1、杉树垭矿磷矿充填采矿法编制方案DOC杉树垭磷矿厢式充填采矿技术方案湖北宜化集团矿业有限责任公司湖北杉树垭矿业科技开发有限公司2016年5月 1 企业概况 2 编制依据及引用标准 3 矿床地质 4 开采现状 5 充填采矿工艺 6 地压监测 7 辅助设施 8 投资与经济效益 9 存在的问题及建议杉树垭磷矿厢式充填采矿技术方案1企业概况湖北杉树垭矿业有限公司成立于2006年1月，位于湖北省宜昌市353方向，直距75公里，属宜昌市夷陵区樟村坪镇所辖，矿区面积7.87平方公里，注册资金1.02亿元，资产总额4.09亿。公司形成了集采、选一体的发展模式，拥有国内同行业单系统磷矿地下开采规模最大的矿山，拥有
2、全国范围内的第一家磷矿重介质选矿厂，采、选技术达到国际先进水平，被国土部、财政部批准为湖北省宜昌市中低品位磷矿综合利用示范基地。杉树垭磷矿区东部矿段由化工部长沙设计研究院2006年3月进行设计，于2006年9月开工建设，2009年9月峻工验收投产。设计开采规模为150万吨/年。开采方式为地下开采，开采对象为Ph13和Ph22二个主要工业磷矿层，采用平硐+溜井+胶带开拓运输方式，中段平巷采用无轨运输。采矿方法采用盘区房柱法采矿。 2. 编制依据及引用标准2.1 编制依据1.湖北杉树垭矿业有限公司年产150万吨磷矿采矿工程初步设计（化工部长沙设计研究院，2008年9月）；2.国家安全监管总局 国家
3、发展改革委 工业和信息化部 国土资源部环境保护部关于进一步加强尾矿库监督管理工作的指导意见安监总管一（2012）32号。3.国土资源部关于磷矿资源合理开发利用“三率”指标要求（试行）的公告（2012年底30号），2012年12月28日。4.省安监局关于印发的通知，湖北省安全生产监督管理局鄂安监发2012199号。5.湖北杉树垭矿业有限公司年产150万吨磷矿采矿工程开发利用方案开拓系统优化调整6.杉树垭磷矿两步骤回采充填采矿方法实施方案2.2 采用的主要技术标准1.化工矿山地下采矿设计规范HG/T228092.化工矿山井巷工程设计规范HG/T228143.混凝土泵送施工技术规程（JGJ/T10-
4、2011）。4.混凝土结构设计规范 GB50010-2002；2.3 其他依据 1.杉树垭磷矿矿山采掘工程现状图及总体布置图。2.现场收集的资料。3.矿床地质 矿段出露的地层主要有：寒武系下统牛蹄塘组（1n）、震旦系下统灯影组（Z2dn2）、陡山沱组（Z2d）、中元古界西汊河组（Pt2X），磷矿层产于陡山沱组。陡山沱组自上而下可划分为4个岩性段，即白果园段（Z2d4）、王丰岗段（Z2d3）、胡集段（Z2d2）和樟村坪段（Z2d1）3.1矿床地质特征杉树垭磷矿开采范围内主要见两个工业矿层中磷层（Ph22）和下磷层（Ph13），其中Ph22是杉树垭磷矿主要工业矿层。Ph22矿体赋存标高909.22
5、710m，埋深0598m。矿层总体倾向北东，倾角一般为310,矿体呈层状，分布连续矿体厚度1.2713.65m，一般为24m，平均厚度2.8m，P2O5品位16.52%32.98%，平均品位25.21%。在矿段北西部发育富集地段，矿层厚度613.65m，平均厚度8m，平均品位28.9%。该矿属于缓倾斜薄至中厚矿体。Ph22矿层顶板岩性为灰-浅灰色薄-中厚层状泥粉晶云岩夹泥质云岩条带，底板岩性为浅灰灰白色厚层含硅磷质团块粉细晶云岩。3.2矿区水文地质1 .自然地理矿区山脉、水系呈北东向展布。区内山高谷深，地形陡峻。北西、南东边界为谷地，中部凸起，最高海拔标高为1539m（矿区南部）， 最低海拔标
