雷高 帥金山 胡勇 鐘小榮

摘要：為高效回采三鑫金銅礦重新圈定臨時(shí)保安礦柱釋放的礦體，在充分考慮采場參數(shù)、回采順序及安全穩(wěn)定的情況下，初步選擇了盤區(qū)分段回采階段充填采礦法、盤區(qū)分段回采分段充填采礦法和盤區(qū)機(jī)械化上向分層充填采礦法3種采礦方法。在綜合比較3種采礦方法的生產(chǎn)能力、安全性和經(jīng)濟(jì)等因素后，確定盤區(qū)分段回采階段充填采礦法為最優(yōu)方案。該方案具有工藝成熟、成本低的優(yōu)點(diǎn)，且能夠保障安全。工業(yè)試驗(yàn)表明：采用盤區(qū)分段回采階段充填采礦法能安全、高效、低貧損回收釋放的保安礦柱礦體，采場生產(chǎn)能力達(dá)到了200～300 t/d。

關(guān)鍵詞：保安礦柱;重新圈定;盤區(qū);分段;階段;充填采礦法

中圖分類號：TD853.34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-1277（2022）02-0044-07

doi：10.11792/hj20220208

引 言

金屬礦山地下開采中往往會因?yàn)楦鞣N原因而留下大量的礦柱，其中為了保護(hù)地表建（構(gòu)）筑物、河流和湖泊及井巷工程，礦山一般需要留設(shè)一定量的保安礦柱，這些保安礦柱往往會造成大量礦產(chǎn)資源的損失和浪費(fèi)。在南非，開采深度超過2 500 m的豎井不允許留設(shè)保安礦柱[1]。近年來，隨著地下采礦技術(shù)尤其是充填采礦技術(shù)的日臻成熟，部分地質(zhì)條件復(fù)雜的礦體逐漸具備開采條件[2]。程潮鐵礦[3]、紅透山銅礦[4]等礦山在這方面均取得了較好成效。隨著礦產(chǎn)資源量逐漸枯竭，對保安礦柱的回收顯得極為重要[5]。

湖北三鑫金銅股份有限公司（下稱“三鑫金銅礦”）位于湖北省大冶市，是一家資源豐富、價(jià)值高、開采條件復(fù)雜、地表不允許沉陷和巖層移動的多金屬礦山企業(yè)，經(jīng)過多次技改擴(kuò)建，生產(chǎn)能力從原來的250 t/d提高到3 000 t/d，整個(gè)開拓系統(tǒng)經(jīng)歷了4次變革。由于地表工業(yè)場地建設(shè)位置的限制和原地質(zhì)工作的不連續(xù)性，導(dǎo)致現(xiàn)有工業(yè)場地出現(xiàn)了壓礦現(xiàn)象，其中根據(jù)原勘探地質(zhì)報(bào)告[6]，礦山老主井設(shè)計(jì)在開采巖石移動界線以外，但最新勘探資料顯示，該井實(shí)際已處在開采巖石移動界線以內(nèi)。雖然礦體均采用膠結(jié)充填采礦法開采，對圍巖穩(wěn)定性的影響不大，但為確保老主井和新主井的安全，設(shè)計(jì)保留了臨時(shí)保安礦柱，臨時(shí)保安礦柱必須待所有其他礦體回采完畢后，再視具體情況，進(jìn)行專題研究，并根據(jù)研究結(jié)果，采取特殊措施，方可回采。

在保證礦山安全生產(chǎn)的前提條件下，有序回收臨時(shí)保安礦柱重新圈定后釋放的礦體，對于充分回收利用資源、延長三鑫金銅礦服務(wù)年限、提高礦山經(jīng)濟(jì)效益都具有極為重要的意義。

1 臨時(shí)保安礦柱概況

1.1 臨時(shí)保安礦柱初步設(shè)計(jì)

在初步設(shè)計(jì)[7]時(shí)，采用類比法并參考類似礦山巖體移動資料，同時(shí)結(jié)合礦山開采多年的巖體移動規(guī)律研究成果，根據(jù)礦巖分布狀況、地質(zhì)構(gòu)造與圍巖蝕變、采空區(qū)充填處理等情況，綜合確定的巖石移動角為：第四系覆土的移動角45°，基巖移動角75°，設(shè)計(jì)開采范圍內(nèi)最終開采深度的巖體移動范圍見圖1。

