近年来，随着矿床开采深度的不断增加，在开采深部破碎矿床时，由于地应力的增加，采场或巷道开挖后容易出现应力急剧增加，引发采场顶板突然大面积冒落或岩爆危害，使得上向水平分层充填法开采该类高价值矿床时面临巨大的安全隐患[1]。面对该类矿床开采难题，通常采用大断面上向进路充填法(断面规格为5 m×5 m)进行开采，以保证工人直接作业时顶板的稳定性，以及较高的回采率和较低的贫化率[2]。

锡铁山铅锌矿属于高原地区高品位矿床，目前开采深度已达1 000 m, 进入深部开采阶段。矿山采用竖井+斜坡道联合开拓，前期采用分段空场法开采上部矿床，近年随着开采深度的加大，建立了尾砂充填站，采用上向水平分层充填法开采。该方法在开采过程中，采场顶板容易沿断层构造大范围垮落，即使采取支护措施也难以有效防止顶板冒落风险，是采场顶板下作业工人生命安全的潜在威胁。另外，该采矿工艺采用YT-28凿岩爆破，采场工人数量多、劳动强度大、机械化程度低；面对百万吨供矿要求，采用分层充填法的采场生产能力小，导致井下采场点多面广，安全管理和生产管理难度大。随着近年安全监管日趋严格，该方法已无法满足矿山安全、高效生产的目的。

锡铁山铅锌矿作为西部矿业最重要的盈利矿山，其安全、高效开采对实现公司高质量、可持续发展的意义重大。现有的上向水平分层充填法采矿方案不仅限制了铅锌产量和经济效益的增长，还潜在阻碍了矿山ESG体系的建设，因此，亟需对采矿方法进行全面的优化研究。

本文根据国内外采矿技术、装备水平发展趋势，结合矿山开采技术条件，通过引进遥控出矿设备，提高采场回采高度，避免作业人员直接暴露在顶板下方，通过采用小分段充填两步骤回采工艺、中深孔凿岩爆破技术，开展盘区机械化小分段充填法回采工艺技术研究，以应对生产能力不足和日益严格的安全监管，提升锡铁山ESG安全绩效[3]。

1、盘区机械化小分段充填法研究

1.1 盘区机械化小分段充填采矿方案

(1) 结构参数与采场布置。

盘区沿矿床走向布置，长度约为60 m, 盘区内划分为6～8个采场，采场宽度为8～10 m。盘区不留间柱，预留临时顶底柱(后期回采),底柱高6～12 m, 顶柱高6 m。盘区内采场垂直矿床走向布置，划分为两步骤回采，隔一采一。采场高60 m, 宽8～10 m, 长度为矿床厚度，分段高度约为10 m, 如图1所示。

图1 盘区机械化小分段充填法

(2) 采切工程布置。

首先从主斜坡道施工分段平巷，然后由分段平巷垂直矿床走向施工采场联络巷以及凿岩巷，最后在采场端部施工切割横巷，在切割横巷一端施工切割天井(兼做通风、充填使用)。每隔180 m布置1条溜矿井，每隔300 m布置1条通风井。天井施工采用R120V/R1200VD自行式反井钻机。

(3) 凿岩爆破。

先回采一步骤采场，高强度充填体接顶采空区后，再回采二步骤采场并充填处理，隔一采一。小分段回采完毕后，再回采上一小分段，上、下分段采场可呈近三角形超前回采。采用YGZ-90或凿岩台车凿岩，钻孔直径为65 mm, 钻凿扇形中深孔。装药采用BQF-100Ⅱ装药器向孔内装填岩石膨化硝铵炸药，孔底装入导爆管雷管。以切割天井为自由面和补偿空间，在采场端部形成切割槽，再以切割槽为自由面和补充空间进行正排回采，每次崩矿步距为3～5排，整个采场自端部后退式回采。

(4) 出矿。

采场通风后，采用3 m3遥控铲运机出矿。铲运机经由分段平巷、凿岩巷进入采场(采空区)出矿，铲装矿石倒入就近的溜井进入运输中段，运出地表[4]。

(5) 采场充填。

采场出矿完毕后，封闭采场底部采场联络巷，由充填井充填采场。第一分段所有采场底部3～5 m采用高强度充填以制作人工假底。一步骤采场采用较高强度胶结充填；二步骤采场仅顶部采用高强度充填胶面，剩余采用低强度或非胶结充填[5]。