6、高为730m（西叉河河床），相对高差一般为650m，最大为810m，属中山地貌类型。矿区北部的董家河和南缘的西叉河为区内主干水系，均自南西流向北东汇入肖家河。宜昌磷矿区一带，属亚热带温湿气候区。区内雨量充沛，暴雨频繁，四季分明。由于受地形和海拔高程不同影响，气候垂向变化差异大，小气候特征明显。据宜昌市夷陵区气象站近20年的资料统计；年降水量768.7mm（1981年）1721.5mm（1989年），月最大降雨量424.8mm（1998年7月），日最大降雨量192.2mm（1989年9月1日），历史上日降水特大值391.0mm（1935年7月5日）。每年5月8月为雨季，此期间的降雨量占年降水量的
7、60%76.0%；11月次年二月为枯水期，降水量仅占全年降水量的15.6%。多年平均降水量1101.1mm/a，多年平均蒸发量1236.6mm/a，潮湿系数0.89，属湿度适中区。另据夷陵区樟村坪镇羊角山雨量站的观测资料，多年平均降雨量1350mm/a，最大降水量为2110.0mm/a。每年11月开始降雪，终雪期一般在3月下旬。于11月次年3月为冰冻期，在磷矿区一带，常造成间断性的大雪封山，导致交通中断。2 .地层含水性该矿区划分为五个含水层和四个隔水层。Ph2的顶部分别分布着Z2d3+Z2d22（3含水层）和Z2dn3+ Z2dn2 +Z2dn1（2含水层）、底部分布Z2d13（4含水层）。
8、3 .隔水层区内灯影组与陡山沱组含水层间及陡山沱各含水层间，一般无水力联系，当遇隔水层变薄和尖灭或断层切割部位，各含水层间将产生水力联系。隔水和相对隔水层自上而下主要有：寒武系下统牛蹄塘组、震旦系上统陡山沱组白果园段、陡山沱组胡集段下亚段及樟村坪段中亚段共四层。4 .断层含水性 区内断裂构造较发育，规模较大的断层主要有F1、F2、F6、F7、F11、F16、F14、F12、F17、F21、F23、F24、F26；次为F10、F15、F25。F1、F26断层分别属于矿区北西和北东侧的边界，其余断层集中分布于矿区中部和南部，以正断层为主，破碎带为构造角砾岩和碎裂岩，结构疏松。受以上断层切割破坏，在
9、不同程度上沟通了各含水层间的水力联系。由地表调查资料看，以北东走向的F1断层和近东西走向的F7断层破碎带，充填碎粉岩与断层泥，具隔水性，因而，沿断层上盘多见泉水点分布。其余断裂构造表现以导水为主，局部隔水的特征。5.矿床充水因素矿坑充水来源依次为大气降水通过大面积分布的灯影白云岩浅部溶洞、溶隙补给；横切矿体的董家河水及溪流补给；采矿塌陷区入渗补给；肖家河水及区域地下水通过顶底板含水层补给。以上诸因素对矿坑充水的影响程度将随各采矿分区而发生变化，南、东主要充水是大气降水和地下水补给，由于采区距董家河水甚远，其补给作用表现不十分明显，当采掘接近西部董家河时，河水的补给将随之增加。董家河是未来井下水
10、患的最大威协，但只要不破坏其河床一带地层的天然结构状态，河水的补给量是有限的和可以预计的。一旦河下矿体采空而引起地表塌陷变形，必将造成河水大量进入矿坑。地表是否引起变形塌陷取决于矿体上部覆岩厚度，经计算董家河一带矿体上部覆岩厚度均小于最小安全厚度113m，（天然条件下实际厚度为6575m），所以董家河一带必须留防水保安矿柱。此外，矿区内共发育20条山溪，随着开采进度，沟底将产生不同程度的开裂、移动，如不注意对沟底及时进行处理整治，势必导致山溪水直接灌入井下，根据类似矿山的情况，估算到开采后期可能产生的最大暴雨渗入量为140000m3/d。本矿区的水文地质类型为： 以溶蚀裂隙为主、天然状态下顶板
