丰山铜矿三下高品位资源安全高效低贫损充填开采技术研究

丰山铜矿三下高品位资源安全高效低贫损充填开采技术研究

何龙飞1张金钟1李帅2王新民2余李峰2

（1. 大冶有色金属有限责任公司， 湖北 黄石 435004；2. 中南大学资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083）

摘要：丰山铜矿资源品质好、价值高，但是地表环境条件复杂、井下涌水量大，通过充填采矿方案优选、采矿装备配套、安全高效充填技术攻关，助力建成技术先进可靠、资源高效利用、机械化程度高的现代化矿山，促进我国矿山整体开采技术水平的进步。

关键词：三下开采；充填采矿法优选；采矿装备配套；尾矿充填技术

中图分类号：TD724文献标识码：A文章编号：

大冶有色金属有限责任公司丰山铜矿位于湖北省阳新县富池镇丰山，是大冶有色金属集团控股有限公司的子公司，拥有不可多得的优质高品位铜钼矿资源。但是矿区地表有村庄、露天采坑和塌陷区域分布，而且毗邻长江和舒婆湖、网湖，预测最大涌水量达到24000m3/d，属于典型的富水矿床“三下”开采，开采技术条件复杂、开采难度极大[1]。

1三下高品位资源开采存在的主要问题

1.1 矿区概况

矿床位于长江中下游铁铜成矿带大冶～九江铜金成矿带的东南段，属中高温热液接触交代作用形成的大型矽卡岩—斑岩型铜(钼)矿床，采矿权面积2.3543km2，设计生产规模66万t/a，开采标高+65m~-550m。矿床的充水水源主要为围岩地下水和大气降雨，受露天坑底渗漏影响较大，水文地质条件属于中等类型；矿区大部分矿层及顶底板稳固性较好，但矿体赋存的接触带部位蚀变强烈、完整性差、强度变低，工程地质条件中等；地表有村庄、露天采坑和塌陷区域，环境地质条件中等，矿床开采技术条件勘查类型属复合问题的中等矿床类型（II-4）。丰山铜矿包括南缘和北缘两个矿带，共有主矿体7个，呈复杂的豆荚状、囊状、牛轭状、似透镜状产出，保有铜钼矿石资源量1258.66万t。矿山目前采用双竖井+斜坡道联合开拓，并建有一套深锥浓密充填系统。

1.2 三下高品位矿体开采的主要技术难点

目前，矿山仍存在如下重大技术瓶颈，影响矿山的生产安全、经济效益、服务年限和可持续发展：

（1）矿体禀赋特征复杂、资源勘探程度不高

由于矿体的形态产状复杂、变化较大，现有勘探网度和程度无法准确控制矿体，导致探明和控制的资源量仅658.5万t、占比约55%，推断资源量达到600.1万t，设计利用储量仅901万t，相当部分矿体的分布和禀赋情况不明。此外，在实际生产过程中对资源的统计分析工作欠缺，致使采区产能分配、采矿工艺选择、开拓系统优化等工作均无据可依，严重影响了矿山的生产能力和服务年限。

（2）矿区环境地质条件复杂、富水矿床“三下”开采环保压力极大

丰山铜矿矿区地表有村庄、露天采坑和塌陷区域分布，而且毗邻长江和舒婆湖、网湖，生态环境脆弱、环境容量有限。同时，受露天坑底渗漏的影响，-550m中段的矿坑的预测最大涌水量达到24000m3/d，属于典型的富水矿床“三下”开采，一旦出现安全和环保事故，将严重危及企业生存。

图1  丰山铜矿环境地质条件

（3）资源禀赋特征复杂、开采技术难度大

由于矿体的形态、产状严格受区域紧密线性构造和深部隐伏次级褶皱（裙边褶皱）构造控制，呈复杂的豆荚状、囊状、牛轭状、似透镜状产出，产状从薄到厚、品位从低到高变化较大，不同矿体间呈迭瓦状、圆弧状或呈雁行排列，膨胀、收缩、分枝、复合、尖灭再现现象明显，导致矿体的开采难度较大。此外，矿体赋存的接触带部位蚀变强烈、完整性差、强度变低，开采技术条件复杂。

