一种两步骤分条回采嗣后废石胶结充填的开采方法

摘要

本发明公开了一种两步骤分条回采嗣后废石胶结充填的开采方法，所述方法为：当直接顶板黏土岩厚度≥3m时，沿倾向条带式回采，留护顶矿柱，一步骤回采预留1m，二步骤回采预留0.5~0.8m护顶矿，采用凿岩台车掘进式开采；条带间隔开采，回采结束后一步骤随即进行废石胶结充填，二步骤采场回采完毕后，立即进行封闭空区。解决了猫场铝矿安全、高效采矿，地压控制，废石充填等技术难题。达到提高矿山整体（尤其是高品位铝土矿）回采率，延长矿山服务年限，废石不出坑，控制地表沉降等目标。提高矿山整体（尤其是高品位铝土矿）回采率，延长矿山服务年限。废石不出坑，控制地表沉降等目标，推进绿色矿山、示范矿山建设。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝土矿开采方法，尤其涉及一种两步骤分条回采嗣后废石胶结充填的开采方法，属于铝土矿开采技术领域。

背景技术

房柱法开采采场工艺简单、便于通风行人和出矿运搬，但房柱法开采后形成了大量采空区。从现场调研情况发现部分采空区直接顶板已经垮落，矿柱应力集中，目前间接顶板白云岩整体完整，但随着开采强度和范围的扩大，点柱及间接顶板承压及风化加剧，存在失稳的安全隐患。顶板不均匀的垮落及规模化空区的失稳将导致上覆岩层移动，引起地表沉陷。

贵州猫场矿在开采过程中主要面临：直接顶板软弱不稳固、遇水泥化，地压活动显著，层状矿岩产状变化较大，直接顶板铝土质页岩/粘土岩与矿体界线不明确，水文地质条件复杂及覆岩岩溶发育等问题。

猫场铝矿生产过程中由于预留护顶矿层，且部分采场发生护顶垮塌，导致矿石损失贫化严重。现矿山采场回采率仅为50%。

猫场铝矿生产过程中多个采场已发生顶板冒落、护顶垮塌，点柱应力集中显现，但大部分间接顶板未发生破坏，引起的大范围地压显现不显著。但随着开采范围扩大，采空区局部直接顶板垮落的范围将增加，可能提高覆岩破碎带、导水裂隙带的局部发育程度和扩大其影响范围，甚至影响资源压覆区地表的稳定性。

回采率低，导致矿山服务年限缩短，严重制约企业发展。

矿山开采产生的废石未能很好处置；存在地压与地表沉陷等安全隐患；资源利用率达不到国家标准。生产现状无法满足建设示范矿山、绿色矿山及生态文明矿山的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种两步骤分条回采嗣后废石胶结充填的开采方法，该方法大大提高了采场的回收率，有效的延长矿山服务年限，提高了安全性，有效控制直接顶板对生产安全造成的威胁，确保回采作业的正常进行，有效的解决了上述存在的问题。

本发明的技术方案为：一种两步骤分条回采嗣后废石胶结充填的开采方法，所述方法为：当直接顶板黏土岩厚度≥3m时，沿倾向条带式回采，留护顶矿柱，一步骤回采预留1m左右，二步骤回采预留0.5~0.8m护顶矿，采用凿岩台车掘进式开采；条带间隔开采，回采结束后一步骤随即进行废石胶结充填，二步骤采场回采完毕后，立即进行封闭空区，采场内切割横巷是进入各条带的通道，需要保留至矿块回采结束，所以在充填作业的过程中需要通过挡墙架设台阶平台，每个条带回采完毕，在出矿联道位置的充填挡墙。

所述废石胶结充填配比参数为：水灰比为0.6～0.8，水泥废古籍比为0.1～0.2。

所述废石相对密度为2.99t/m3，废石体积密度为1.68t/m3；废石实密度为2.03t/m3；水泥密度为3.1t/m3。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，采用本发明的技术方案，解决了猫场铝矿安全、高效采矿，地压控制，废石充填等技术难题。达到提高矿山整体（尤其是高品位铝土矿）回采率，延长矿山服务年限，废石不出坑，控制地表沉降等目标。提高矿山整体（尤其是高品位铝土矿）回采率，延长矿山服务年限。废石不出坑，控制地表沉降等目标，推进绿色矿山、示范矿山建设。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步的详细描述。