11、间接充水、底板直接充水，水文地质条件中等复杂的岩溶充水矿床。其主要水文地质问题是董家河水，及未来采矿塌陷区引起的地表水对矿坑的补给。3.3矿区工程地质1 .岩（矿）石的物理力学性质根据矿区岩（矿）石样力学试验结果，仅中磷层（Ph2）及含钾页岩（Z2d12）极限抗压强度偏低，为51.376.2MPa，属较坚硬坚硬岩石类外，而主矿层顶、底板围岩极限抗压强度由84.2182.7MPa，属坚硬岩石类；岩石抗剪强度（C值）4.832.35MPa，弹性模量6.58.28（104MPa）；软化系数0.520.78。故本矿区地层以坚硬岩类为主组成。2. 断裂构造与结构面特征本矿区断裂构造较发育，全区发现大小断
12、层26条。按走向大致可分为三组即北东向、近东西向和北西向。区内规模较大的断层有F1、F2、F6、F7、F10、F11、F12、F14、F16、F17、F21、F23、F24、F25、F26等15条。其中F1、F26断层规模宏大，构成矿区边界断裂，其余者属次一级断裂。除F1为逆断层外，其余均为正断层。现将主要断裂构造的结构面特征分述如下：F1逆断层：为矿区边界断层。北东走向、倾向北西、断距2676m，破碎带充填以构造角砾岩、碎裂岩、碎粉岩等，胶结疏松，宽度835m，坑道揭露时易出现冒顶崩落或底板变形。F26正断层：为矿区边界断层。北西走向，倾向北东，断距60m以上，切穿了矿区各地层。破碎带宽51
13、5m，充填角砾岩、碎裂岩，局部为断层泥，胶结较差，亦易引起冒落和崩落F7正断层：近东西走向，倾向自北西转向北东，断距2832m，切穿Z2dn2Pt2X各层。破碎带宽度15m，充填以角砾岩、碎裂岩及硫铁矿脉，围岩见铁帽矿化。挤压结构面，光滑平直，坑道揭露时易出现片邦和冒顶。F2、F11、F12、F16、F17、F24等断层：以北西走向为主，呈平行与束状分布于矿区中部。断距12.7454m，破碎带宽度多在0.56m，最宽1015m，由构造角砾岩、碎裂岩及岩块充填，胶结疏松，钻孔探揭露岩心破碎，采取率低。坑道通过以上断层时，有可能出现局部冒顶崩落。其余断裂构造（F6、F10、F14、F21、F23、
14、F25），属北西走向次级断裂或派生断层，破碎带宽度小，胶结较好，一般较稳定。综上所述，本矿区工业矿层与围岩由坚硬岩石为主组成，稳定性较好。易引发顶、底板变形者，主要出现于较大断裂构造破碎带部位。矿区工程地质类型为：矿层及其围岩以坚硬较坚硬岩类为主，工程地质条件简单中等类型。3.4矿区环境地质1. 地震据宜昌市科委地震办资料，宜昌磷矿区一带自1960年以来，曾发生过1.52.9级地震10余次，均为浅源地震，最大烈度4度，有感范围70km2，本矿区仅发生过微震。根据中国地震烈度区划图（1992年），湖北宜昌地区地震基本烈度为6度。按地壳稳定性等级划分标准，地震烈度7度、震级5.5级为稳定区，故本区
15、应属于地壳稳定区。2 .危岩体a)杉树垭矿危岩体分布情况在矿段范围内共计发现大小危岩体32处，危岩体由灯影组第一至第三岩性段（Z2dn1Z2dn3）硬脆性的粉、细晶云岩组成，其露头处崖壁广布，临空面发育，有利于卸荷作用的发生与发展。岩体受各组裂隙的切割，并伴随溶蚀作用的发生而使裂隙扩大、加深，逐渐与母岩分离形成危岩体。区内危岩分布标高8251335m，与母岩间主控卸荷缝宽度0.102.10m不等，最宽者(WY1)可达4.0m，穿切垂深一般2040m，最大者可达54m（WY2）。根据危岩体现状的稳定程度不同，可分为不稳定和基本稳定两类。其中不稳定者14处，基本稳定者17处，各危岩体的分布与发育特
