1. 引言
目前国内的矿产资源开采现状普遍存在以下问题：(1) 采矿增大：地表矿产资源逐渐枯萎；(2) 矿体赋存条件复杂：易采矿减少，现采矿体大多复杂多变；(3) 环境污染大：大量开采废料地表堆积污染严重；(4) 政策严格：政府对环境保护，安全生产要求越来越高。这些问题对采矿方法提出了更高要求，比如地质保护环境优先、资源综合利用率高等，因此，充填采矿方法也是国内外矿业界大势所趋。
充填采矿法相对传统空场采矿法和崩落采矿法，具有以下优势：(1) 支护作用，支护岩层，保护地表地物；(2) 提高综合效益，提高回收率，降低贫化率，降低劳动成本；(3) 预防火灾，提高通风效率，预防高硫矿床火灾；(4) 改善深部作业条件，控制深井开采岩爆，降低深部地温；(5) 保护环境，处理固体废料，保护地表环境。
山阳县龙头沟金矿区内主要圈出1-1、2-1、3-1、4-1、5-1、5-2号金矿体，其中1-1、4-1号金矿体规模比较大，为区内主矿体，其余矿体规模相对较小。主矿体地质特征综述如下：
1-1号主矿体：主要展布于22~68勘探线之间，赋存标高1102~1391米。由地表槽探、浅部坑道、深部钻孔进行了控制。矿体控制长度最大1100米、最低标高1020米、最大斜深251米。金矿体整体呈脉状产出，矿体总体产状：182˚~208˚∠43˚~69˚。金矿体单工程真厚度0.18~3.62米，平均厚度1.11米，金矿体厚度变化系数为74.03%，矿体厚度稳定；金矿体单工程金品位1.12~8.42 × 10−6，金平均品位3.62 × 10−6，矿体金品位变化系数46.16%，有用组分分布均匀 [1]。
2-1号主矿体：主要展布于16~48勘探线之间，赋存标高1261~1324米。矿体控制长度最大490米、最低标高1241米、最大斜深152米。金矿体整体呈脉状产出，矿体总体产状：191˚~208˚∠53˚~71˚。金矿体单工程真厚度0.19~1.58米，平均厚度0.87米，厚度变化系数52.28%，矿体厚度稳定。金矿体单工程金品位1.20~18.75 × 10−6，金平均品位4.37 × 10−6，金品位变化系数98.60%，有用组分分布均匀。
3-1号主矿体：主要展布于4~22勘探线之间，由3个地表槽探工程和深部1个钻孔进行了控制，赋存标高1203~1232米。矿体控制长度最大223米、最低标高1053米、最大斜深173米。金矿体整体呈脉状产出，矿体总体产状：190V~211˚∠46˚~73˚。金矿体单工程真厚度0.52~1.08米，平均厚度0.91米，厚度变化系数67.33%，矿体厚度稳定；金矿体单工程金品位1.42~22.94 × 10−6，金平均品位5.11 × 10−6，金品位变化系数85.15%，有用组分分布均匀。
4-1号主矿体：主要展布于48~126勘探线之间，赋存标高1170~1331米。矿体控制长度最大917米、最低标高1041米、最大斜深351米。金矿体整体呈脉状产出，矿体总体产状：190˚~222˚∠41˚~79˚。金矿体单工程真厚度0.38~4.69米，平均厚度1.23米，厚度变化系数78.24%，矿体厚度稳定；金矿体单工程金品位1.13~42.11 × 10−6，金平均品位4.82 × 10−6，品位变化系数131.62%，有用组分分布较均匀。
5-1号主矿体：主要展布于48~80勘探线之间，地表单工程见矿，赋存标高1249米。金矿体整体呈脉状产出，矿体产状：190˚~218˚∠36˚~73˚。矿体控制长度最大328米、最低标高1107米、最大斜深122米。金矿体单工程真厚度0.31~1.93米，平均厚度0.74米，厚度变化系数71.47%，矿体厚度稳定；金矿体单工程金品位1.14~42.73 × 10−6，金平均品位3.29 × 10−6，品位变化系数89.04%，有用组分分布均匀。
5-2号金矿体：主要展布于77~109勘探线之间，赋存标高1251~1283米。矿体控制长度最大358米、最低标高1207米、最大斜深87米。金矿体整体呈脉状产出，矿体总体产状：190˚~218˚∠36˚~71˚。金矿体单工程真厚度0.20~3.02米，平均厚度0.97米，厚度变化系数85.04%，矿体厚度稳定；金矿体单工程金品位1.11~42.16 × 10−6，金平均品位3.19 × 10−6，品位变化系数167.53%，有用组分分布不均匀。
