奴拉赛铜矿充填采矿法工艺研究

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1研究的目的和意义

当前，我国的资源开发建设面临着发展和保护的两大难题，如何通过节约资源和减少对环境负面影响，保护和改善生态环境，实现社会经济可持续发展，是我国经济面临的紧迫而艰巨的任务。我国提出了建设资源节约型、环境友好型社会的奋斗目标，坚持节约型资源和保护环境已是我们的基本国策。在我国环境保护意识日益加强、对环境治理日益严格的生产环境下，使得传统粗放型的矿业开发与我国资源日益短缺的矛盾更加突出。而大力发展循环经济，加大对“三废”的综合利用，提高资源利用率，是解决矿山资源与环境对经济发展的必有道理。在奴拉赛铜矿地下开采过程中，一方面随着开采空区的增加和开采深度的加大，矿石及围岩节理、破碎加剧，上下盘围岩呈现极不稳固状态，对矿体开采造成很大困难和开采安全隐患;另一方面，经过多年生产，目前矿山选厂尾矿库库容已接近库满，受地形限制和环保要求，该尾矿库已列为“头顶库”，成为要求必须进行治理的对象，而另外就地新建或扩建尾矿库已不可能。因此，如何处理选矿尾砂排放，就成为矿山又一当务之急的重要问题。通过分析该矿山采、选生产中存在的两难问题，提出对奴拉赛铜矿充填采矿工艺进行研究，探讨和分析充填生产中可能出现的问题，提出对策，并就充填质量进行了分析评价。指出完善质量管理体制、控制充填工艺是保证充填体稳定性的关键。综合利用“三废”难度大、牵涉面广，既关系到企业的生存与发展，又影响到环境与安全，是社会关注的热点问题，研究并解决好综合利用与开采安全和环境保护的相互关系意义重大。

2研究的背景

2.1矿山基本情况

新疆尼勒克县奴拉赛古铜矿古时地表就有零星开采，该遗址位于现采空区的北西端。在近年来的开采活动中，所有开采活动均在古采坑以下安全隔离保护矿柱厚度以下进行的，均未对古采坑进行改造和破坏，保持了古采坑遗址的原貌。奴拉赛铜矿为小型铜矿。目前矿山采用平硐-盲竖井联合开拓，地下开采。主要开拓生产中段有3个平硐中段，3个盲竖井为进风井。盲竖井产出的矿、废石至1250m主运输中段平硐，再由1250m平硐中段（7号平硐）直接运出地表。矿山采用浅孔留矿采矿法。目前I~1和I~2号矿体1200m中段以上为采空区，I~3号矿体为一个隐伏的小矿体，位于11号勘探线附近由1250m中段控制，现已基本开采完。

2.2工程地质条件

2.2.1构造带工程地质特征

矿区地质容矿、控矿构造为矿区发育的两条北西向延伸的断裂，两断裂区内可见长均大于1200m，总体走向315°~340°，倾向南西，倾角72°~85°。断层一般宽3~20cm，断层内充填有构造角砾岩、岩石硅化、碳酸盐化。成矿部位在断层上下盘岩石形成破碎带。目前已发现的铜矿体均赋存于断裂构造破碎带内。2.2.2矿区工程地质岩组特征矿区内岩土体工程地质特征，可分为风积松散岩组、坚硬的侵入岩、半坚硬的构造蚀变岩和沉积岩组三类。⑴洪积松散岩组∶土体主要为黄土，松散赋存于地表。⑵半坚硬沉积岩石组∶岩性为砂岩、砂砾岩、构造蚀变岩等，硬度5~6左右，含水性差；⑶坚硬的侵入岩及块状动力变质岩组：岩性为花岗斑岩，硅化构造角砾岩等，硬度7~8左右，岩石坚硬、含水性差。

2.2.3矿床工程地质评价

2.2.3.1岩组工程地质评价

散体岩组∶砂砾岩、花岗斑岩在地表因遭地表风化等破坏，岩层（体）完整性破坏较大，岩石质量低劣，稳定性差。此种风化岩石分布于地表或近地表部位，且厚度不大，开采时可以剥离。块体岩组∶砂砾岩层和花岗岩岩体整体强度中-较好，完整性好，空间形态稳定，厚度大，属较稳定性岩石，但在开采时可能会造成局部垮塌。