1.2 臨時(shí)保安礦柱重新圈定

三鑫金銅礦通過和科研院所合作，對膠結(jié)充填條件下充填體力學(xué)作用機(jī)理進(jìn)行了分析，并基于經(jīng)驗(yàn)公式和安全開采深度理論對三鑫金銅礦臨時(shí)保安礦柱尺寸進(jìn)行了理論計(jì)算，認(rèn)為-220 m以上近地表區(qū)域是穩(wěn)定的，可以將-220 m水平作為安全深度的上界對臨時(shí)保安礦柱進(jìn)行重新圈定。同時(shí)，礦山改擴(kuò)建初步設(shè)計(jì)中基巖移動角取75°，這一角度是根據(jù)空場采礦法開采條件下通過經(jīng)驗(yàn)類比進(jìn)行選取的，且設(shè)計(jì)的安全系數(shù)往往偏大，導(dǎo)致所圈定的保安礦柱范圍過大、壓礦量大。對于膠結(jié)充填而言，根據(jù)國內(nèi)類似條件礦山保安礦柱回采實(shí)踐，其巖移角往往為80°以上。因此，鑒于三鑫金銅礦充填質(zhì)量好，確定安全開采深度的基礎(chǔ)上，將巖移角增大至80°對臨時(shí)保安礦柱進(jìn)行重新圈定，其最終圈定結(jié)果見圖1。

2 重新圈定臨時(shí)保安礦柱釋放礦體的回采方案比選

對于重新圈定臨時(shí)保安礦柱釋放礦體的回采，在充分考慮采場參數(shù)、回采順序及安全穩(wěn)定的情況下，初步確定了盤區(qū)分段回采階段充填采礦法（方案Ⅰ）、盤區(qū)分段回采分段充填采礦法（方案Ⅱ）和盤區(qū)機(jī)械化上向分層充填采礦法（方案Ⅲ）3種采礦方法。

2.1 盤區(qū)分段回采階段充填采礦法

2.1.1 礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)

盤區(qū)分段回采階段充填采礦法標(biāo)準(zhǔn)方案見圖2。采場垂直走向布置，分為二步驟回采，一步驟、二步驟采場寬均為8～12 m，嗣后采用分級尾砂膠結(jié)充填，中段高度50 m，底部采用平底結(jié)構(gòu)，底柱高度為8～11 m，不留頂柱，分段高度13 m，沿礦體走向每隔一段距離（90～100 m）作為一個(gè)回采盤區(qū)，布置脈外溜井。每盤區(qū)布置1條人行井與下、上中段貫通，離礦體下盤邊界10～15 m布置分段平巷。采場每分段布置1條鑿巖巷，在采場端部布置切割橫巷和切割井。從中段平巷向出礦層掘進(jìn)鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)出短斜坡道。

2.1.2 采準(zhǔn)切割工程

采準(zhǔn)切割工程有短斜坡道、分段平巷、短溜井、分段聯(lián)絡(luò)道、分段鑿巖巷、分段切割橫巷、分段切割井等。

采場每分段離礦體上盤邊界一定的距離布置切割井和切割橫巷，在切割橫巷每排鉆鑿3～4個(gè)平行中深孔，以切割井為自由面，爆破形成切割立槽，在鑿巖巷布置扇形中深孔，以切割立槽為自由面爆破回采，采場底部結(jié)構(gòu)采用平底底部結(jié)構(gòu)。采準(zhǔn)切割工程量見表1。

2.1.3 回采工藝

1）落礦。采準(zhǔn)工程和切割工程施工后，在切割橫巷鉆鑿中深孔，以切割井為自由面多排爆破，形成采場切割槽。中深孔采用YZG-90型鉆機(jī)鉆鑿，炮孔排距為1.2～1.5 m，孔底距為1.7～2.0 m，以爆破立槽為自由面從礦體上盤開始后退式爆破回采，先回采上分段，保證上一分段超前下一分段2～3排炮孔。采場爆破采用BQ-100型裝藥器進(jìn)行中深孔裝藥，非電雷管毫秒微差雷管復(fù)式起爆。