1.2 采场结构参数数值模拟分析

1.2.1 模拟方案与模型

根据盘区机械化小分段充填法采矿工艺，结合矿山实际开采现状，每个矿块分为6个矿房，矿块长度为30 m, 初步选择采场宽度分别为6 m、8 m、10 m、12 m, 分段高度分别为10 m、12 m、14 m。将矿块分为多个采场，分两步骤回采，一步骤采场回采后立即进行充填，充填结束后继续开采二步骤采场。

据此建立数值模型，模型长×宽×高为200 m×100 m×200 m。本计算模型包含11 825个节点，70 953个单元。由于计算研究范围涉及到的材料属于非线性岩土材料，这些介质都属于非弹塑性材料，因此选用德鲁克 - 普拉格(Druker-Prager)准则。

1.2.2 岩体质量评价与岩体力学参数

采用三维岩体结构遥测系统Sirovision进行典型矿岩节理裂隙调查和统计分析(如图2所示),在12个工作面开展节理裂隙统计，进行矿体、围岩稳定状况分级，岩体质量评价结果见表1。

图2 Sirovision岩体节理裂隙分析

表1 岩体质量评价

根据岩体分级指标及岩石力学试验结果，运用RocData软件得到岩体力学参数，见表2[6]。

表2 矿岩物理力学参数

1.2.3 模拟结果分析

不同采场宽度条件下的应力及位移计算结果见表3。由表3可知，采场宽度超过10 m后，应力、位移出现较大变化，接近岩体破坏的极值，因此采场宽度不宜超过10 m。考虑到一步骤采场需要高强度充填，生产中可通过减小一步骤采场宽度以降低高强度充填料的用量，降低开采成本。因此，将一步骤采场宽度设为8 m, 二步骤采场宽度设为10 m[7]。

表3 各采场宽度条件下位移和应力

不同采场高度条件下的应力和位移计算结果见表4。由表4可知，不同的分段高度会导致采场应力、位移出现较大变化。当分段高度为12 m时，应力、位移较大，采场出现一定的拉破坏；当分段高度为14 m时，拉应力已显著大于岩体抗拉强度。因此，分段高度取10 m为宜，部分稳固性较好、零星分布的矿体采场高度可以提高到12 m。

表4 各采场高度条件下位移和应力

2、分段脉外巷稳定性及支护方案研究

2.1 分段脉外巷稳定性模拟分析

与上向水平分层充填法相比，采用小分段充填法小采场宽度开采破碎矿床时，需要增加大量的分段脉外巷和采场联络巷工程，特别是采场联络巷工程。为了减少工程量，降低采切比，结合国内外类似矿床案例，将分段脉外巷布置在距离矿床或采场12 m处。加之分段脉外巷布置在片岩中，采场回采过程中给分段脉外巷的稳定性带来了一定的不利影响，分段平巷的稳定及合理的支护方案对于保障小分段充填法安全、可靠应用至关重要[8]。

2.1.1 数值模型

Rhino 6.0软件可以快捷、直观、准确地建立三维模型，并将其转换为包含节点和单元数据的FLAC3D文件，最后生成FLAC3D网格模型，如图3所示。模拟选用的岩体力学参数、本构模型和屈服准则同上。

图3 小分段采场和分段脉外巷数值模型

2.1.2 模拟结果分析

图4为采场回采后脉外巷最小主应力分布云图。从图4可以看出，采空区上部压力向巷道临空面泄压，导致巷道两帮支承压力瞬间增大，形成应力增压区。在围岩体周边产生的集中应力较大，应力集中可能造成原本稳定的巷道在其薄弱面产生破坏。

图4 分段脉外巷最小主应力分布云图

从分段脉外巷位移分布云图(见图5)可以看出，随着矿床的开挖，无支护分段脉外巷围岩左侧(靠采空区侧，下同)拱腰的最大位移为6.27 cm, 拱顶的最大位移为5.97 cm, 右侧拱腰的最大位移为3.12 cm, 拱底的最大位移为2.82 cm。

图5 分段脉外巷位移分布云图

图6为塑性区分布云图，从图6可以看出，小分段采场开挖后，分段脉外巷左侧拱腰的最大塑性区半径为1.78 m, 拱顶的最大塑性区半径为1.47 m, 右侧拱腰的塑性区半径为1.54 m。靠近采空区侧巷道塑性区略大，但与采空区周围塑性区相距甚远。

