姜仁義

(中冶京誠(秦皇島)工程技術有限公司)

·采礦工程·

充填采礦法礦塊結構的研究

姜仁義

(中冶京誠(秦皇島)工程技術有限公司)

礦山設計和生產中選擇合理的礦塊結構可以提高礦塊的生產能力，有利于減少礦石的損失貧化，有利于采場穩(wěn)定和安全生產。根據(jù)礦山生產實際，對充填采礦法中與采充工藝有關的礦塊空間結構和充填體結構進行了分析研究。在普遍采用矩形結構礦塊的基礎上，提出了梯形、倒梯形、菱形、啞鈴形結構或其組合結構的可能性，并分析了不同礦塊結構的特點及適用條件。

充填采礦法 礦塊結構 充填體結構 采充工藝 分步回采

充填采礦法的礦塊結構不僅與采掘工藝、地質條件有關，還與充填體材料、充填工藝及最終的充填體有關。綜合考慮各種因素，選擇適合礦山具體條件的礦塊結構，對提高礦塊的生產能力，減少礦石的損失貧化，降低生產成本，改善作業(yè)條件，有一定的現(xiàn)實意義。

1 充填采礦法礦塊結構研究的范圍

一般情況下，充填采礦法的生產礦塊包括與礦床開拓工程相連的采切工程、礦房、礦柱和底部結構等幾部分。對設置永久礦柱的充填采礦法，在礦柱支撐的條件下回采礦房，礦房回采結束后進行充填，充填養(yǎng)護結束后回采下一個礦塊，這在本質上與空場采礦法事后充填采空區(qū)相同，其礦塊組成、結構形式和回采工藝也與空場采礦法相同。對不設置永久礦柱的充填采礦法礦塊來說，礦塊內不再劃分礦房和礦柱，一次或分次采出礦塊內的全部礦體，相鄰礦塊可互為礦房和礦柱，依次分步回采。一步采礦塊回采時，依靠相鄰礦塊、其他圍巖的自穩(wěn)定或相互支撐；二步采礦塊回采時，依靠相鄰的一步采礦塊回采結束后的充填體及其他圍巖的自穩(wěn)定或相互支撐。這種采礦方法的一步采礦塊也稱為礦房，二步采礦塊也稱為礦柱。

隨著無人操作出礦設備在充填采礦法中的大量應用，無底柱、無底部結構的充填采礦法越來越多，充填采礦法礦塊的組成越來越簡單。

在充填采礦法的生產礦塊中，最重要是作為回采對象的礦體，采切工程、回采工程、充填工程都要以能夠方便、高效地回采礦體為原則進行布置和實施。充填采礦法礦塊結構的研究主要是研究劃為一個礦塊開采的礦體的空間結構，也即研究礦塊的空間結構。礦體劃分成不同結構的礦塊主要是便于回采、充填，礦塊空間的結構與采充工藝密切相關。

充填采礦法在開采過程中要充填形成起有效支撐的結構物，即充填體。礦塊空間結構內的充填體與礦塊結構相關，研究充填采礦法礦塊結構的同時，也要研究充填體的結構特征。

2 礦塊的空間結構

在礦山設計和生產中，充填采礦法的礦塊結構一般指與采充工藝相關的礦塊空間結構。礦塊空間結構參照其相關的采充工藝可以劃分為塊狀結構、層狀結構、條狀結構及其他形式的結構。

2.1 塊狀結構

深孔、中深孔鑿巖的階段充填采礦法、分段充填采礦法的礦塊結構大都可以看作是塊狀結構，其主要特征是礦塊尺寸較大，鉆機在硐室或巷道內鉆孔鑿巖，孔徑較大、鉆孔較深，鑿巖爆破效率較高，作業(yè)較安全，常用于中厚及以上、礦巖較穩(wěn)固、較規(guī)則礦體的開采，是目前地下金屬礦山大規(guī)模開采的主要結構形式。