实施例1：一种两步骤分条回采嗣后废石胶结充填的开采方法，所述方法为：当直接顶板黏土岩厚度≥3m时，沿倾向条带式回采，留护顶矿柱，一步骤回采预留1m左右，二步骤回采预留0.5~0.8m护顶矿，采用凿岩台车掘进式开采；条带间隔开采，回采结束后一步骤随即进行废石胶结充填，二步骤采场回采完毕后，立即进行封闭空区，采场内切割横巷是进入各条带的通道，需要保留至矿块回采结束，所以在充填作业的过程中需要通过挡墙架设台阶平台，每个条带回采完毕，在出矿联道位置的充填挡墙。

所述废石胶结充填配比参数为：水灰比为0.6～0.8，水泥废古籍比为0.1～0.2。

所述废石相对密度为2.99t/m3，废石体积密度为1.68t/m3；废石实密度为2.03t/m3；水泥密度为3.1t/m3。

充填骨料的类型决定了充填系统方案设计中骨料制备输送系统的工艺流程，同时也是充填运营成本的关键因素。根据矿山的生产情况，矿山的废料主要有赤泥和废石等，其中赤泥是指提取氧化铝时产生的固体废物，我国地下铝土矿资源一般为一水硬铝石，主要应用拜耳法提取氧化铝，外排的赤泥不仅颗粒细、级配不均，而且具有强碱性，其是否可以作为充填骨料应用与井下充填，还需对赤泥的pH值、氟化物含量、化学元素等进行检测，同时参照GB5058-85有色金属工业固体废物污染控制标准，综合分析判定作为充填骨料的可行性，而且对于赤泥尾废进行充填作业时强碱的析出和可能导致的地下水污染问题，目前尚无公认的有效防治措施，所以暂不具备作为充填骨料的条件。

而废石是矿山掘进或采切作业过程中产生的固体废物，一般情况下废石充填工艺简单，废石可不出坑，可实现矿山绿色开采，而且废石胶结充填体的抗压性能好，收缩变形小，对井下的污染也小。同时，由于矿山地表废石堆场即将堆满，马上面临井下产出的废石无处排放的困境，因此，针对以上问题，充填骨料优先选用矿山废石。

充填胶凝材料采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥。

充填用水选用矿山生产用水。

根据试验采场结构参数以及矿体赋存条件，废石胶结充填难以实现充填接顶，因此计算废石胶结充填量约占采场充填体积的82%，接顶部分采用喷浆机喷射水泥砂浆接顶。接顶充填量约172m

结合试验采场采矿工艺，废石胶结充填配比参数选取水灰比0.6，水泥废石比0.1，计算水泥用量约为182.7t，废石1826.5t，水109.6t。接顶部分按C15素喷混凝土，计算水泥用量约56.3t，砂281.7t，水56.3t。具体配比参数根据现场情况调整。同时接顶部分，可以通过坑木等材料充填部分空顶，以降低水泥砂浆充填量。

试验采场充填总共需要废石约1826.5t，废石从井下其他采场或者掘进产出的废石运至试验采场充填堆存，基本满足充填需求。若井下废石量不足，可从地表将废石堆场的废石运输至井下用于采场充填。

根据试验采场开采技术条件、采矿方法对充填体的具体要求、充填骨料的选择等，采用废石胶结充填方案，废石胶结充填是一种以自然级配的废石包裹上水泥浆的充填工艺，水泥作为胶凝材料，胶结充填采空区。

根据试验采场回采工艺，共产生约6708m³空区，需要对三条进路进行充填，三条进路的充填量分别为：280.5 m3、428.4 m3和263.7m3，总计充填空区约972.6m3，试验采场按每天2班，每班12h的充填工作制度，与矿山采矿作业制度一致，每天实际充填时间为10小时。参考工程经验，充填系统能力按10m3/h~15m3/h设计，即可满足生产需求。

充填系统建设以服务于试验采场、工艺简单、充分利用矿山现有设施设备、减少工程量、节约投资为原则进行设计。

充填骨料为矿山掘进产出的废石，同时工业场地的废石堆场已堆存了近20万t的废石料。充填骨料的供料可采用铲车、卡车等运输设备将地表堆存的废石料或者井下生产产出的废石料运至充填料制备场地，制备成胶结充填料后再送至试验采场进行充填。