2）出礦。采場采用平底底部結(jié)構(gòu)出礦，鏟運(yùn)機(jī)將采場礦石鏟運(yùn)至溜井。

2.1.4 采場通風(fēng)

采場通風(fēng)路線為：斜坡道→第一分段平巷→盤區(qū)人行井→各分段平巷→采場聯(lián)絡(luò)巷→分段鑿巖巷→采場回采空區(qū)→上中段的回風(fēng)巷。

2.1.5 采場充填

一步驟采場回采完成后，采用分級尾砂膠結(jié)充填?；疑氨?∶4的充填體充填采場下部，充填高度5～6 m，剩余部分采用灰砂比1∶8的充填體膠結(jié)充填。

二步驟采場下部采用灰砂比1∶4的分級尾砂膠結(jié)充填，充填高度5～8 m，采場上部采用分級尾砂充填。

2.1.6 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

盤區(qū)分段回采階段充填采礦法取得的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表2。

2.2 盤區(qū)分段回采分段充填采礦法

2.2.1 礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)

盤區(qū)分段回采分段充填采礦法標(biāo)準(zhǔn)方案見圖3。采場垂直走向布置，劃分為二步驟回采，一步驟、二步驟采場寬均為8～12 m，一步驟、二步驟分段空場回采后采用分級尾砂充填，中段高度50 m，采用平底結(jié)構(gòu)，底柱高度為10 m，不留頂柱，布置中段斜坡道上、下中段貫通，分段高度13 m，沿礦體走向每隔一段距離（90～100 m）作為一個(gè)回采盤區(qū)，每盤區(qū)布置1條溜井與下、上中段貫通，離礦體下盤邊界10～15 m布置分段平巷。每分段布置1條鑿巖巷，在采場端部布置切割橫巷和切割井。從中段平巷向出礦層掘進(jìn)鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)出短斜坡道。

2.2.2 采準(zhǔn)切割工程

采準(zhǔn)切割工程有斜坡道、分段平巷、盤區(qū)溜井、分段聯(lián)絡(luò)巷、分段切割井等。

采場第一分段離礦體上盤邊界一定的距離布置切割井和切割橫巷，在切割橫巷每排鉆鑿3～4個(gè)平行中深孔，以切割井為自由面，爆破形成切割立槽，在鑿巖巷布置扇形中深孔，以切割立槽為自由面爆破回采，采準(zhǔn)切割工程量見表3。

2.2.3 回采工藝

1）落礦。采場的采準(zhǔn)切割工程施工完成后，在切割橫巷鉆鑿中深孔，以切割井為自由面多排爆破，形成采場分段切割立槽。采用YZG-90型中深孔鑿巖機(jī)鉆孔，炮孔排距為1.2～1.5 m，孔底距為1.7～2.0 m。以爆破立槽為自由面從礦體上盤開始后退式爆破回采，一次爆破4～5排炮孔，分段回采完畢，進(jìn)行分段充填，充填至上一分段的底板，并留2.5 m左右的空間。在充填體平臺上進(jìn)行上一分段的中深孔鑿巖，以切割井為自由面，布置平行中深孔端部立槽，以立槽為自由面，平行中深孔多排爆破進(jìn)行分段回采。

采用BQ-100型裝藥器進(jìn)行中深孔裝藥，非電雷管毫秒微差雷管復(fù)式起爆。

2）出礦。鏟運(yùn)機(jī)在分段平巷和分段聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入采場進(jìn)行出礦，鏟裝礦石卸入盤區(qū)溜井。

2.2.4 采場通風(fēng)

采場通風(fēng)路線為：斜坡道→分段平巷→采場分段聯(lián)絡(luò)巷→采場回采工作面→采場回采空區(qū)→上一分段切割井→上中段的回風(fēng)巷。

2.2.5 采場充填

采場分段出礦完成后，進(jìn)行分段充填，第一分段下部采用灰砂比1∶4的分級尾砂膠結(jié)充填，充填5～6 m后，上部采用灰砂比1∶8～1∶10的分級尾砂膠結(jié)充填。二步驟采場下部采用膠結(jié)充填，分段充填膠面采用灰砂比1∶4的分級尾砂膠結(jié)充填，膠面層厚度0.5 m。