塊狀結構礦塊的開采通常在一個采充循環(huán)內完成。與回采設備的合理作業(yè)范圍、采切工程的合理服務范圍相比，塊狀結構的礦塊仍然較小。設計和生產中通常將幾個相鄰礦塊劃為一個盤區(qū)，一個盤區(qū)內所有礦塊共用溜井、天井及采掘設備，盤區(qū)內礦塊分一步采礦塊(或礦房)和二步采礦塊(或礦柱)，先采一步采礦塊，后采二步采礦塊，一步采礦塊、二步采礦塊間隔布置。當?shù)V體穩(wěn)固性較好時，同時回采的一步采礦塊之間可以僅隔1個二步采礦塊，即隔1采1；為了確保采場穩(wěn)定，同時回采的二步采礦塊之間通常隔2個一步采礦塊和1個二步采礦塊，即隔3采1。部分充填采礦法礦山的塊狀結構礦塊參數(shù)見表1。

表1 部分充填采礦法礦山塊狀結構礦塊參數(shù) m

礦山階段高度一步采寬度長度鑿巖段高出礦段高二步采寬度長度鑿巖段高出礦段高備注中關鐵礦12018礦體厚(≤50)606018礦體厚(≤50)6060設計田興鐵礦1002052.550502048.55050設計李樓鐵礦10020礦體厚(≤50)10010020礦體厚(≤50)100100設計、生產周油坊鐵礦12020礦體厚(≤50)6012020礦體厚(≤50)6060設計書記溝鐵礦12015礦體厚(≤50)6012020礦體厚(≤50)6060設計、生產黃崗鐵礦10012礦體厚(≤50)12.55018礦體厚(≤50)12.550設計、生產張馬屯鐵礦6016礦體厚(≤50)126015礦體厚(≤50)1260生產冬瓜山銅礦礦體厚(≤107)1882礦體厚(≤107)礦體厚(≤107)1878礦體厚(≤107)礦體厚(≤107)生產

一步采礦塊和二步采礦塊結構參數(shù)相同的屬等塊狀結構，采用等礦塊結構的生產管理相對簡單，礦山設計中常推薦采用等礦塊結構。由于一步采礦塊采用膠結充填，且膠凝材料配比較高，生產成本高，為了減少膠凝材料用量，降低生產成本，也可以適當調整一步采和二步采礦塊的結構尺寸，使一步采礦塊的尺寸小于二步采礦塊，即采用“一小二大”的礦塊結構。特殊情況下，如礦山投產初期，為了加大產量，或礦巖穩(wěn)固性好，膠結成本較低時，也可以采用“一大二小”的礦塊結構。礦塊的結構與相鄰圍巖密切相關，層狀、似層狀、脈狀中厚以下礦體一般沿礦體走向劃分礦塊，礦塊由礦體頂?shù)装寮跋噜彽V塊的邊界組成，在上下盤圍巖之間呈近似平行的結構形式；對厚礦體，一般垂直礦體走向布置礦塊，礦塊的結構形式也在一定程度上受到礦體上下盤圍巖的限制。

厚大礦體中遠離礦體上下盤邊界或僅局部為上下盤邊界的礦塊數(shù)量多，占比大，其結構形式對礦山的生產有較大影響。目前這類礦塊的幾何結構形式均采用矩形，礦塊的幾何體為柱體、長方體等形式，其優(yōu)點是便于管理，缺點是礦體、充填體垂直的矩形平面大面積臨空暴露時易垮塌、冒落，造成礦石的損失貧化[1]。根據(jù)礦、巖及充填體的特性，這種塊狀礦塊還可以采用其他形式：梯形(至少一個斷面為梯形，幾何體為棱錐臺、錐臺、梯臺，本文稱為錐臺)、倒梯形(幾何體為梯形錐臺的倒置，可稱為倒錐臺)、菱形(截菱形、紡錘形或組合梯形，上部為梯形，下部為倒梯形，實際上是截菱形，該結構形式的礦塊至少有一個斷面為截菱形，其幾何體為截菱體、啞鈴形(組合梯形，上部為倒梯形，下部為梯形，該結構形式的礦塊至少有一個斷面為啞鈴形，其幾何體為啞鈴體)組合形式，標準的矩形、梯形、倒梯形、菱形、啞鈴形結構及其間隔布置形式見圖1～圖4。