图6 塑性区分布云图

综合来说，随着上盘矿床的开挖，下盘分段脉外巷围岩受到扰动，稳定性受上盘采空区影响较小，说明分段脉外巷与采场或矿床的水平距离设置为12 m是合理的。但由于巷道布置在稳定性差的片岩中，应力集中、位移大、塑性区破坏等情况多有发生，巷道有必要进行支护以防止离层冒落带来的安全隐患。

2.2 分段脉外巷支护方案数值模拟

虽然受上盘采空区的影响，靠近上盘一侧出现了一定的应力集中，但巷道拱形断面将上部的压力均匀传导至巷道的拱肩与拱脚进行卸荷。矿床开挖后分段脉外巷支护方案的锚杆长度均需超出产生压破坏的区域，且锚固段锚固在稳定围岩里。结合无支护巷道塑性区计算结果，分段脉外巷(规格为3.6 m×3.5 m)采用树脂锚杆+钢筋网+喷砼的支护形式对巷道进行支护。其中，侧帮靠近上下盘分别采用长度为2.7 m、2.4 m的锚杆，顶帮采用长度为2.5 m的锚杆进行支护。采用Φ22 mm树脂锚杆，锚杆间排距为1.2 m×1.2 m, 锚杆锚固长为0.8～1.0 m。金属网采用(Φ6.5～60 mm)×60 mm的单层金属搭接网，规格为2 400 mm×2 400 mm, 搭接长度为100 mm[9]。

采用FLAC3D软件对该支护方案模拟计算。由于树脂锚杆(力学参数见表5)在对围岩进行支护时，托盘的拧紧会对围岩施加一定的预紧力，因此，在锚杆自由段施加30～60 kN的预应力[10]。

表5 树脂锚杆结构单元物理力学参数

3.8 375 34.0 0.28 10.0 1.75

图7为支护后的分段脉外巷位移和塑性区分区云图。由图7可知，分段脉外巷采取锚杆+钢筋网+喷砼支护后，上盘矿床开挖时左侧拱腰的最大位移为4.20 cm, 拱顶最大位移为3.53 cm, 右侧拱腰最大位移为3.04 cm, 拱底最大位移为2.74 cm; 巷道左侧拱腰的最大塑性区半径为1.68 m, 拱顶的最大塑性区半径为1.17 m, 右侧拱腰的塑性区半径为1.38 m, 拱底的塑性区半径为1.59 m。可见，分段脉外巷的稳定性得到了较大的改善。

图7 支护后分段脉外巷计算结果

3、盘区机械化小分段充填法现场试验

3.1 炉渣微粉+水泥熟料+尾砂充填试验

小分段充填法一步骤采场需要高强度充填以保证其充填体自立和抵抗二步骤采场爆破时的振动危害，同时需要较高的早期强度以保证二步骤采场在凿岩巷施工完毕后可及时开展采矿作业，如此必然增加充填成本，降低小分段充填法经济效益。

在满足小分段充填法安全、高效开采的要求下，开展了炉渣微粉+水泥熟料替代水泥胶凝材料试验研究。参照同类型矿山经验，将炉渣微粉与满足粒径要求的水泥熟料按炉渣微粉∶水泥熟料分别按1∶4, 1∶2, 1∶1, 2∶1, 4∶1的比例进行混合，制作不同组分的胶凝材料，以锡铁山尾砂为充填骨料，按灰砂比(胶凝材料∶尾砂)1∶8,质量浓度70%,开展龄期为3 d、7 d和14 d的单轴抗压强度试验。不同炉渣微粉与水泥熟料的配方对充填体强度的影响如图8所示[11]。

图8 炉渣微粉与水泥熟料的配方对充填体强度的影响

从图8中可以发现，当炉渣微粉∶水泥熟料大于2∶1时，炉渣微粉的活性能够完全被激发出来，炉渣微粉胶凝材料效果最好，14 d强度达到最大峰值，为2.8 MPa。为了较大程度地增加低成本炉渣微粉的用量并保证较好的后期强度，推荐新型胶凝材料配比为炉渣微粉∶水泥熟料=3∶1[12]。

通过对现有充填系统进行技术改进，将水泥熟料成品由汽车运输至矿山充填站胶凝材料制备车间，由气力输送机输送进入熟料微粉仓内存储。外购炉渣微粉由汽车运输进入矿山，输送进入微粉仓储存，两者经各自的输送计量设备进入强力混合机内充分混合，再由气力输送设备进入现有水泥仓内存储，以备充填使用。