1.3 当前采矿方法的局限性

丰山铜矿资源品质好、价值高，应优选先进的采矿工艺和高效的采矿装备，以提高资源的开采效率，并控制矿石的损失贫化。初步设计中推荐使用的分段空场嗣后充填法，存在诸多的安全、经济和技术问题：

（1）分段空场嗣后充填法对矿体的适用性差、采场安全风险高。分段空场嗣后充填法通常对于矿岩中等稳固及以上、急倾斜、厚大且边界规整的矿体开采具有较好的适用性。然而，丰山铜矿矿体倾角（20~70°）、厚度（1~60m）变化大、矿岩边界不规整、分支复合现象明显、接触带部位矿岩稳固性差，分段空场嗣后充填法显然无法适用上述复杂的资源禀赋和开采技术条件，高阶段大跨度采场易发生冒顶片帮及失稳垮塌灾害。

（2）采切工艺复杂、矿石大块率高。虽然分段空场嗣后充填法的爆破效率较高，但是采准工艺复杂、工程量大、周期长，尤其是切割槽施工难度高，进而使得分段空场嗣后充填法的采准周期长、综合生产效率低。同时，在钻凿中深孔的难度较高，炮孔偏斜率、孔底距和炮孔变形难以控制，导致炮孔装药困难、孔口段爆破矿石过度粉碎、孔底爆破矿石大块率高等诸多问题。

（3）矿石损失率高、优质资源浪费严重。分段空场嗣后充填法仍需留设顶柱（5m）、底柱（10m），由于矿体倾角较缓和厚度变化较大，中深孔爆破无法实现矿废分采和倾斜上下三角矿柱的回收，再加上底部堑沟内的存窿矿石损失，导致矿石的损失率高达

20%以上。过高的矿石损失率将会导致大量优质资源的浪费、保有资源量的快速消耗。

（4）矿石贫化率高、制约矿山的正常生产并严重压缩企业的利润空间。由于矿体倾角和厚度不均且边界变化较大，中深孔爆破无法实现矿废分采和倾斜上下三角矿柱的回收，进而会产生10%的设计贫化率。同时，在频繁的爆破震动和放矿加载卸荷作用会进一步加剧和产生严重的矿石二次贫化。此外，由于矿山尾矿库已经闭库，过高的矿石贫化率会导致尾矿的产出率增加20%以上，使得尾矿产出总量和处置难度大大增加。

（5）充填强度要求高、二步采场安全风险高。分段空场嗣后充填法通常采用两步骤开采工艺，一步骤需采用高强度胶结充填工艺形成能够稳定自立的高阶段大跨度充填体，以保证二步回采作业的安全，因此，一步骤需高强度胶结充填需要消耗大量胶凝材料、导致充填成本居高不下。同时，二步骤开采将直接揭露两侧高阶段大跨度的充填体，在频繁的爆破震动和放矿加载卸荷作用下，极易产生蠕变损伤和脆性破坏，进而产生充填体破坏、失稳坍塌及地压灾害，一旦出现安全事故，将严重危及企业生存[2]。

图2  分段空场嗣后充填采矿方法图

2三下高品位资源安全高效低贫损充填开采技术

针对上述技术、经济和安全难题，需要进行专题研究和科学规划，并在充分研究论证的基础上，通过引进先进的工艺技术与装备加以攻关解决。

（1）开展详实的保有资源禀赋特征调查，将地质储量变成可采储量

丰山铜矿资源禀赋特征和开采技术条件复杂，分段空场嗣后充填法难以适应上述复杂的开采技术条件。必须对保有资源的禀赋特征，如各区段矿体的空间形态、产状（延伸长度、走向长度、倾角、厚度）、沿走向和倾向的连续性、断层位置及影响等，进行系统的调查分析；开展矿岩的节理裂隙、抗压抗拉强度，上下盘围岩的稳固性等工程岩石力学调查，进而为整体开采方案规划、采矿方法选择、采矿工艺参数优化、各中段可布矿块划分、合理的回采顺序制定及产能分配提供依据。