16、征详见附表。现状处于不稳定的危岩体有WY1、WY3、WY5、WY7、WY9、WY10、WY11、WY41、WY47、WY51、WY53、WY54、WY56、WY59共14处根据危岩体所处位置，对地面工程设施和附近居民安全构成重大威胁的危岩体主要有WY1、WY2、WY5、WY9、WY10、WY17、WY41、WY47及WY58等9处。已治理6处，分别为WY1、WY2、WY9、WY10、WY17等。3 .滑坡小冲滑坡：滑坡体呈圈椅形，滑体后缘标高970m，前缘标高885m，长110m，宽85m，厚2-5m，总方量约35000m3，主滑方向68，滑体物质成份为碎块石土，滑床为灯影组白云岩，属一老滑坡
17、体，现处于基本稳定状态。杨家湾崩塌体：为修建矿山公路切坡诱发崩塌，崩塌体顶部标高880m，底部标高850m，垂高约30m，切坡长48m，主崩塌方向142。边坡下部为碎裂结构的灯影组第一岩性段（Z2dn1）厚层状细晶云岩组成，上部为坡积碎石土，切坡坡角6065度。于2007年8月上旬降中大雨后，引发上部碎石土坍滑并牵动下部碎裂状的粉晶云岩坍塌变形，坍滑体积不下3000m3，致使矿山公路被堵多日。由于修建矿山公路，边坡未进行治理。岩土体结构松散，遇暴雨或人工削坡，可能引起崩滑。矿山开采排出的废石如顺沟堆放，经雨水冲刷可能造成泥石流。矿区地质环境质量属中等不良类型。其主要环境地质问题是由于矿层采空后
18、，引起覆岩开裂、移动，导致矿区内危岩体失稳崩塌而威协地面建筑物及人员、设施安全。综上所述，本矿区开采技术条件（水、工、环）为开采技术条件中等复杂的矿床. 4开采现状该矿2009年建成投产，生产规模150万吨/年，主要开采Ph22磷矿层。矿区分两期开采，目前属于第一期 (760m中段以上)。矿区分四个采区同时开采，其中一、二、三采区120万吨/年，四采区30万吨/年。目前矿山一期开采范围的开拓系统基本形成，已经形成了101、102、103、104、105、201、202、203、204、301、302、303、304、305、401、402、403共17个中段，目前在进行103、204、303中
19、段的矿石回采作业。矿山形成的采空区主要分布在101-1、1031-1、102-1、201-2、201-1、202-1、203、301-1、301-2、301-3、301-4、301-5、X301-5、302-1、302-2、302-3、302-4、302-6、303-1、3031-1、3031-2、3031-3、3031-4、3041-1、401-2盘区内。截止2015年底杉树垭磷矿目前保有资源量为2480万吨，除去构造带、河床居民点压覆及品级低于18%的不可采部分后，保有可采储量约1500万吨。杉树垭磷矿实际回采率约78%，因四采区矿体平均厚度达到8m，采用现行房柱法采矿，安全无保障。一是为
20、了防止地质灾害，保证人民的生命不受伤害和地质环境不受破坏，二是在资源储量不断减少的情况下，为延长矿山服务年限、提高资源回采率，因此需要对现有采矿方法进行优化和改进，使企业走上可持续发展的良性轨道。目前国内已有很多矿山企业采用充填采矿法，技术比较成熟。但绝大多数研究的是倾斜或急倾斜矿床，顶板结构相对较好，矿层倾角在15及以上，而对于5以下近水平矿体充填采矿，难度较大的是实施接顶问题；另外宜昌磷矿大部地处黄柏河源头，是宜昌市饮用水保护区，在矿区不能建设化学方法的选矿厂，没有大量的易输送细颗粒的充填原料。通过在实践中不断研究试验，逐步探索出双通道分层采矿法，利用矿区开采过程中产生的废石直接搅拌浇结充