2.2.3.2矿体及其顶底板岩石的稳固性

⑴矿体的稳固性矿体倾角72°~85°，矿石为致密块状，节理、裂隙不发育，属坚硬~半坚硬岩石，矿体大部分稳固性一般，在以往的探采巷道施工过程中有发生冒顶、塌方现象，要求在造成局部垮塌部位做稳定支护工作。⑵矿体顶底板岩石的稳固性矿体顶底板围岩有砂砾岩、砂岩或花岗斑岩等。花岗斑岩岩石致密；砂砾岩、砂岩层理与矿体倾向一致，稳定性一般，矿体顶底板岩石较为坚硬，牢固性一般，采场底板和顶板有产生崩落或塌陷的可能性。

3采矿充填工艺及相关参数

3.1充填系统

充填骨料为戈壁集料和分级尾砂，戈壁集料是用自卸卡车运至制备站，铲运机倒运到卧式戈壁料仓，经斜面振动格筛由皮带机运送至卧式搅拌机中进行搅拌；分级尾砂则由尾砂料仓，通过料仓底部造浆放砂管，送至搅拌机中；水泥由水泥料仓经叶轮给料机下放至灰浆制备桶中，水经高位水仓流入灰浆制备桶中，经过搅拌制备，自溜入搅拌机中，与戈壁集料搅拌，制成流动性较好的混凝土充填料，经充填钻孔下放到井下充填输送站，再由混凝土输送泵，由充填输送管沿巷道输送至充填采场，充填能力15~20m3/h。戈壁集料由皮带称计量，由下料口的电磁振动给料机控制给料，水泥由冲板流量计计量，叶轮给料机控制给料，水由高位水仓恒位液面控制给水，所有计量由仪控室进行监控及配比调控。

3.2充填骨料及充填料浆参数

充填戈壁骨料来自附近戈壁集料场区，其粒度组成平均为10.93mm,见表1。混凝土戈壁尾砂充填配比见表2。在矿体与充填体共同变形中，由于充填体弹性模量较小，矿体受力向充填体挤压变形，充填体则呈高压状态，同时给矿体一个支撑应力，使其变形过大而发生破坏，支承力的大小取决于充填体的强度。对两者采矿方法的评价∶矿山目前所采用的浅孔留矿采矿法，能较好地适应该矿山浅部开采的需要，但为了解决深部矿体稳定性的要求及尾砂的综合利用。若采用的下向进路胶结充填采矿法，采用混凝土人工假顶下作业，可以有效的避免采用浅孔留矿法回采时，回采人员在矿体顶板下作业时所面临的危险性，同时尾砂充填的应用，可以有效的解决尾砂堆放的问题，有利于环境保护和废物利用，综合经济效果较好，同时对地表古迹也进行了有效保护。所以，采用下向进路胶结充填采矿法，可以有效的解决矿山面临的实际问题。使用下向进路胶结充填采矿法开采，其主要工序包括落矿、出矿、平底、铺设假底、架设挡墙、分层充填等。盘区分层巷道垂直矿体走向布置，回采进路沿走向布置，矿块长50m，宽为矿体厚度，采场端部预留穿脉充填道。回采进路长25m，转层后进路断面为3m×3m的正方型，挡墙为木板挡墙和矿渣砌块，ϕ100mm充填管充填。正常情况下盘区内只有1~2条进路回采，进路回采结束后，应立即准备充填。采用的下向进路胶结充填采矿法，对开采矿、岩节理发育、破碎，上下盘围岩不稳固的采场来说是安全有效的。它的最大特点是用胶结充填体做人工假顶，并在人工假顶下采矿。生产中保证充填体暴露部分顶板的稳定性，是决定作业安全、回采参数和开采经济指标的主要因素。因此充填质量的好坏，直接影响人工充填体顶板的稳固性。

