中厚矿体无矿柱连续高效开采研究

［摘　要］2007年以来，中国黄金集团石湖矿业有限公司对101采区和矿场进行了改建，使其采矿生产能力从200吨/天变成了600吨/天以上。

由于长期开采，101采区上部资源已逐步回采完毕，因而，石湖公司转向深部180米中段水平及以下矿体的开采。

但由于矿体赋存条件、矿岩力学性质、稳固程度及矿石品位等都发生了变化，原留矿采矿法并不适用于下部矿体。

针对高品位、高价值的急倾斜中厚矿体，石湖公司创新性地提出了机械化程度高、技术先进、经济上合理的全尾砂胶结充填系统，采用上向水平分层充填法，进行无矿柱盘区连续开采。

不仅解决了石湖公司实际问题，也为其他类型矿山提供了可借鉴的技术和经验。

［关键词］石湖；中厚矿体；无矿柱向上分层开采
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Report 报道中厚矿体无矿柱连续高效开采研究
创造单位：中国黄金集团石湖矿业有限公司主 创 人：李文义　张友刚
创 造 人：张文艺　赵树金　朱卫东　耿晓飞　赵志豪　温阔业
中国黄金集团石湖矿业有限公司（简称“石湖公司”）是具有采、选、冶综合生产能力的黄金矿山企业，2007年由中国黄金集团有限公司在原石湖金矿的基础之上组建而成，现控股90%。

主要由101采区、116采区及石门采区组成。

其中101采区担负公司80%以上的采掘生产任务。

101采区原有采矿生产能力为200吨/天，采矿方法以浅孔留矿法为主。

石湖公司成立后，对101采区和原选矿厂进行了全面改扩建，在101采区南部新建了2#竖井，主要担负180米中段及以下中段的矿石提升任务。

2011年，选矿厂改扩建工程完成后，101采区的采矿生产能力达到500吨/天以上。

目前，选矿生产能力可达600吨/天以上。

一、背景
（一）留矿采矿法已不适应中下段矿体开采
通过多年的开采，石湖公司101采区上部资源已逐步回采完毕，转向深部180米中段水平及以下矿体的开采。

而下部矿体赋存条件、矿岩力学性质、稳固程度及矿石品位等较之上部矿体等都发生了较大变化，原留矿采矿法已越来越不适应矿体的变化，主要表现在：
（1）留矿法主要适用于薄矿体的开采，而101矿区矿体已变为中厚矿体。

特别是矿体厚度变大后，原平底堑沟底部结构已明显不合理。

很大部分矿石不能出净。

（2）深部矿体上盘围岩不稳固，留矿采矿法采矿在采场大量出矿阶段，出现大面积垮塌，造成开采损失贫化很大。

根据2010年统计，开采贫化率已接近50%，损失率达40%以上，矿区矿石品位好、矿石价值高，要求尽最大可能回收资源，而矿山现行高损失率和贫化率的开采致使开采经济效益低下。

（3）因金矿床尾砂产出率高，全部尾砂在地表堆积，污染地表环境，
且地表尾砂库库容压力大，再建尾砂
库选址困难，尾砂库造价高。

（4）现行留矿采矿法机械化程度
低、工艺落后，出矿还采取人工出矿
方式，生产效率低，难以满足矿山扩
大生产规模后的要求。

为此，需要寻求一种机械化程度
矿法等。

对于矿石价值高、矿岩较稳固
中厚矿体来说，完全意义上的空场法
（不包括嗣后充填法）回采率低，因
而较少采用；分段崩落法损失贫化大，
亦较少采用。

石湖公司101采区属于急倾斜中
厚矿体，其现行的采矿方法存在机械
图1
高、技术先进、经济上合理的开采方
法，解决采矿生产中的技术难题，以
满足企业日益增长的生产能力要求，
提高公司的综合经济效益，提升公司
整体实力，支撑企业的长期稳定发展。

（二）急倾斜中厚矿体开采技术
是生产之需
针对高品位、高价值的急倾斜中
厚矿体，通过国内外类似矿山的采矿
方法调查研究表明：对于这类矿体的
开采主要采用充填采矿法。

