天馬山硫金礦床采空區(qū)礦柱回采工程研究與實(shí)踐

吳家平 胡永泉

(1.銅陵有色股份天馬山黃金礦業(yè)有限公司;2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

銅陵有色股份天馬山黃金礦業(yè)有限公司是原銅官山銅礦關(guān)閉破產(chǎn)后重組的礦山企業(yè)，主要開采天馬山硫金礦床。在十幾年的開采過程中，天馬山硫金礦段由于地表不允許陷落，主要采用空?qǐng)霾傻V嗣后充填采礦方法開采，但在對(duì)空區(qū)充填過程中，由于選礦后尾砂量較少，不能滿足采空區(qū)充填的需求，導(dǎo)致空區(qū)充填欠賬逐年增大。同時(shí)，礦區(qū)內(nèi)留設(shè)了大量礦柱，造成資源的浪費(fèi)，如何安全有效的回收這部分資源，對(duì)本公司緩解資源逐漸枯竭的危機(jī)形勢(shì)，有著重要的意義。

1 礦床地質(zhì)概況

天馬山礦體(礦帶)賦存于銅官山背斜的南東翼，屬高中溫?zé)嵋盒透呱榱蚪鸬V床，諸礦體大多產(chǎn)于石炭系黃龍組地層之中，局部產(chǎn)于船山組地層。總體走向北東向，走向長(zhǎng)1 700余m，傾向南東，傾向?qū)捊? 200 m。該礦床各礦體主要受地層層位控制，其次受巖層中裂隙構(gòu)造及接觸帶構(gòu)造控制，其產(chǎn)狀隨圍巖產(chǎn)狀變化而變化。礦體的形態(tài)較為簡(jiǎn)單，主要呈似層狀，其次為透鏡狀、筒狀、脈狀等。礦體分布走向大致為S—N向及NNW—SSE向，傾向大致為E及NEE方向。接觸帶礦體呈半弧形，傾向自北而南在250°～320°間。礦區(qū)在－95 m中段以上地層產(chǎn)狀較緩，礦體產(chǎn)狀亦較緩，－175 m中段以下地層產(chǎn)狀變陡，礦體產(chǎn)狀亦較陡，礦體形態(tài)簡(jiǎn)單，－95～－175 m中段之間為地層產(chǎn)狀自上而下由緩變陡地段，礦體也相對(duì)較肥大，形態(tài)偏復(fù)雜。

Ⅱ號(hào)硫金礦體呈透鏡狀、筒狀，形態(tài)較復(fù)雜，分布于4～9線，傾向北東，傾角30°～50°，產(chǎn)狀不穩(wěn)定。礦體沿走向長(zhǎng)221.5 m，沿傾向斜深平均75 m。厚度平均18.46 m。賦存標(biāo)高為+46～－73 m。

2 采空區(qū)特征

天馬山礦段采空區(qū)數(shù)量眾多，形態(tài)各異，各個(gè)中段分布不均，形成時(shí)間不一，前后有的相隔10～20 a。采空區(qū)分布在+5 m中段21個(gè)、－25 m中段15個(gè)、－55 m中段17個(gè)、－95 m中段17個(gè)、－135 m中段6個(gè)，－175 m中段9個(gè)，其中空區(qū)暴露面積最大的是－55 m中段Ⅰ采區(qū)，達(dá)4 000 m2。總的來說，－25 m中段以上礦體屬緩傾斜中厚型，空區(qū)暴露面積雖大，但高度一般較低;而－25 m中段及以下中段，采空區(qū)暴露的面積不大，但高度一般較高。2008年底井下總計(jì)采空區(qū)容積約80萬(wàn)m3，其中已充填約18萬(wàn)m3。

擬回采礦柱位于－55 m中段南部7#～9#勘探線之間的Ⅱ號(hào)礦體經(jīng)多年開采后形成的3個(gè)空區(qū)之間，空區(qū)特征見表1，平面位置見圖1，其中Ⅲ采區(qū)Ⅳ采區(qū)之間留有10 m寬的礦柱，Ⅰ采區(qū)和Ⅳ采區(qū)間為新1#礦柱，長(zhǎng)寬高尺寸分別為70 m×19 m×30 m，殘留礦石量約18萬(wàn)t。

圖1 －55 m中段南沿空區(qū)新1#礦柱平面示意

表1 －55 m中段7#～9#線南沿空區(qū)特征

3 礦柱回采方案分析

3.1 宏觀地壓調(diào)查

擬回采新1#礦柱礦石量約18萬(wàn)t，為回收該部分礦產(chǎn)資源，礦山前期加大了工作力度，對(duì)它進(jìn)行了數(shù)值模擬分析研究，確定對(duì)它的南、北兩端各回采長(zhǎng)度為20 m的礦塊，在它的中間留一個(gè)長(zhǎng)度為30 m的點(diǎn)式礦柱，讓這個(gè)點(diǎn)式礦柱替代新1#礦柱支撐采空區(qū)，待尾砂充填處理后，它將作為永久礦柱損失。

礦體上盤圍巖主要為大理巖，下盤圍巖主要為角頁(yè)巖。根據(jù)礦巖巖石力學(xué)參數(shù)及井下+5、－25、－55、－95 m等中段的地質(zhì)調(diào)查情況，礦體及頂?shù)装鍑鷰r屬中等以上的堅(jiān)硬巖石，節(jié)理裂隙絕大多數(shù)是呈閉合狀態(tài)，層間緊密結(jié)合，且無充填物，跡延伸不長(zhǎng)。硫金礦體、大理巖、閃長(zhǎng)巖和角巖的節(jié)理頻率分別為1.25、0.80、2.15和1.16條/m。采空區(qū)巖幫無滲水，底板無積水，沒有發(fā)生過大面積冒頂和垮塌的現(xiàn)象。