圖1 矩形結構礦塊及其間隔布置

從圖1～圖4可以看出，與其他結構形式相比，矩形結構礦塊的頂板暴露面積居中，形式簡單，便于回采，實際生產中，其側面臨空垮塌較多，特別是二步采時，充填體的垮落一方面造成礦石貧化，另一方面削弱了一步采充填體的支撐作用，產生安全隱患；梯形結構礦塊頂部暴露面積小，空間接近拱形，采場總體穩(wěn)定性較好，在應力成拱的作用下，不易產生大范圍冒落；倒梯形結構礦塊側幫內傾，不易垮落，頂板暴露面積加大，增加了頂板冒落的風險，但倒梯形結構礦塊的頂板是下部礦體鑿巖、充填和上部礦體出礦作業(yè)的水平，可以利用采切工程進行預控頂支護，控制頂板冒落；梯形與倒梯形結構礦塊相間布置，聯(lián)合使用，采場穩(wěn)定，有利于改善礦石的損失貧化指標；菱形結構的礦塊與相鄰礦塊上下交錯布置，初始階段需要間隔設置梯形(自下而上推進時)或倒梯形(自上而下推進時)結構礦塊，且鑿巖、出礦、充填等水平巷道要在所有采場的頂部或底部設置，工程量較大，但菱形采場接近橢球體，受力條件最好，有利于采場穩(wěn)定，有利于控制礦石的損失貧化；啞鈴形結構礦塊受力條件最差，其上部回采需要在中心切割，向采場邊幫退采，以減少對中部邊幫的破壞；菱形和啞鈴形結構礦塊間隔布置，可以發(fā)揮環(huán)形鑿巖設備的鑿巖能力，實現(xiàn)大規(guī)模高效回采。

圖2 梯形、倒梯形結構礦塊及其間隔布置

圖3 菱形結構礦塊及其間隔布置

圖4 菱形、啞鈴形結構礦塊及其間隔布置

塊狀結構礦塊體積越大，越能發(fā)揮采礦設備的效率和提高生產效率。在確保圍礦巖穩(wěn)定的條件下，增大礦塊體積主要有兩個途徑：①借鑒柱體穩(wěn)定的特性，在平面上將礦塊布置成近正方形、近正方形，擴大其周長增大礦塊的平面面積，增加礦塊的高度增大礦塊的體積，如澳大利亞芒塔艾薩(MountIsa)銅礦礦塊平面尺寸40m×40m、40m×30m，當?shù)V塊高度達到200m或以上時，礦塊體積超過30萬m3[2]；②利用單向板特性，在能夠保證采場穩(wěn)定礦塊寬度不變的條件下，增加礦塊的長度增大礦塊體積，如冬瓜山銅礦礦塊的寬度18m，長度達82m，當?shù)V塊高度(為礦體厚度)達到70m時，礦塊體積超過10萬m3[3-5]。塊狀結構礦塊的體積主要取決于礦體的賦存條件、穩(wěn)固性、充填體的自立能力及回采充填工藝。從目前設計和生產的礦山看，塊狀結構的小型礦塊體積在5萬m3(礦塊的參考尺寸(寬×長×高)：15m×50m×50m)以下；中型礦塊的體積在5～10萬m3((20m×50m×50m)～(20m×50m×100m))；大型礦塊的體積在10～20萬m3((20m×50m×100m)～(20m×100m×100m))；特大型礦塊的體積超過20萬m3(≥20m×100m×100m)。

2.2 層狀結構

分層開采的礦塊結構多是層狀結構，其特征是淺孔鑿巖落礦，分層回采，人員、設備在采場內作業(yè)，礦石損失貧化較少，生產效率較低。

層狀結構的礦塊由多個分層組成。設計和生產中通常將幾個相鄰礦塊劃為一個盤區(qū)，一個盤區(qū)內所有礦塊共用溜井、天井及采掘設備，盤區(qū)內礦塊間隔開采。層狀結構礦塊的開采要在多個采充循環(huán)內完成，其中每一層至少要進行一次采充循環(huán)。

層狀結構礦塊的主要參數(shù)是分層的平面尺寸及分層高度。分層的平面尺寸主要取決于礦體規(guī)模、礦巖的穩(wěn)固性，礦體規(guī)模較大、礦塊內留設礦柱、加強頂板支護均可增大分層的平面尺寸；分層高度一般指正?；夭蛇^程中一個采充循環(huán)內的落礦高度或充填高度，主要取決于礦體圍巖、礦體、充填體臨空時的穩(wěn)固性及回采工藝，穩(wěn)固性較好時，可以加大分層高度。