（2）优选更加安全、高效、环保的充填采矿法

丰山铜矿地表有村庄、露天采坑和塌陷区分布，属典型的“三下开采”，矿体产状从薄到厚、品位从低到高、倾角从缓倾斜至急倾斜变化较大，而且矿岩稳固性中等、井下涌水量大，分段空场嗣后充填法无法适用于上述复杂的开采技术条件，在实际使用过程中存在诸多的安全、经济和技术问题，应进行采矿方法变更，寻求回采率高、安全性好、环境友好的充填采矿法，将矿石回收率提高至90%以上、贫化率控制在10%以内，大大降低尾矿产出率、提高矿山的安全生产水平，其综合效益极为显著。

（3）尾矿资源化利用和无害化处置研究与技术经济分析

丰山铜矿矿区地表生态环境脆弱、环境容量有限，且没有尾矿库用于堆存尾矿。因此，亟需开展尾矿资源化利用技术研究和多方案技术经济分析，探索尾矿作建筑材料、水泥原材料和加气混凝土的综合性能、开展全尾矿或分级尾砂充填试验研究。考虑到丰山铜矿尾矿粒径超细、无法满足充填采矿需求的实际情况，应通过大量的试验研究、理论分析、方案比较，获取全尾矿或分级尾砂浓缩、充填配比等关键技术参数，优选合适的尾矿充填系统改造方案，保障充填系统的可靠性并有效控制充填成本；开展剩余尾矿资源化利用和无害化处置的使用方案研究和技术经济效益分析，最终实现采充平衡及尾矿的全部综合利用[3]。

（4）开展充填采矿法现场工业试验、开发安全高效低贫损充填开采成套技术

通过选择典型开采区域，进行矿块划分和采场布置，制定合理的回采顺序，进行采切工程设计、爆破参数设计、回采设计和充填设计，通过采场现场工业试验，获得“三下”高品位资源安全高效、低贫损开采的实用成套技术，并定型相关技术参数和工艺流程。

图3  丰山铜矿全尾砂充填系统

3结论

丰山铜矿资源品质好、价值高，要想在保障回采作业的安全的前提下，顺利稳产并实现尾矿全部综合利用的目标，必须围绕具有针对性的充填采矿方案优选、采矿装备配套、安全高效充填开采等重大难题进行技术攻关，研究解决关键参数、关键技术、关键工艺，并通过周密的工程设计和现场工业试验加以实施、定型。研究与设计的成果不仅对丰山铜矿早日实现安全高效开采和达产达标具有重大的现实意义，而且有助于建成技术先进可靠、资源高效利用、机械化程度高的现代化矿山，促进我国矿山整体开采技术水平的进步。

参考文献

[1]张钦礼，王新民. 金属矿床地下开采技术 [M]. 长沙 : 中南大学出版社 ,2016.

[2]王新民 , 古德生 , 张钦礼 . 深井矿山充填理论与管道输送技术 [M]. 长沙 : 中南大学出版社 ,2010.

[2] Li S, Yu Z, Yu H, et al. The Recent Progress China Has Made in High-Concentration Backfill[J]. Sustainability, 2022,14(5):2758.

作者简介：何龙飞，男，1988年，汉族，吉林白山人，本科，采矿工程师。

通讯作者：李帅，男，生于1989年，汉族，河南南阳人，博士，副教授，研究方向：充填采矿工艺技术。

基金资助：湖南省科技创新计划资助（项目编号2023RC3035），湖南省自然科学基金项目资助（项目编号2021JJ40745）