2.2.6 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

盤區(qū)分段回采分段充填采礦法取得的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表4。

2.3 盤區(qū)機(jī)械化上向分層充填采礦法

2.3.1 礦塊結(jié)構(gòu)參數(shù)

盤區(qū)機(jī)械化上向分層充填采礦法標(biāo)準(zhǔn)方案見圖4。采場垂直走向布置，劃分為二步驟回采，一步驟、二步驟采場寬均為8 m，中段高度50 m，底柱高度為10 m，不留頂柱。采場分段回采，分段高度13 m，沿礦體走向每隔一段距離（90～100 m）作為一個(gè)回采盤區(qū)，布置脈外溜井與上中段貫通，離礦體下盤邊界10～15 m布置分段平巷。從分段平巷開口布置采場聯(lián)絡(luò)巷，分層回采高度4 m，每分段分成3～4個(gè)分層回采。

2.3.2 采準(zhǔn)切割工程

1）主要工程有中段斜坡道、分段平巷、盤區(qū)溜井、分層聯(lián)絡(luò)巷、拉底平巷、采場充填通風(fēng)井等。采準(zhǔn)工程量見表5。

2）采場拉底。從第一分段采場聯(lián)絡(luò)巷開始拉底巷，利用拉底巷進(jìn)行擴(kuò)幫至采場邊界，形成采場拉底層，在拉底層向上回采，回采高度3～4 m，分層回采后，進(jìn)行分層充填。

2.3.3 回采工藝

1）落礦。采用淺孔回采，分層回采高度3～4 m，空頂高度2.5 m左右。

2）出礦。鏟運(yùn)機(jī)從分層聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入采場，鏟裝礦石后經(jīng)分層聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入分段平巷卸入盤區(qū)溜井。

2.3.4 采場通風(fēng)

采場通風(fēng)路線為：采場斜坡道→分層聯(lián)絡(luò)巷→回采工作面→采場充填通風(fēng)井→上段的回風(fēng)巷。

2.3.5 采場充填

采場第一分層采用灰砂比1∶4的分級尾砂膠結(jié)充填，第二分層以上采用灰砂比1∶8的分級尾砂膠結(jié)充填，膠面層采用灰砂比1∶4的分級尾砂膠結(jié)充填，膠面層高度0.5 m。

2.3.6 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

盤區(qū)機(jī)械化上向分層充填采礦法取得的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表6。

2.4 方案對比分析

對提出的3種回采方案工藝進(jìn)行對比分析，可得各回采方案的優(yōu)缺點(diǎn)，見表7。

由表7可知：方案Ⅰ較方案Ⅱ除具有生產(chǎn)能力大、安全性好的優(yōu)點(diǎn)外，還具有工藝成熟、回采成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，且為三鑫金銅礦廣泛采用的主要采礦方法;方案Ⅱ具有回采工藝較復(fù)雜、對礦體適應(yīng)性較差等缺點(diǎn);方案Ⅲ具有對礦體適應(yīng)性強(qiáng)、對保安礦柱穩(wěn)定性影響較小、采礦回采率高等優(yōu)點(diǎn)，但其回采工藝復(fù)雜、回采成本高、生產(chǎn)能力小。

考慮到方案Ⅰ工藝成熟、成本低，且安全能夠得到保障，推薦采用盤區(qū)分段回采階段充填采礦法回采臨時(shí)保安礦柱釋放的礦體。

3 工業(yè)試驗(yàn)

本次工業(yè)試驗(yàn)選擇在-570 m中段10勘探線—12勘探線T570-12-3采場進(jìn)行。-570 m中段10勘探線—12勘探線礦體形態(tài)簡單，整體呈透鏡狀。礦石為矽卡巖含銅金礦石，礦石礦物主要為黃鐵礦、黃銅礦，次為磁鐵礦、菱鐵礦，少量斑銅礦，礦石構(gòu)造以浸染狀—稀疏浸染狀構(gòu)造為主，有少量致密塊狀構(gòu)造、角礫狀構(gòu)造等。礦體頂?shù)装鍑鷰r隨礦體賦存的部位而變化。上下盤為矽卡巖或石英正長閃長玢巖化矽卡巖。矽卡巖松散破碎，穩(wěn)固性較差，不宜大面積暴露。水文地質(zhì)條件簡單。