或采用分
步骤空场嗣后充填采矿法，其中主要
方案有：上向水平分层充填采矿法、
两步骤分段凿岩阶段空场嗣后充填采
矿法、大直径深孔阶段矿房嗣后充填
采矿法。

或分步骤回采，每步骤回采
的方案可将前几种方案组合变形。

矿
岩不稳固时，也采用上向进路充填采
化程度低、工艺落后、生产效率低、贫化损失指标大，无法适应中厚矿体安全高效经济开采及矿山改扩建生产需求的技术难题。

为此，2010年3月，石湖公司于与长沙矿山研究院有限责任公司合作，共同开展石湖公司101采区中厚矿体开采综合技术研究。

项目结合石湖公司井下矿体具体情况，其研究成果在解决石湖公司实际问题的同时，也为其他类型矿山提供了可供借鉴的技术和经验。

二、方法
（一）科学方案
1.在采场工艺技术方面，首先通过石湖公司101采区地质概况及开采技术条件分析，结合国内外类似矿床开采技术现状，通过多方案比较论
证，确定了技术可行经济合理的采矿方案；
2.对矿块采充循环及矿区整体开采过程数值模拟分析研究，优化回采工艺技术及采场结构参数。

3.在以上基础上，合理的划分矿块及盘区，以实现不同作业区循环作业与连续开采工艺。

4.在充填技术方面，首先基于开采工艺要求和充填自身稳定性要求得出了合理充填体的强度，通过充填料配合比试验、输送性能参数试验和充填体强度验证等确定满足要求的充填材料配合比，形成了一套以充填体力学为基础的贯穿充填工艺全过程的方法体系；同时开发出全尾砂浇灌构筑假底层技术。

5.根据矿区的地表地形、选厂及充填站位置、充填要求等现状，首创
了以干尾砂三段造浆为特征的全尾砂充填工艺。

6.最后，依据采矿及充填工艺技术相关研究成果，在石湖公司101采区进行了无矿柱盘区上向分层连续开采现场工业试验。

（二）关键技术
石湖公司全尾砂胶结充填系统是根据其矿山的具体情况而专门设计建造的，其工艺特点是国内独一无二的，工艺流程见图1。

1.充填系统设计充填能力为充填实体积50立方米/小时充填重量浓度可达63%以上。

2.充填浆灰砂比可按生产要求任意配制，充填灰砂比、充填浓度等数据均实现电脑自动控制。

3.充填站系统站房内主要设施包
括一套尾砂预造浆搅拌机、一个尾砂
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滤饼存储车间、一个充填车间、两个尾砂造浆池、一个水泥仓、一套充填料搅拌装置、一个充填钻孔、一套自动控制系统组成。

其他辅助设施还包括生产水供给系统、压气设施系统、电力供应系统、供暖设施、自动控制等部分。

4.浮选尾砂经陶瓷过滤机过滤后由汽车将浮选尾砂滤饼运送至充填站的尾砂滤饼存储车间储存，尾砂滤饼由0.75立方米铲车铲入JS1000升双轴混凝土搅拌机，经加水初步搅拌后形成60%左右浓度尾砂浆通过溜槽流入尾砂造浆池。

充填系统设置两个尾砂造浆池，造浆池规格6×6米，单个砂池有效容积120立方米，尾砂造浆池设置有供水线及调节阀，底部安装有压气造浆喷嘴，两个造浆池交替进砂和充填。

待造浆池中尾砂储满后，即可打开压气造浆喷嘴对尾砂浆充分造浆，形成混合均匀的具有结构流形态的尾砂料浆。

充填时打开放砂阀通过放砂管向充填料搅拌机供给尾砂浆。

5.选用P.C32.5级普通硅酸盐水泥作为胶结剂。

散装水泥由汽车运来后存入水泥仓，水泥仓中的水泥通过螺旋给料机供给搅拌机。

水泥仓有效容积80立方米，可储存水泥100吨。

6.充填站设置一个200立方米水池，然后经泵加压供给压力水。

7.全尾砂浆、水泥及适量调浓水经各自的供料线进入搅拌机进料斗后供给充填料搅拌机。

充填料通过双卧轴搅拌机+高速活化搅拌机两段连续搅拌均匀后制备成浓度适中、流动性良好的充填料浆，通过管道自流进入充填钻孔下料斗，并通过充填钻孔及井下充填管网自流输送至井下采场空区进行充填。

