奴拉赛铜矿充填采矿法工艺研究
奴拉赛铜矿充填采矿法工艺研究 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，100mm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