21、填的厢式回采充填技术，不仅成功解决以上难题，而且简单适用，成本低，是一种新的、切实可行的充填采矿方法。4.1研究发展阶段第一阶段：采用双通道、分层开采，留设矿柱。具体方法：通过在矿房两侧（切割方向）形成上下部通道，先从上部通道沿回采线切顶、支护，后从下部通道降底、回采，最终形成矿柱。优点：有效解决厚矿体回采及其安全问题，方法筒单；缺点：矿柱劈裂、顶板垮落、地表塌陷；回采率低、资源浪费。第二阶段：强化矿柱控顶开采。具体方法：在第一阶段基础上，针对矿柱易劈的特点，浇筑直径3m的混凝土矿柱，在矿柱回收后，用废石充填至离顶板1m的距离反压保护矿柱，减少顶板冒落空间。优点：可保证生产过程中安全；回采率高
22、；缺点：强化矿柱施工难度大，成本高；同时因不能大面积接顶，仍然不能根本解决地表塌陷、山体变形等问题。第三阶段：厢式充填开采。优点：可保证生产过程中安全；解决了地表塌陷、山体变形；回采率在盘区房柱法基础上提高15%，可达到90%，矿产资源得到有效利用；充填料利用井下开采中的废石直接胶结充填，方法简单，成本较低。4.2开采技术条件矿区主要工业矿层为Ph22矿层。Ph22矿体赋存标高909.22710m，埋深0598m。矿层总体倾向北东，倾角一般为310,矿体呈层状，分布连续矿体厚度1.2713.65m，一般为24m，平均厚度2.8m，P2O5品位16.52%32.98%，平均品位25.21%。在矿
23、段北西部发育富集地段，矿层厚度613.65m，平均厚度8m，平均品位28.9%。属于缓倾斜薄至中厚矿体。Ph22矿层顶板岩性为灰-浅灰色薄-中厚层状泥粉晶云岩夹泥质云岩条带，底板岩性为浅灰灰白色厚层含硅磷质团块粉细晶云岩。矿区水文地质条件中等复杂，工程地质条件为简单中等类型，矿区内危岩较多，环境地质条件较差。4.3采矿方法根据杉树垭磷矿矿体的开采技术条件，结合目前矿山采用的房柱法采矿法及其采切工程布置，本次设计选择厢式充填采矿法作为实施方案。4.4采场参数布置 1矿块构成要素矿块沿走向长100m，沿倾向100m。矿房宽4-6m、房间矿柱宽度5-7，可根据不同围岩情况适当调整。 图1 充填采矿工
24、序示意图 2技术参数 上下部通道、切顶断面：宽4-6m，高3-5m； 下部通道断面：宽3-5m，高：以矿层切顶后的剩余厚度为准； 护顶固帮要求：锚杆长度2m、密度1.51.5m，网片钢筋直径4mm、网孔规格100100mm；喷浆标号C20、厚度50-100mm； 湿式充填：混凝土标号为C10、充填体上部剩余空间约1.5-2m； 胶结充填：混凝土标号为C10、接顶面积大于85%、养护期28天； 回采间隔条带：按间隔条带宽度，分两次回采，先采上部约1/2矿厚； 干料充填：充填后空顶高度小于1m。 3采场设备回采主要设备表序号名称型号/规格生产能力备注1全液压凿岩台车CMJ17HT-C型车90m/台
25、班2铲运车ACY-2A160t/台班3坑内卡车EQ1120GL80t/台班4局扇JK55-No4.05.充填采矿工艺5.1工艺流程简述 施工上下部通道-沿切割方向分别在矿房两边和中间施工上下部通道； 上分层拉底-沿走向施工上部拉底通道； 护顶固帮-拉底巷顶板及帮壁锚网喷浆支护；下分层回采-在下部通道沿上部拉底巷方向两侧回采下分层；下部湿式充填-下部通道湿式充填；顶部胶结接顶-在湿式充填体上浇筑混凝土；回采房间矿柱-回采两条充填体之间的预设间隔条带；干料充填-利用废石、干料对回采间隔条带后形成的空场充填、压实。 图2 采充示意图 图3 分步充填及接顶示意图 5.2充填材料 1.充填材料 充填骨料
26、：花果树选矿厂尾矿（尾矿不足时采用废石破碎）。 胶凝材料的确定：水泥。 充填用水：充填用水为矿山现有坑内供水系统，水源量可满足需求。 干式充填材料：井下生产的废石、矿石中的夹矸石、周边磷矿矸石及周边重介质选矿厂尾矿。 2.骨料参数 花果树选矿厂尾矿是中低品位原矿经旋流器选别脱介后的轻物，主要为页岩颗粒，少量白云岩。尾矿松散密度1.6t/m3,比重2.7 t/m3，安息角35，含水量低于12%。粒径范围5mm以下占10%，其余520mm，中值粒径8mm。其力学性质与相应页岩白云岩相同。5.3质量要求 要使采场处于良好的稳定状态，胶结混凝土矿柱承载能力不得小于原生矿柱的承载能力。 矿石矿柱的承载能
