了矿石 回采率 达 9 2 ％ 。棱形矿房结构受力条件好， 对于地压大的 不 良开采条件 ， 优越性更为突出 。 3 ． 4 俄罗斯加伊铜矿 该矿开采深度达1 6 0 0 m， 采用3 个阶段组合开 “ - ”- - - 一 一-- 4 -“ 一 一一 ““ 拓方式， 在9 1 0 m设集矿运输水平， 其上部 2 4 0 m高 划分3个阶段， 每个阶段高为 8 0 m。从最下阶段用 阶段充填法开始回采， 实行阶段上行开采顺序。在 每个阶段布置上、 下盘运输巷道， 并每隔 3 0 m掘进 横巷， 构成环形运输系统。上部水平采出矿石， 用铲 运机运至矿石溜井放至 9 1 0 m水平， 再经轨道运输 至竖井。上部各水平掘进产出的废石， 直接运至采 空区充填。 矿房用块石胶结充填， 可提高充填体的强度， 并 降低充填成本。 该矿实践表明， 采用阶段上行开采顺序， 可降低 对充填体强度的要求， 有利于废石充填， 不留或少留 顶底柱， 为实现高效强化开采和集中作业创造良好 条件。 4 结语 阶段充填采矿法是近些年来随着采矿技术的不 断发展而产生的， 在目前的矿床地下开采高校教材 以及采矿手册中尚未提出。我们认为现划分出的阶 段充填采矿法与 原有 的充填采 矿法 分层充填法 、 分段充填法和进路充填采矿法 形成完整的充填采 矿法体系， 此法与嗣后充填空场法的结构参数完全 不同， 因此， 它是一种新的概念， 此文目的是引起采 矿同行的共同讨论， 进一步完善采矿方法体系。 参考文献 [ 1 ] 解世俊． 金属矿床地下开采[ M] ． 2版 ． 北京 冶金工业出版 社 。 1 9 8 6 2 4 3 - 2 4 4 ． [ 2 ] 解世俊， 李元辉． 矿床地下开采的新工艺新技术[ J ] ．中国矿 业 。 1 9 9 4 3 1 4 l 6 ． [ 3 ] 解世俊， 李元辉． 金属矿床深部开采几个技术问题[ J ] ． 金属矿 山 ， 1 9 9 8 6 9 - 1 l _ [ 4 ] 李元辉， 解世俊． 空场采矿法的研究及技术新进展 [ C ] ／ ／ 第 三界冶金矿山采矿选矿技术进展报告会论文集 ．大连 [ 出版 者不祥 ] ， 1 9 9 7 l l 4 - l l 8 ． [ 5 ] 解世俊， 等． 苏联扎波罗热铁矿[ J ] ． 国外金属矿山， 1 9 9 1 6 2 8 ． 2 9 ． 收稿 日期2 0 0 6 ． I 4 - I 2 一 ⋯- 4 -- 4 - - 4 - - “十一 - “- - - 卜 - - - - 4 - 信 息苑 - 首钢 3 ． 1 1 亿澳洲买矿山 2 0 0 6年 6月 7日， 首钢集 团出资 5 2 5 0万澳元 日， 该项 目原控制者澳洲吉布森山铁矿公 司就 约合 3 ． 1 1 8 5 亿元人民币 ， 成功取得西澳 E x t e n 。 此发表了声明。该消息为正在进行全球铁矿石谈判 s i o n H i ll 地区磁铁矿项 目的控股权 7 3 ％股份 。当 的中方增加了谈判砝码。 维普资讯