上向进路式尾砂胶结充填采矿法采场结构参数优化研究

[摘 要]近年来，随着经济发展和人们生活对矿产资源需求量的不断增加，矿产资源变得越来越少，如何高效合理、经济安全的开采与利用矿产资源，已成为矿产资源开发者当前所迫切需要解决的问题。上向进路式尾砂胶结充填采矿法以其低贫化率、高回收率等优点在矿产资源的开采中的得到了很好的应用并取得了突破性的进展，尤其是资源价值较高、开采难度较大的矿床。本文主要介绍了矿山有关内容，尾砂胶结充填采矿法的沉积特征，以及上向进路式尾砂胶结充填采矿法采场结构参数优化的策略。

[关键词]上向进路式；尾砂胶结充填采矿法；采场结构；参数优化

中图分类号：TD862 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0040-01

前言：在矿山资源开采过程中，采场结构参数设置是否合理直接关系到矿产资源生产效率的高低和质量的好坏。传统确定采场结构参数的方法不仅会消耗大量的矿产资源，而且难以实现对各种回采方案中的采场结构参数进行对比分析，从而制约了参数的进一步优化。同时，矿产资源正在不断的减少，如果不尽快采取有效的拯救措施势必会造成矿产资源的枯竭，进而对社会生产和人类正常生活产生极大的影响。实践表明，上向进路式尾砂胶结充填采矿法在菜场结构参数优化方面发挥着重要的作用。

1 矿山相关内容概述

1.1矿山地质

某铜矿分为南、北两大矿带，是一种大型的铜硫矿。南矿带是一座铜矿山，矿石蕴藏量丰富，距地表较浅，矿石以黄铜矿为主，品位较高，其硫含量高达30%左右，易自燃，矿石回采难度极大。该铜矿试验采场位于石炭系中统黄龙阶灰岩与泥盆系上统五通组砂岩的层间破碎带中，倾角为58°到67°之间，局部地段坡度达72°到84°之间，矿体呈似层状顺序产出[1]。

该铜矿矿石深部为含铜碳酸岩和含铜矽卡岩，浅部为含铜高芩土和含铜黄铁矿。矿石结构与构造种类繁多、形状各异，例如结构有共边结构、块状结构、晶状结构、溶蚀结构等，构造有脉状构造、块状构造、浸染状构造等。铜矿顶部主要以大理岩和白云岩为主，局部区域还有花岗闪长岩、高芩土等；底部多为含砾石英砂岩，同时还含有较多的花岗闪长岩。矿体附近存在的浅部火成岩由于遭受了强烈的风化，现已变成不良的矿石地质土体。

1.2充填工艺

为合理开发矿山资源、节约生产成本，该铜矿现已在试验采场采用上向进路式尾砂胶结充填采矿法进行矿产资源的生产。在实施充填工艺时，该矿选择尾砂作为骨料，水泥作为胶结剂，共同作为充填材料。其中对于所用尾砂要求大于74微米的砂砾比例应为66%左右，大于36微米的尾砂比例应为92%左右。同时，尾砂浓度要保证在51%到56%之间，通过矿山附近的泵站，经由长度为13km的管道泵送至充填材料制备砂仓中，从而完成充填材料的制备。水泥使用的是普通的硅酸盐散装水泥，利用专用水泥运输车将其运送至胶结剂制备场地，然后再通过压气运输到水泥储备舱内等待使用[2]。

该矿山充填材料制备仓具有两个独立的制浆系统， 每个制浆系统的制浆能力为65到100m3/h，且均具备一个水泥仓、一个砂仓、一个搅拌罐以及一些其他必须的机械设备和控制仪表等。砂仓底部安装有两套放砂虹吸放砂装置。在正常矿产资源生产过程中，其中一个系统正常工作，一个系统作为备用，如果有需要可以让两个系统同时运行。充填材料制备仓将制备好的浓度高于66%的充填砂浆通过相应的钻孔和水平铁管自然流入到下盘中，然后再将其输送到增强塑料管内，最终运送到采场的待充上向进路内。

2 尾砂胶结充填材料的沉积特征

在使用上向进路式尾砂胶结充填采矿法时，充填体的强度与水泥含量、尾砂颗粒等级等有着直接的关系。进路充填有溢流和不溢流两种状态，尾砂胶结在高度方向与走向上均有沉积流动现象。因此，要想得到强度较高的充填体就需要对充填材料及其料将在上向进路中的沉积情况进行分析和了解。