27、力杉树垭磷矿矿岩力学参数表如表5-1所示。 表5-1矿岩石力学参数表参数矿岩弹性模量(104MPa)密度(g/cm3)抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)泊松比凝聚力(MPa)摩擦角(度)白云岩14.4270074.530.2430磷矿石7.2281058.64.340.23.525页岩9.82270041.21.50.23.528 矿柱的承载能力主要取决于以下因素：矿柱矿石自身的强度（包括抗压强度、抗剪强度）、矿柱的高宽比、矿房与矿柱的尺寸、地质构造因素等。其中地质构造因素对矿柱承载能力影响较大。 杉树垭磷矿矿体的节理十分发育，矿柱受力变形破坏以受压劈裂方式为主，破坏矿柱表层出现纵向裂缝并侧
28、鼓、剥离，此外部分矿柱变形破坏呈剪切方式，绝大多数破坏的矿柱虽未完全压溃或剪断，仍有部分支撑能力，但承载能力已经远小于岩石的理论强度。可见，由于节理裂隙的发育，使得矿柱承载能力大大降低。 根据Kalamaras，Bieniawski等提出的对岩体抗压强度mc的工程处理公式： RMR-15 公式中：c为岩块抗压强度，单位为MPa，RMR为其评分值。 根据相关研究，杉树垭磷矿矿岩体评分值如表5-2。表5-2 矿岩体RMR总评分表矿岩RMR值岩体类别白云岩5878IIIII磷矿石5976IIIII 据公式及表5-1、5-2，可以得到矿石矿柱的实际承载能力为：15.1721.03MPa。 C20混凝土
29、胶结矿柱的承载能力表5-3 混凝土力学性能表混凝土强度等级弹性模量(104MPa)泊松比轴心抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)容重(g/cm3)C202.550.2212.32.0 同体积矿石矿柱和胶结混凝土矿柱结构状态的比较表3-5 矿石矿柱和胶结混凝土矿柱的结构状态比较表项 目矿石矿柱胶结混凝土矿柱材质非均质相对均质节理、裂隙较发育基本不存在脆裂性受压容易劈裂基本不容易劈裂尺寸的规则程度尺寸不规则尺寸规则受损伤情况采矿时受到爆破的损伤较少受到爆破的损伤 从上面的分析可以看出，虽然矿岩石的力学性能较混凝土力学性能更高，但由于矿体及岩体中普遍存在节理裂隙等构造缺陷，矿岩体承载能力会大大下降，
30、部分地段矿岩体实际承载能力只有1521MPa，其最大峰值与C20混凝土柱承载力大体相当。综合上述分析，充填体设计强度为C20满足设计要求。5.4运输方式 湿式充填：通过坑内卡车将其运输至充填区车场，用铲运机进行搅拌后直接送入充填区。 胶结充填:混凝土输送罐车运输到上部通道，再用混凝土输送泵注入充填区。干料充填：通过坑内卡车将干料运输至充填区。5.5通风与防尘 通风：主系统采用机械。在采掘工作面设置局扇，爆破后进行辅助通风，保证井下空气质量达到环保的要求。 防尘： 1.采掘工作面采用湿式凿岩，装矿工作面用喷雾洒水以降低粉尘。 2.尾矿破碎站采用安装防尘设备。 3.工人配戴防尘口罩，加强个体防护。 4.为无轨设备安装尾气净化设备，减少尾气的排污量。5.6劳动组织：每个独立的充填系统人员共设18人， 序号岗位名称在册人员总数1项目负责人12安全员13电工14搅拌工25管道维修工16装载机操作工37泵枪操作工28模板工29混凝土振动2