本实施例方法的效果如下：

1）根据充填试验研究结果，猫场铝土矿废石相对密度为2.88t/m3，体积密度为1.68g/cm3，实密度为2.03g/cm3，孔隙率为41.49%，吸水率为3.02%。废石粒级组成：1mm筛下累计6.84%，10mm筛下累计34.71%，15mm筛下累计46.52%，粒径小于0.5mm的细颗粒质量占比为4.73%；废石粒径绝大部分在4mm以上，总占比达到83.92%。

2）根据强度配比试验结果，水灰比为0.4，骨料质量比（水泥：块石）为0.15~0.3，养护3天时的充填试块抗压强度为0.73MPa~1.6MPa，养护7天时的抗压强度为1.55MPa~2.9MPa，养护28天时的抗压强度为2.25MPa~3.9MPa。水灰比为0.5，骨料质量比（水泥：块石）为0.15~0.3，养护3天时的充填试块抗压强度为0.68MPa~1.55MPa，养护7天时的抗压强度为1.42MPa~2.56MPa，养护28天时的抗压强度为2.33MPa~3.8MPa。水灰比为0.6，骨料质量比（水泥：块石）为0.15~0.3，养护3天时的充填试块抗压强度为0.62MPa~1.34MPa，养护7天时的抗压强度为1.31MPa~2.6MPa，养护28天时的抗压强度为2.14MPa~3.82MPa；

3）采用在类似采矿方法矿山得到成功应用的米切尔（Mitchell）法，对采场进行充填体自立强度计算与分析，获得不同规格采场充填体自立稳定的解析计算强度。一步骤充填进路高度为3m，安全系数FS=3时，石胶结充填体强度需求设计值为0.079MPa ~1.197MPa；

4）通过试验采场充填方案研究、充填材料供料方案研究、充填料制备方案研究以及充填料搅拌输送方案研究，确定试验采场充填工艺流程为将矿山产出的废石通过车辆运输至试验采场附近巷道堆存，同时将袋装水泥运输至试验采场充填料制备站堆存，充填时，按充填配比参数将定量的水泥、废石和水加入滚筒搅拌机中，废石可通过铲车上料，水泥人工上料，通过搅拌后卸料，通过铲车运输至采空区。废石胶结体堆至铲车无法再下料的高度后，采用喷浆机素喷的方式实现充填接顶。在井下制备充填料，充填料制备场地布置在试验采场附近。设计充填能力为10~15m³/h；

5）通过地表相似模拟试验研究，结合试验采场结构参数和采场所需强度设计计算结果，确定试验采场废石胶结充填配比参数选取水灰比0.6，水泥废石比0.15，并添加细砂，细砂块石比为0.2，接顶部分按C15素喷混凝土。具体参数根据充填料的混合情况、以及废石类型现场调节，如果粘土岩偏多，水泥废石比按0.2充填；

6）试验采场充填工业试验结果得出实际充填能力为12.16m³/h，根据采出的矿石量，折合吨矿充填成本为55.76元/t；

7）试验采场充填工业试验，主要存在充填能力低、充填成本偏高、接顶效率低、充填质量不稳定等问题，针对试验采场充填回采的经验，为保证猫场铝矿安全、高效采矿，建议建设一套充填成本较低的、稳定性可靠性高的废石胶结充填系统，实现规模化应用；

（1）可解决废石胶结充填规模化高效采矿，从而达到提高回收率（高品位矿石回收率），保障回采安全，延长服务年限的目的；

（2）可解决矿山地压问题，充填关键区域，可有效控制地表岩移；

（3）可解决矿山废石排放问题，有效利用废石充填，实现无废开采。

8）猫场铝矿采矿生产规模为120万t/a（2000t/d），矿石体重为3.0t/m³，针对高品位矿采用两步骤充填采矿法，开采规模约为40万t/a，按采充比1:2.8，年充填量约为5万m³。废石充填单耗按0.7m³/m³，年消耗废石量约3.5万m³，地表已堆存废石约10万m³，1200-1220中段开拓预计产生17万m³废石，废石量可服务约7.7年，基本满足生产需求；