層狀結構礦塊上向分層回采時，正?；夭蓞^(qū)段的分層高度一般為4～6m，采用鑿巖機淺孔鑿巖時“兩采一充”或“一挑一壓”再充填，即兩次鑿巖落礦一次充填；鑿巖臺車淺孔鑿巖一般為“一采一充”，充填高度等于落礦高度。正?；夭蓞^(qū)段的最大空間高度為充填高度或落礦高度與空頂距之和，空頂距即充余高度、空頂高度，是便于上分層回采的空間高度，因而正?；夭蓞^(qū)段充填不接頂。部分充填采礦法礦山的層狀結構礦塊參數(shù)見表2[6]。

2.3 條帶狀結構

進路式回采的充填采礦法和壁式充填采礦法的礦塊結構都是條帶狀結構(或稱條狀結構)。條帶狀結構礦塊采用進路或將礦體分成條帶進行回采、充填，由于斷面較小，一般采用淺孔鑿巖。

表2 部分充填采礦法礦山層狀結構礦塊參數(shù) m

礦山階段高度一步采寬度長度分層高度二步采寬度長度分層高度備注新城金礦508～7礦體厚3.3～4.57～8礦體厚3.3～4.5生產三山島金礦40～4510礦體厚2.5～410礦體厚2.5～4生產石人溝鐵礦12020礦體厚3.6～3.830礦體厚3.6～3.8設計楊官營鐵礦60礦體厚40～804.2～4.4礦體厚40～804.2～4.4設計高官營鐵礦60礦體厚80～1004～5礦體厚80～1004～5設計、生產安各莊礦6010礦體厚512礦體厚5設計

條帶狀結構礦塊基本不受開采技術條件限制，但生產效率較低，成本較高，主要用于回采不穩(wěn)固、極不穩(wěn)固礦體。

條帶狀結構礦塊的開采要在多個采充循環(huán)內完成，其中每一條帶至少要進行一次采充循環(huán)。

為了提高生產效率，需要增大進路或條帶的斷面，增加其長度。進路或條帶的斷面增大、長度增長會加大回采難度，通風、支護成本提高。礦山設計和生產中應根據(jù)礦巖條件和采掘工藝設備，選擇合理的條帶斷面、長度及回采工藝。

采用進路式回采的充填采礦法礦山，電耙出礦時，進路斷面為(2.5～3)m×(2.5～3)m；采用無軌設備出礦的進路斷面主要取決于設備規(guī)格，2～6m3鏟運機的進路斷面一般為(4～5)m×4m。為了改善進路的受力條件，金川鎳礦采用了六角形斷面。六角形斷面的腰寬為5.4m，頂?shù)讓?.6m，高4m。進路長度根據(jù)出礦設備的合理運距確定，電耙出礦時一般為40～60m；鏟運機出礦時一般為100～200m[7-9]。設計和生產中通常將多條相鄰進路劃為一個礦塊(也稱作盤區(qū))，一個礦塊所有進路共用溜井、天井及采掘設備，礦塊內進路間隔開采。

采用壁式充填采礦法的礦山，其回采條帶與進路式回采充填采礦法礦山的進路相似。當?shù)V體厚度較小，圍巖穩(wěn)固性較好時，其回采條帶可以適當加寬。一般情況下，壁式充填采礦法回采條帶的寬度為2～8m。

2.4 其他結構形式

除了前述常用的結構外，充填采礦法也可根據(jù)需要留設臨時礦柱，如礦塊間柱、盤區(qū)間柱等。這些間柱在中段、礦塊或盤區(qū)回采期間作為臨時礦柱，回采結束后再回采，即“三步采礦塊”?！叭讲傻V塊”的結構一般應與一步采、二步采礦塊相同或相近，以便于采用相同或相似的工藝回采[5-6]。