根据显微镜下鉴定，矿石矿物组成为：非金属矿物主要为石英、方解石、白云石、铁白云石、重晶石、斜长石等；金属矿物主要为黄铁矿、褐铁矿，其次是黄铜矿、黝铜矿、方铅矿、闪锌矿等；蚀变矿物为绢云母，副矿物有榍石、磷灰石等；贵金属矿物为自然金。矿石结构构造较简单，主要呈中粗粒自形半自形粒状结构、它形粒状结构、交代残余结构、包含结构、碎斑结构、环带结构、交代环边结构、假象结构，块状构造、角砾状构造、脉状构造、稀疏浸染状构造、星散状构造、流失孔构造。其中矿石结构以自形–半自形–它形粒状结构、碎裂结构为主，构造以角砾状构造和浸染状构造为主。
金的形态多种多样，主要呈浑圆状、椭圆状、角粒状、八面体状、立方体状、哑铃状、弯月条状、棒状、线状、镰刀状、乳滴状、不规则状等，以角粒状、八面体状、立方体状等为主，占44.90%，其次为浑圆状–次圆状、麦粒状、镰刀状、棒状、蠕虫状、乳滴状、椭圆形、蝌蚪状、线状等，占10.38~11.58%；叶片状、板片状、长条形等较少，占2%~3%。其中浑圆–椭圆状主要呈包裹金赋存于载体矿物中，其他形态多赋存于矿物粒间及矿物或岩石裂隙中。金的分布不均匀，以单粒金为主，有少量呈集合体状分布。
金的粒度普遍较粗，粒度大小约0.001 × 0.001~0.045 × 0.065 mm，一般为0.005 × 0.005~0.02 × 0.03 mm，个别最粗者可达0.2 × 0.3 mm。
将所见金粒进行粒度统计，明金占27.37%，显微金占72.63%。各种粒级的金以细粒金为主(占49.72%)，无巨粒金。
金的嵌布类型有三种：粒间金、裂隙金、包裹金，其中以粒间金为主，占43.02%，其次为裂隙金，占31.70%，包裹金较少，占25.28%。
金的主要载体矿物是黄铁矿、褐铁矿，占载体矿物的82.74%，其次是非金属矿物重晶石和铁碳酸盐，分别占6.55%和4.75%，黝铜矿和石英较少，各占2.98%。
本区矿石为低硫金矿石，矿石有益组分为Au，没有需作处理的有益组分和有害组分，工艺性能易选。矿石工业类型：易选金矿石。本区矿石自然类型按氧化程度划分以混合矿为主，次为原生矿，氧化矿最少，按脉石矿物成分为蚀变岩型金矿石。
矿区地下水类型为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水，大气降水是地下水的主要补给来源。区内矿体主要位于当地最低侵蚀基准面之上，地形有利于自然排水，矿区水文地质条件简单。区内泥盆系大枫沟组下段地层为矿体的主要赋存层位。含矿岩体岩石质量为III~IV级，围岩为II~III级，局部IV级。巷道施工中围岩基本稳定，局部易发生掉块、塌方现象。在矿体与围岩的接触部位发育有断裂破碎带，稳定性较差。矿区工程地质条件中等。
龙头沟金矿始建于2009年10月，2011年4月试投产一次性成功，日处理矿石量400 t/d。2013年以前主要开采1号矿体，2013年以后开采4号、5号金矿体，5号金矿体属于较缓倾斜矿体，采矿方法为全面浅孔留矿法；公司在前期采矿过程中，由于矿体厚度极薄，导致采矿矿石贫化率较高。因此，公司组织相关技术管理人员研究采用削壁充填采矿方法，经公司同意在4号矿体3号矿块进行试验。
2. 削壁充填采矿方法试验
2.1. 地质特征
试验矿块选在4号矿体1160米中段至1200米中段63勘探线至71勘探线之间3号矿块内。该矿块呈脉状构造，矿体分支间隔距离小，受断裂构造控制。矿体在走向上局部有尖灭再现现象，矿体走向近东西，平均倾角55˚，矿体平均厚度0.4米，矿石品位在7.6克/吨，工业储量2216 t。矿岩分界明显，矿石的工业类型属低硫金矿石。
矿体主要赋存于变质岩层中，顶、底板围岩为泥盆系星红铺组绢云母粉砂质板岩和千枚状绢云母板岩。岩石普氏系数f = 8~12，矿石普氏系数f = 6~8。矿山前期采矿方法为浅孔留矿法，造成贫化率大，经济指标较差，给公司生产运行带来一定的难度。
2.2. 试验矿块布置及结构参数
根据4号金矿体赋存的具体特点，矿块沿金矿体走向布置，沿矿体倾向回采。矿块回采时先采矿，再崩落围岩充填采空区，利用围岩支撑矿房顶板。试验矿块长度50米，高度40米，矿房设计三个放矿溜井，溜井间距16米，溜井规格直径0.65米，长度1.2米，溜井底部采用漏斗底部结构，矿房间柱2米，底柱1.8米，顶柱1.2米，矿房分层回采，分层高度1.5米。