9）规模化充填系统方案建议选用管道输送，具有输送安全可靠、连续性强、输送能力大、能耗少、效率高等特点。充填料在地表集中制备，充填管路从胶带斜井铺设至井下；对于井下新掘产生的废石，建议依旧排放至地表废石堆场，废石集中从胶带斜井运输至地表或汽运至地表，以待充填。充填工艺流程为：将矿山产出的废石在废石堆场破碎后，通过车辆运输至胶带斜井口的充填料制备站堆存，按照充填配比参数，与水泥混合搅拌后，通过管道从胶带斜井输送至井下采场充填。

解决了猫场铝矿安全、高效采矿，地压控制，废石充填等技术难题。达到提高矿山整体（尤其是高品位铝土矿）回采率，延长矿山服务年限，废石不出坑，控制地表沉降等目标。推进绿色矿山、示范矿山建设。

由于试验采场地质条件较原提供地质资料变化较大，本着安全、高效开采的目的，原预切顶全岩开采嗣后充填采矿法不再适用此地质条件。亟需对原有采矿方法变更，根据最新地质条件，已完全探明矿体赋存条件的情况下，采用两步骤分条回采嗣后充填采矿方法，在保证回采安全的前提下，该采矿方法由预控顶调整为留护顶矿壁，结合废石充填工艺，同样可以达到以下两个主要目的。

（1）提高矿山整体（尤其是高品位铝土矿）回采率，延长矿山服务年限。

（2）废石不出坑，控制地表沉降等目标，推进绿色矿山、示范矿山建设。

据统计，N13#试验采场二次圈定矿石量1.89万t，由于切顶横巷等工程的存在，导致部分压覆矿石暂时无法回采，共4742t，本试验采场回采范围内矿石量14157.7t，共回采矿石量11364.87t,回收率为80.27%，按猫场 矿2018年采场综合平均回收率60%，可回收8494.6t，采用两步骤条带充填采矿工艺后，可多回收2870.25t。

参照矿业公司高品位铝土矿石购销合同，根据本项目采出矿石品位，销售价格按703.8元/ t计（含增值税和资源税，Al2O3:70%价格为660元/t，Al2O3每上升1%，价格增加30元），采出矿石增量共2870.25t，销售收入增量为202.01万元。

矿山目前高品位矿石产量40万t/a，项目规模化应用以后，高品位矿石增加1.4a服务年限，降低开拓、采切工程量，可保证矿山稳定持续发展。

同时，地表废石可以得到充分利用，条带充填后可有效控制地表沉降，对于河床下压覆矿量的开采具有指导意义。

（1）选定1160m-N13#采场作为预切顶全岩条带开采嗣后充填采矿法的试验采场（采场范围约长50×宽25m），采场沿矿体走向布置。试验采场综合回收率＞75%；贫化率≤10%；采切比46.63m³/kt，依据试验方案要求有序开展，现场已经开展大量试验采场掘进工程，符合设计方案要求。

（2）由于试验采场地质条件较原提供地质资料变化较大，本着安全、高效开采的目的，原预切顶全岩开采嗣后充填采矿法不再适用此地质条件。

（3）根据矿体赋存变化条件，建议采用两步骤分条回采嗣后充填采矿方法，在保证回采安全的前提下，该采矿方法由预控顶调整为留护顶矿壁，结合废石充填工艺，同样可以达到以下两个主要目的。

1）提高矿山整体（尤其是高品位铝土矿）回采率，延长矿山服务年限。

2）废石不出坑，控制地表沉降等目标，推进绿色矿山、示范矿山建设。

（4）本试验采场回采范围内矿石量14157.7t，共回采矿石量11364.87t，回收率为80.27%，与现有采矿方法比较，可多回收2870.2t。根据目前市场行情，可多回收矿石量价值约202.01万元。

（5）经济效益：

1）该采矿方法使采场回收率由目前的60%提高至78%以上，根据现有地质资料猫场矿圈定的高品位矿量（70%以上）矿石309万t，可多回收矿石量55.52万t，预计增加价值约为3.66亿元。

2）通过测算，规模化废石胶结充填系统形成后，采用废石胶结充填采矿工艺，充填成本增加约22.66元/t，按78%的回收率（309万t*0.78=241万t），充填成本增加5461万元。

（6）社会效益：

矿山目前高品位矿石产量40万t/a，项目规模化应用以后，高品位矿石增加1.4a服务年限，降低开拓、采切工程量，可保证矿山稳定持续发展。

（7）地表废石可以得到充分利用，条带充填后可有效控制地表沉降，对于河床下压覆矿量的开采具有指导意义。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。