3.1 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

T570-12-3采場垂直走向布置，采場長約40 m、寬13 m、高39 m，分段高度13 m，留底柱11 m，不留頂柱。

3.2 采準(zhǔn)切割工程布置

因?yàn)榈V體上下盤圍巖不穩(wěn)固，采準(zhǔn)切割工程布置于礦體內(nèi)（見圖5）。在分段水平沿采場長度方向布置分段鑿巖平巷，從中段水平掘進(jìn)脈內(nèi)人行通風(fēng)井、充填天井至上分段水平，天井與分段平巷連通。

T570-12-3采場縱投影見圖6。在采場中形成切割立槽。于各分段的切割槽位置掘進(jìn)垂直于分段鑿巖巷的切割平巷，從切割槽開始向上掘進(jìn)切割天井，然后在切割平巷內(nèi)鉆鑿上向中深孔，以切割天井為自由面依次分段微差爆破形成切割立槽。

3.3 回采工作

3.3.1 鑿巖爆破

中深孔采用華泰HT72型深孔機(jī)鉆鑿，孔徑76 mm，施工上向扇形孔，設(shè)計(jì)炮孔孔網(wǎng)參數(shù)見表8。

切割槽位于采場的中部，寬度4 m。切割天井位于拉槽區(qū)內(nèi)側(cè)邊角，規(guī)格為2 m×2 m（方形）。自拉槽區(qū)向兩側(cè)排開為正常排?？紤]到實(shí)際巷道斷面及施工情況，擴(kuò)井排主要采用垂直孔的形式布置;拉槽排主要采用垂直孔加扇形孔的方式布置;正常排則采用上向扇形孔布置。

3.3.2 通 風(fēng)

每次爆破后采場通風(fēng)時(shí)間一般需要12 h。通風(fēng)路線為：新鮮風(fēng)流→中段巷道→拉底水平聯(lián)絡(luò)道→裝礦平巷、天井→上中段回風(fēng)巷。

3.3.3 出 礦

采場出礦采用WJD-1.5型電動鏟運(yùn)機(jī)經(jīng)出礦巷道在各裝礦口出礦，礦石倒入采場溜井，在中段水平采用7.0 t電機(jī)車牽引1.2 m3側(cè)卸式礦車，將礦石卸入中段主溜井。

3.4 采場充填

采空區(qū)采用分級尾砂嗣后膠結(jié)充填，先采用木制擋墻或混凝土擋墻封閉采場所有通道（出礦聯(lián)絡(luò)巷，分段巷道等）;再采用灰砂比1∶6～1∶12的膠結(jié)充填料充填采空區(qū)，從上部中段水平引入充填管道充填，每個(gè)分段第一次充填高度1.5 m，隔1～2 d后進(jìn)行第二次充填，充填高度至擋墻以上0.5～1.0 m，隔1～2 d進(jìn)行第三次充填，充填高度至上分段巷道底板水平，然后進(jìn)行上分段的充填，以此類推，直到充填至上中段水平，最后進(jìn)行接頂充填。

3.5 工業(yè)試驗(yàn)效果

盤區(qū)分段回采階段充填采礦法工藝成熟、成本低，且回采安全能夠得到保障，工業(yè)試驗(yàn)取得的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（見表9）在合理區(qū)間范圍，部分指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)值。

4 結(jié) 論

1）對利用空場采礦法圈定的臨時(shí)保安礦柱進(jìn)行重新圈定，釋放礦量巨大，對于充分回收利用資源、延長礦山服務(wù)年限、提高礦山經(jīng)濟(jì)效益都具有極為重要的意義。

2）通過對3個(gè)技術(shù)方案的比較，盤區(qū)分段回采階段充填采礦法具有工藝成熟、成本低的優(yōu)點(diǎn)，且回采安全能夠得到保障，推薦采用該方法回采重新圈定保安礦柱釋放的礦體。

3）工業(yè)試驗(yàn)表明，采用盤區(qū)分段回采階段充填采礦法能夠安全、高效、低貧損回收釋放的保安礦柱，采場生產(chǎn)能力達(dá)到了200～300 t/d，為三鑫金銅礦臨時(shí)保安礦柱開采提供了整套工藝方法，并為其他礦山提供經(jīng)驗(yàn)，可供類似礦山參考。

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3978500338213