在现场采场充填试验中，利用炉渣微粉+水泥熟料替代水泥作胶凝材料可降低15%的充填成本。

3.2 盘区机械化小分段充填法试验

3.2.1 盘区机械化小分段充填法采场布置

盘区机械化小分段充填法采场布置在南矿床2 462 m中段，利用现有中段的50 m高度，其中底柱高度为10 m(后期回收),分段高度为10 m, 一个中段分为5个小分段。第一分段回采后底部3～5 m高度采用5～7 MPa的高强度充填体充填，以保障底柱回采安全。

在9～11线之间自东向西划分5～7个采场，采场长度为矿体厚度，为28.3～43.2 m。采场布置剖面如图9所示。

图9 西区南矿床采场布置剖面

3.2.2 小分段采场爆破参数研究

在小分段充填法小尺寸采场中深孔爆破参数现场试验研究初期，采用中深孔+底部浅孔炮孔布置方案(见图10,以采场宽度10 m为例)。其中，中深孔每排布置11个炮孔，排距有3种规格：1.3 m、1.4 m、1.5 m, 孔底距为1.6～2.2 m; 采场底部浅孔，炮孔直径为42 mm, 炮孔与凿岩巷成60°倾角，每排6个浅孔，排距0.65～0.75 m, 炮孔间距为0.7 m。试验结果表明，排距为1.4 m、孔底距为1.6～2.2 m时爆破效果最佳，采用WipFrag 4图像分析软件对爆堆块度进行分析，如图11所示[13]。

在现场试验过程中发现，采场底部由于采用浅孔爆破，爆轰不足，造成了采场“根底”2%～4%的矿石损失。为此，在试验后期采用小型潜孔钻机施工缓倾斜下向孔(孔径76 mm)来替代浅孔，加大了底部爆破药量，最终有效解决了采场“根底”残留的问题，提高了采场的回采率[14]。

图10 二步骤采场底部炮孔优化前与优化后炮孔布置

图11 底部炮孔优化后采场爆破块度分布

该试验盘区历时2年完成回采，经现场统计，盘区生产能力达1 000 t/d。相比于上向水平分层充填法采场2～3 m采高，优化后采用10 m采高可大幅提高每次爆破矿石量，使得生产效率提高1倍以上。另外，中深孔替代浅孔凿岩，机械化程度提高，“机械化减人”数量达50%以上。由于分段高度较小，加之矿床倾角大于75°,采场损失率为5%～8%,贫化率为8%～10%,小分段贫损指标控制良好。

4、结论

(1) 深部破碎厚矿床盘区机械化小分段充填法开采技术通过采用中深孔爆破落矿工艺，提高了采场回采高度和生产效率，小分段充填法能有效解决急倾斜矿床低贫损开采，而引进遥控铲运机出矿在减少出矿工程的同时，实现了空区顶板下无人作业，保障了深部破碎厚矿床安全、高效开采。

(2) 相比于上向水平分层充填法，小分段充填法增加了分段脉外巷和采场联络巷工程。因此，将分段平巷尽量靠近矿体布置以缩短采场联络巷长度，减少工程量。同时，在距离矿床或采场12 m处，采用树脂锚杆+钢筋网+喷砼支护方式支护分段平巷，有效改善了脉外巷的稳定性。

(3) 小分段充填法由于采用两步骤回采工艺，提高了对充填体强度的要求。采用成本较低的炉渣微粉+水泥熟料替代水泥作尾砂胶凝材料，得出在充填料浆流动和充填体强度指标满足小分段采场回采及顶底柱回采充填体强度要求的前提下，炉渣微粉与水泥熟料的配比为3∶1时，可降低采场15%的充填成本。

(4) 小分段充填法在采场生产效率、采矿综合成本和安全作业等方面实现了深部破碎厚矿床安全、高效、低成本开采。特别是随着国家相关矿山监管部门、媒体和NGO组织对生命安全、ESG评价体系的日益重视，安全高效的盘区机械化小分段充填法对改善深部破碎厚矿床矿山的安全监管和ESG评价有一定的借鉴和推广意义。

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文章来源:张宝,蔡泽山,罗佳,等.深部破碎厚矿床盘区机械化小分段充填法开采应用研究[J].矿业研究与开发,2024,44(11):9-16.