4充填体稳定性分析

4.1充填体强度特性及其在人工假顶中的作用

大量的试验研究结果表明∶采空区的充填体具有较小的承载能力，充填体的主要作用在于预防两帮碎裂岩体的位移和提高其稳定性，防止地压的集中。充填体是人工假顶的主要结构材料，其力学性能主要取决于充填材料质量、浓度及配合比，如骨料配比、水灰比等，同时与充填工艺、充填体结构特征、分布状态有直接关系。图1进路充填铺底准备工作示意图1.铺底钢筋焊网；2.吊筋；3.锚杆；4.木板（空心砖）挡墙；5.充填管.金川有色金属公司是采用下向进路胶结充填采矿法的典型矿山。由于矿岩破碎、地压大，经常发生采场冒落塌方，巷道变形破坏，所以要求充填体有较高的强度质量保证。充填骨料选用3mm的棒磨砂加粉煤灰和42.5水泥，按灰砂比1∶4（承载层）、1∶8（进路上部）的配比搅拌均匀，经过钻孔、充填管输送到进路采场内。料浆重量浓度为76%～78%，水泥单位用量200～320kg/m3，充填体单轴抗压强度R28=3～5MPa。该矿三十年的生产实践证明，充填体能较好的承载地压层破坏，确保回采作业面的安全，并使二矿区生产能力达240万吨/年以上。若该矿采用的分级尾砂和部分戈壁集料为充填骨料，42.5水泥为胶结剂，管道自流充填。对回采进路底部1.0m厚的充填体，灰砂比1∶4，充填体承载层单轴抗压强度要求R28=4～5MPa，而回采进路上部充填体，灰砂比1∶8，充填体单轴抗压强度R28=2MPa，充填料浆浓度为70%～75%。从国内下向进路胶结充填采矿法的研究和生产实践表明，我矿充填工艺参数的选择，是比较符合该矿实际情况，能够保证矿山生产需要。

4.2充填体暴露面积和进路断面形状

该矿进路断面形状为正方形，进路断面3m×3m。进路采场顶板受力条件不好。据岩石力学研究表明，在三向受压状态下，正方形进路应力集中系数是六角形进路的4.3倍，地应力容易集中拱角及拱顶，造成拱顶塌落，层状脱层。而六角形进路周边受压，易形成一个承载环，可充分利用进路间柱自身承载能力，改善顶板受力状况。这是因为间柱形状为正梯形，宽度远大于高度，当顶板作用力作用间柱时，会使间柱产生向内约束力，使间柱承载能力提高。针对该矿进路断面形状，极有必要对该矿进路断面形状加以改进，可试验六角形进路回采。

5提高胶结充填体稳定性的工艺措施

胶结充填体的稳定性取决于对充填搅拌制备的管理，主要是保证充填生产正常运行和对充填制备料浆质量的控制。要依据充填指令和质量要求对充填材料质量、物料配比、浆体制备及各类设备进行调控、计量、联络、检验等全面控制，按照采场准备、设备检查与检修、料浆制备、顺序充填等充填作业程序进行充填作业，确保料浆质量满足井下回采作业的安全要求。提高胶结充填体稳定性是决定下向进路胶结充填采矿法成败的关键工艺环节，需要在相关的工艺环节上采取措施，以提高充填混凝土整体性质量，而获得保证。

6结束语

胶结充填体的稳定性对下向进路胶结采矿法的使用至关重要。而影响这方面的因素很多，如充填计量仪控设备的准确性、充填骨料选择及配比等，都需要我们结合现场实际，探讨合理的工艺改进措施，为提高采场作业安全条件，寻求一条经济、可行、高效的采矿生产之路。新疆尼勒克县奴拉赛铜矿充填采矿法的研究表明，充填技术是充填采矿法的核心，保证充填质量、搞好尾砂等“三废”的综合利用，不仅能有效地解决采矿生产中的难题，而且可以有效的保护矿山环境，提高资源利用率，真正达到绿色采矿的目的。

作者:王兵 单位:新疆有色冶金设计研究院有限公司

参考文献

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