2.3. 采矿工艺
1) 采准、切割工作。沿矿体走向在距矿体有8米左右的下盘围岩中掘进中段运输巷道 [2]。在中段运输巷道内沿矿体走向首先隔50米掘进一条2.0米 × 2.0米的穿脉，穿脉长度直至穿透矿体，在穿脉内见矿处开始掘进一条1.5米 × 1.8米的人行通风天井，在天井中沿矿体走向每隔6米向两壁掘进1.5米 × 1.8米的联络道，其长度为2米。距中段运输巷道人行通风天井(先行天井)穿脉10米、26米、42米、50米掘进2.0米 × 2.0米穿脉，前三条穿脉作为出矿短穿，最后一条作为架设顺路天井的入口。在最后一条穿脉见矿处距底板高度1.8米处开始掘进1.6米 × 1.8米拉底巷道直至与天井贯通。最后三条出矿短穿与拉底巷道贯通，之后架设铁溜井(见图1)。
2) 回采工艺。回采工艺过程包括：落矿、矿石运搬、崩落围岩和充填、铺设垫层、架设顺路天井 [3]。试验矿块的回采落矿顺序上沿矿体倾向分层循环进行，每个分层高度1.5米，在分层内，先在拉底巷道内铺设草袋，在草袋上再铺设橡胶垫板作为落矿垫层，将矿体与充填岩石分隔开，利用垫层将回采的矿石清出，并维护好铁溜矿井，待分层矿石采完后，崩落围岩充填采空区，平整场地，铺设橡胶垫板进入下一个分层，循环直至将矿石采完。采下的矿石经人工运搬至溜矿井，通过铁溜井将矿石放出。矿房有合适空间时应立即架设铁溜井并维护好 [4]。
3) 采场生产管理。矿块在回采过程中，根据矿体走向的变化状况，回采矿石时在矿体中央采用“一字形”炮孔布置方式 [5]，选择合理的炮孔参数。回采时严格控制矿块块度。为避免矿石贫化，每次落矿完成后应及时将矿石放出，在一个分层采完后要及时架设好铁溜井，撤出垫层。崩落围岩时，一次崩落
1：中段运输巷道；2：顺路天井；3：先行天井；4：出矿短穿；5：木漏斗；6：铁溜井；7：废石；8：矿脉；9：联络道
Figure 1. Schematic diagram of wall cutting and filling method
图1. 削壁充填法示意图
量不宜过大，尽力减少爆轰波对铁溜井的冲击，保持铁溜井的稳固性。崩落围岩后应平整作业场地，铺设好垫层，为下一分层矿石的回采工作做好准备。
3. 存在问题及解决办法
采用削壁充填法采矿的过程中，通过现场情况观察发现采场存在以下几个问题：
第一，矿块回采时先采矿，观察爆破效果，对于顶板不稳固围岩，连带上盘围岩过多，造成矿石贫化。对于矿块局部地段上盘围岩不稳固情况，先崩落上盘围岩，再崩落矿石。通过爆破试验，选择合理的炮孔参数。
第二，将矿块整体分层矿石采完后再崩落围岩，根据矿块内现场情况发现顶板暴露面积过大，造成安全隐患，暂时用坑木支撑顶底板。采矿时沿矿体倾向由顺路天井向先行天井，采矿和崩落围岩地段前后不超过7米。
第三，人工运搬矿石时，离铁溜井远地段用铁簸箕运搬矿石浪费时间和气力。采用独轮车运搬离铁溜井远地段矿石。
4. 削壁充填采矿方法和浅孔留矿法采矿方法的经济技术指标对比
根据矿体地质特征、开采技术条件基本相似的验证矿块进行经济技术指标对比，得出以下数据(见表1)。
通过削壁充填采矿方法的验证、实施，采出矿石2701吨，矿石金品位5.6 × 10−6，较大幅度降低了开采贫化率，提高了金矿石品位，使矿山企业的矿产资源得到了高效利用，经济效益增加明显 [6]。经测算：采用削壁充填采矿方法比浅孔留矿采矿方法节约成本94,301元∕矿块，平均每吨矿石采矿成本减少37.8元；采用削壁充填采矿方法生产相同金金属量选矿厂处理矿石量减少3021吨，节省直接选矿费用332,016元∕矿块(109.9元/吨)，优于浅孔留矿采矿方法；综合每吨矿石利润比浅孔留矿法高159.4元。经过这次削壁充填法采矿方法试验，积累了实践经验，取得了科学、有效、可靠的实验数据，为矿山后期对极薄矿体的开采扩大削壁充填采矿方法提供了支撑。
Table 1. Comparison of economic and technical indexes between the method of cutting wall and filling and the method of shallow hole retaining
表1. 削壁充填采矿方法和浅孔留矿法采矿方法的经济技术指标对比表