（三）工艺流程
1.采准与切割
（1）采准：沿矿体走向每隔50-60米划分1个采场。

即沿矿体走向每隔50-60米在中段水平掘进穿脉巷穿透矿体。

再沿矿体走向掘进脉内平巷连接穿脉巷。

在垂直高度上每隔10米高度划分分段。

在分段高度水平，于矿体下盘脉外掘进分段平巷。

从斜坡道进入各分段水平，整个上下中段之间只布置1条斜坡道，斜坡道布置的位置和布置方式，应视开拓情况综合考虑。

从分段平巷掘进采场联络道通达采场，每个采场两翼各1条采场联络道。

在采场中央布置1条脉内充填通风天井，天井联通上下中段脉内沿脉平巷。

在矿体下盘脉外布置溜矿井。

不留采场顶底柱和间柱。

（2）拉底：从中段脉内沿脉平巷开始拉底工作，用气腿式凿岩机或凿岩台车拉底至采场边界。

若回采时采用气腿式凿岩机回采，则拉底高度2.5立方米，若回采时采用凿岩台车回采，则拉底高度为3-3.5米。

因采场不留顶底柱和间柱，本采场对应的下中段仍有矿体需回采时，则拉底后浇灌混凝土假底，以利于下部矿体的回采并降低开采损失贫化率。

混凝土假底浇灌厚度0.3-0.5米，若采用高水泥含量的胶结充填代替混凝土假底，则浇灌（充填）厚度为1-2米，并配置钢筋和金属网。

其施工设计在拉底工作完成后进行。

采准切割井巷工程一般不支护，局部不稳固地段采用喷锚支护。

采切工程量见表1。

采场矿量Q=50×60×12×3= 108000吨；
采切比：731÷108=6.76米/千吨；
4344÷4÷108=10.06标准米/千吨。

2.回采工艺
从拉底层开始向上分层回采、分层充填。

用气腿式凿岩机钻凿浅孔落矿，落矿高度2.0-2.5米。

凿岩时即可采用上向炮孔挑顶落矿，也可采用水平孔压顶落矿，选择何种落矿方式可根据情况灵活掌握。

采用挑顶回采时，生产能力大，但安全性相对较差（最大空顶高度大）。

在要求生产能力较大、矿岩稳
固条件较好时，可采用挑顶回采方式。

采用压顶回采时，采场顶板平整，安全性好（最大空顶高度低），但大块率高，生产能力相对较低。

在要求产量不大，矿岩稳固性相对较差时，采用该落矿方式。

因石湖公司上盘围岩稳固性相对较差，若采用挑顶落矿时，向上分层回采时还可采用阶梯形式向上推进，矿体上盘接近顶板围岩的部分3-5米滞后一个台阶（约2-2.5米高度），剩下的矿体下盘部分超前一个台阶高度。

当采场矿岩稳固性条件好时，则不必采用台阶式上升方式。

凿岩钻头直径Φ32-38毫米，炮孔平行布置，孔距1-1.2米，排距0.8-1米，孔深2-2.5米，矩形布孔或梅花形布孔均可。

崩矿时，在孔内装入2#岩石炸药药卷和分段导爆管雷管，孔外用电雷管或起爆器起爆。

矿石落下后，处理顶板松石，然后用1.0立方米铲运机出矿。

铲运机从采场铲矿后，通过采场联络道、分段巷道、溜井联络道，将矿石放入溜井。

3.采场充填
一分层回采完毕并出矿后开始进行充填工作。

充填前，将进入采场的联络道挑顶，使联络道底板与分层充填高度在同一高度位置，必要时做好充填滤水设施（全尾砂胶结充填时可
不必布置滤水设施），从采场上部充填通风天井引入充填管道进行充填。