充填材料正常呈层状沉积，且成层处具有由充填料浆离析所引起的明显可见的、较粗的砂砾。随着上向流速的逐渐增加，层状沉积逐渐变得模糊，而沉积层状的消失正意味着充填体的更为均质。根据对充填过程中层状沉积条纹与粗砂堆积角的测定结果分析发现，在充填料点在初始位置时，高低浓度的堆积角基本相同，当达到中间充填料位置时，高低浓度粗砂的堆积角则存在较大的差异，随着堆积角的逐渐变大，高浓度的粗砂堆积角几乎没有发生变化，而低浓度的粗砂堆积角却有了明显的增大。浓度较高，充填料的沉降值越小，从而充填料的接顶效果就越好[3]。

3 上向进路式尾砂胶结充填采矿法采场结构参数优化策略

3.1基本条件假设

一般矿山的地质结构和节理分布都较为复杂，尤其是位于地下的矿山。采场结构的稳定性和参数确定除了受地质结构复杂影响之外，还受许多其他因素影响。因此，为了保证所建模型检验结果的准确性和可靠性，为了简化计算，为了实现上向进路式尾砂胶结充填采矿法采场结构参数的真正优化，在模型的建立过程中需要作一些基本的假设。

第一，由于充填材料具有沉降性特点，使得充填物体通常难以与矿山顶端衔接，因而在模型建立过程中需将其忽略。

第二，假设矿岩、围岩等的各项组成是同类型的均质材料，且为理性的弹塑性岩体。

第三，在计算过程中忽略由矿石构造应力等对围岩稳定性造成的影响，仅考虑重力和地应力的作用。

3.2建立三维模型

三维模型的建立需要遵守一定的原则，包括模拟采空区高度应为矿石回采过程中的最大采空区高度，通常为3m左右；矿山开采后，采场周围应力发生变化，一般影响程度在采空区的3到5倍之间，此时为保证模型的准确性，取采空区的4倍；矿山深部地质构造复杂，需要对其矿体回采深度、回采过程、开采形状和采空区状态等进行必要的简化；由于实际矿产回采过程中的上向进路式尾砂胶结充填采矿法采用的是不同的采场结构参数，所以在建立三维模型时，也应采用不同方式的采场长度和跨度组合[4]。

上向进路式尾砂胶结充填采矿法主要考察的是矿体顶部与人工胶结矿柱体的稳定性情况，在实际使用中必须要能够保证矿体顶部和人工胶结矿柱体是处于安全稳定的状态下。模型建立在全部矿房进行第一步回采和开采，在第一步矿房回采尾砂胶结充填采空区，让全部矿房同时进行回采，然后根据不同的采场长度、跨度建立4种三维模型。在将各种充填材料的属性输入到四个模型当中的同时，对实体的局部尺寸进行严格的控制，以提高计算结果的准确性。通过采用科学的分析方法和计算工具对这四种模型进行数值分析与评估，选出其中最优的模型，用于优化采场结构中的参数。

总结：通过文章对某铜矿矿山地质、充填工艺与上向进路式尾砂胶结充填采矿法应用情况的分析可知，上向进路式尾砂胶结充填采矿法不仅显著提高了矿产资源生产的效率和质量，而且有效降低了生产成本，改善了该矿山原有采场结构中存在的不足。根据我国当前多数矿产资源开况和其中存在的问题，文章提出了上向进路式尾砂胶结充填采矿法采场结构参数优化的具体策略，旨在促进上向进路式尾砂胶结充填采矿法可以得到进一步的完善，可以发挥更大化的效用。

参考文献

[1]王东华. 上向分层全尾砂胶结充填法采场结构参数优化研究[D].武汉理工大学，2012.

[2]李海港. 下向分级尾砂胶结充填法采场结构参数优化试验与数值模拟[D].江西理工大学，2007.

[3]秦艳华. 大断面进路下尾砂胶结充填体稳定性机理与试验研究[D].江西理工大学，2008.

[4]廖亮. 下向胶结充填采矿法采场结构参数优化及稳定性研究[D].江西理工大学，2011.