為了減輕采礦對地表、圍巖及有關工程的影響，充填采礦法也可留設永久礦柱。在礦塊范圍以外如礦塊間柱、盤區(qū)間柱等的永久礦柱，一般不影響正?；夭傻牡V塊結構；在礦塊范圍內留永久礦柱，如點柱式充填采礦法，從地壓控制方面看，其礦塊結構是一種組合結構，是層狀結構礦塊與礦柱的組合，可以有效地控制地壓。

礦體的邊角部位、孤立的小礦體等，空間形態(tài)不規(guī)則，可以根據(jù)礦體相似原理，采用相同或相似礦體的回采工藝和結構形式[10]。

3 充填體結構

充填體結構是充填采礦法礦塊結構的重要組成部分，主要有散體結構、膠結體結構、組合結構及流體結構。

(1)散體結構。干式廢石充填、單一的水砂充填形成的充填體即為散體結構。散體結構的充填體不具有自立性，沉降系數(shù)較大，具有一定的可壓縮性，在封閉的條件下，具有一定的承載能力。充填采礦法礦山的二步采礦塊一般采用散體結構。

(2)膠結體結構。膠結體結構包括尾砂膠結結構、碎石混凝土結構、碎石尾砂膠結體結構、鋼筋混凝土結構等。膠結體結構一般可以達到要求的強度，能起到有效支撐。充填采礦法礦山的一步采礦塊應當采用膠結體結構。

(3)組合結構。根據(jù)生產需要采用散體、膠結體等相結合的結構。如礦塊底部有礦體需要后期開采時，一般僅需在礦塊底部設置鋼筋混凝土膠結體結構或其他膠結體結構，其上部、中部則可以采用其他結構形式。二步采礦塊上部需要行走無軌設備時，其礦塊上部也應采用膠結體結構。

(4)流體結構。水力充填體在沉淀脫水、膠結之前屬流體結構。一般條件下，流體不具有承載力，流體結構的充填體只是暫時狀態(tài)，脫水、膠結之后成為散體或膠結體。但是，在地下開采期間及至開采結束閉坑后，地下水有可能重新滲入充填體，使得散體結構的充填體重新變成流體結構，這種結構的充填體與地下充水溶洞相似，可能危及礦山的安全生產和地下巖體的穩(wěn)定，應當嚴加防范。

在封閉的條件下，流體結構具有不可壓縮性和超強的承載能力，利用其這一特性變害為利，與地下水的綜合整治、采場和井巷的充填封閉統(tǒng)一考慮。

4 結 論

(1)充填采礦法礦塊結構的主要部分是與回采工藝相關的礦塊空間結構形式及充填體的結構。

(2)與回采工藝相關的礦塊的空間結構形式可以劃為塊狀結構、層狀結構、條帶狀結構和組合結構。深孔、中深孔鑿巖的階段充填采礦法、分段充填采礦法等的礦塊結構是塊狀結構，塊狀結構是充填采礦法礦山的主要礦塊結構，礦塊的生產能力大，生產效率高；分層充填采礦法的礦塊結構是層狀結構；進路式回采的充填采礦法和壁式充填采礦法的礦塊結構是條帶狀結構。

(3)充填體結構主要有散體結構、膠結體結構、組合結構及流體結構。散體結構和膠結體結構是充填體的兩種基本結構，礦山設計和生產中應當根據(jù)實際需要選擇充填體的結構形式。

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Research on the Structure of the Block Mining by Filled Stope Mining Method

Jiang Renyi

(MCC Capital Engineering & Research Incorporation Qinhuangdao Co., Ltd.)

If the applicable structure of the block would be adopted in mine's design and production, the production capacity of the block could be improved, and it is helpful to reduce loss and dilution of the ore, and it is helpful tothe stope stability and safety in production. According to the practice of mine's design and production, it is studied that the space structure which associated to the technology of mining and filling,and the structure of filled body in filled stope mining method. Based on the rectangular structure of the block that is widely adopted, the possibility of adopting the trapezoidal,the inverted-trapezoidal, the rhombic and the dumbbell shaped structure are put forward, and the characteristics and applicable conditions of the block structures are analyzed.

Filled stope mining method， Structure of the block， Structure of filled body, Technology of mining and filling, Mining by step

2014-09-01)

姜仁義(1959—)，男，教授級高級工程師，066004 河北省秦皇島市經濟技術開發(fā)區(qū)龍海道71號。