采用尾砂充填形式，用石湖金矿自产尾砂作充填骨料，水泥作胶凝剂。

根据回采工艺特点，可以先用水泥含量较低的胶结充填，然后用水泥含量高的胶结充填浇面。

浇面充填高度0.5
米，浇面胶结充填灰砂比1 : 4。

根据充填体强度室内试验结果，采用灰砂比为1 : 8的配比的胶结充填，充填体7天强度可达1MPa 以上，可满足回采工艺的要求。

即采场用综合灰砂比为1 : 8的胶结充填。

分层充填高度2-2.5米。

当采用压顶落矿方式，采场顶板向上推进时不采用台阶形式，则充填后的空顶高度为1-1.5米。

若采用挑顶落矿方式，采场顶板向上推进时采用台阶形式，则充填后的空顶高度为2-2.5米，接近上盘围岩的台阶矿体部位充填接顶，该部分矿体用水平炮孔回采。

充填完成后，待充填体养护3-7天后进行下一分层的回采、充填作业。

但铲运机进入采场铲矿时，充填体的养护强度能必须保证铲运机能在上行驶。

为了消除或降低回采与充填之间相互影响和制约关系，可采用2个采场交替作业形式，即1个采场充填时，另1个采场回采，或采用盘区作业的
生产组织方式，以提高生产效率。

采场通风
通风路线：中段运输巷→斜坡道（或专用通风井）→分段平巷→采场联络道→采场→通风充填天井→上中段运输巷。

或另一种通风路线：中段运输巷→穿脉巷→顺路充填滤水井→采场→通风充填天井→上中段运输巷。

因可能不设充填滤水井，后一种采场通风方式可能不采纳。

4.主要技术经济指标
采场采充综合生产能力200吨/天；损失率5-8%；贫化率5-8%；
千吨采切比10.06米/千吨（标准米）；
采切、回采、充填直接成本 58元/吨。

三、成效
（一）2011年3月-2012年底，“中厚矿体无矿柱连续高效开采技术研究”项目在石湖公司101采区共回采矿石约84125吨，共完成充填约29500立方米。

按地质品位6.5克/吨、损失率1%、贫化率1%、选冶回收率93%、矿山采选冶总成本189元/吨、金价格300元/克按进行计算，总产值16404万元，利税6070万元，与原留矿法相比，采用上向水平分层
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充填法开采后，每年新增利润14360万元，总利润可增加81511万元。

（二）所试验的采矿方法因提高作业机械化程度、降低工人劳动强度、改善作业环境和安全生产条件、提高开采回收率、减少资源浪费等，获得了十分显著的社会效益。

（三）将部分尾砂充填井下，减少了地表尾砂库的压力，不但降低尾砂对地表的环境污染，获得了环境效益，而且因小建尾砂库或缓建尾砂库而获得间接经济效益。

（四）目前采矿方法在全矿进行推广应用,产生的经济效益和社会效益显著，在国内外类似矿山也得到了大力推广。

四、优势
（一）无矿柱盘区上向分层开采工艺
该工艺将矿体按2-3个矿块划分为一个盘区，盘区内不留间柱及顶底
柱，盘区内各矿块按照凿岩爆破、出
矿、充填等作业工序作业，在开采过
程中将矿块划分为不同作业区，循环
作业，连续推进，实现盘区无矿柱连
续开采。

回采率达100%，开采贫化
率低于1%、损失率低于1%。

主要技
术经济指标国际领先。

（二）人工假底全尾砂浇灌构筑
技术
针对混凝土人工假底构筑劳动
强度大、成本高的难题，开发的全尾
砂浇灌构筑技术，利用全尾砂充填系
统及全尾砂充填料浇灌假底层，并配
合金属网与布筋设计整体浇灌形成技
术，其整体性、稳定性好，在国际上
属首次。

（三）全尾砂结构流充填料三段
造浆制备充填技术
该技术采用全尾砂结构流做充填
料，通过预制浆、压气造浆、活化搅
拌三个阶段进行造浆制备的充填新技
术。

工序过程如下：
1.采用卧式搅拌机进行干尾砂预
制浆获得初步混合的全尾砂浆（第1
段造浆），排入卧式砂仓；
2.经仓底压缩空气喷嘴进行全仓
均匀造浆（第2段造浆），通过管道
放出砂浆与水泥混合进入活化搅拌；
3.活化搅拌是砂浆和水泥的混合
制备过程，采用双卧轴搅拌机和高速
搅拌机连续制备（第3段造浆）。

制
备的充填料通过管道自流输送至井下
采场充填。

4.结合充填工艺的特点，用编织
袋装干尾砂砌筑充填挡墙，成本低、
效率高，查新中尚未发现有实用先例。

该充填挡墙构筑方式工艺简单、施工
效率高，较木挡墙、砖挡墙、混凝土
挡墙、砂袋挡墙等有明显的经济效益。