據(jù)此分析，本礦床的礦體及上下盤的巖體，大部分完整性都好，總體穩(wěn)定性好。

3.2 礦巖穩(wěn)定性分級(jí)

天馬山硫金礦體及頂?shù)装鍑鷰r屬中等以上的堅(jiān)硬巖石，巖體的總體質(zhì)量好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，研究采用工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB50218)對(duì)巖體進(jìn)行分級(jí)，采用定性與定量相結(jié)合的方法進(jìn)行，按分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)逐項(xiàng)進(jìn)行比對(duì)，判定巖石堅(jiān)硬程度(RC)、巖石完整性系數(shù)(KV)和巖體體積節(jié)理數(shù)(JV)。通過調(diào)查對(duì)巖體質(zhì)量分級(jí)，天馬山礦床巖體的堅(jiān)硬程度(RC)定性指標(biāo)均確定為堅(jiān)硬或較堅(jiān)硬;巖體完整程度(KV)均確定為完整或較完整;再考慮地下水狀態(tài)、初始應(yīng)力狀態(tài)和主要結(jié)構(gòu)弱面產(chǎn)狀影響，對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行修正，最終結(jié)果見表2。

根據(jù)巖體基本質(zhì)量(BQ)級(jí)別對(duì)該礦段圍巖和礦體均確定為Ⅱ級(jí)。

3.3 地壓監(jiān)測(cè)分析

－55 m中段的新1#礦柱，東西兩側(cè)都有較大的采空區(qū)，礦山已進(jìn)行長(zhǎng)期的地壓監(jiān)測(cè)。根據(jù)2006年10月—2008年4月的監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)(見表3)，位移的當(dāng)次和累計(jì)的量都很小，反映巖體的完整性和穩(wěn)定性較好。從空區(qū)周圍鉆孔應(yīng)力、應(yīng)變(見表4)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析看，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化也是微小的，反映采空區(qū)基本上沒有發(fā)生大的明顯的地壓活動(dòng)。目前，它基本上是處于穩(wěn)定的。從宏觀觀察，井下采空區(qū)范圍內(nèi)沒有發(fā)生地壓顯現(xiàn)活動(dòng)跡象?？傊煽諈^(qū)目前仍處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)中。

表2 巖體基本質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

表3 采空區(qū)地壓巖體位移監(jiān)測(cè)結(jié)果(+5 m鉆孔多點(diǎn)位移計(jì)) mm

表4 采空區(qū)鉆孔應(yīng)變監(jiān)測(cè)

3.4 礦柱回采方案模擬分析

3.4.1 礦柱回采方案

對(duì)分布在南部7～9線的新1#礦柱，為分析新1#礦柱在開挖后的巖體應(yīng)力平衡狀態(tài)、圍巖變形、移動(dòng)和破壞狀況等。采取建立三維有限元計(jì)算的地質(zhì)模型，通過數(shù)值模擬計(jì)算分析，對(duì)新1#礦柱進(jìn)行模擬計(jì)算研究。為下一步對(duì)新1#礦柱實(shí)施回采提供決策依據(jù)。新1#礦柱南北方向長(zhǎng)度70 m，東西方向?qū)?8 m，垂高約40 m左右，礦石量預(yù)計(jì)18萬(wàn)t左右，是在礦房開采過程中預(yù)留的礦柱。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及回采工程布置情況，采用在新1#礦柱的中間部位預(yù)留的點(diǎn)柱的方法，對(duì)新1#礦柱進(jìn)行回采，初步確定采用預(yù)留點(diǎn)柱20、30 m 2種方案進(jìn)行論證分析。

3.4.2 方案模擬分析結(jié)果

(1)通過模擬2種方案礦柱回采前后應(yīng)力變化的比較分析，采空區(qū)頂板變形會(huì)在20 mm以內(nèi)，點(diǎn)柱的變形會(huì)在10 mm以內(nèi);點(diǎn)柱預(yù)留20和30 m時(shí)，最大的應(yīng)力都在允許的范圍內(nèi)。

(2)從回采前后的應(yīng)力集中情況、安全系數(shù)的比較分析，預(yù)留30 m的點(diǎn)柱，其主應(yīng)力較為分散，沒有出現(xiàn)安全系數(shù)小于1的節(jié)點(diǎn)，穩(wěn)定性好;但在20 m點(diǎn)柱時(shí)，主應(yīng)力相對(duì)集中，并出現(xiàn)了安全系數(shù)小于1的節(jié)點(diǎn)。因此，在實(shí)際的回采中預(yù)留30 m的點(diǎn)柱較安全可靠。

(3)通過對(duì)新1#礦柱及其圍巖的巖石力學(xué)分析和數(shù)值模擬分析，認(rèn)為目前及其采空區(qū)圍巖處于安全承壓狀態(tài)，可在其中布置采準(zhǔn)切割工程，并且留設(shè)30 m點(diǎn)柱的情況下開采后點(diǎn)柱及采空區(qū)仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，回采后的采空區(qū)圍巖不會(huì)有較大的塌落范圍，更不會(huì)塌落至地表。

4 礦柱回采效果

2008年底制定礦柱回采計(jì)劃，進(jìn)行了相應(yīng)的單體設(shè)計(jì)，在預(yù)留30 m點(diǎn)柱南北兩側(cè)布置4個(gè)采場(chǎng)，采用分段鑿巖階段出礦，回采完畢后點(diǎn)柱作為永久損失，最終空區(qū)采用全尾砂充填。

單項(xiàng)工程于2009月1月開始施工，6月開始回采，于2010年3月回采完畢，共采出礦石8.2萬(wàn)t，有效的回收了資源，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

礦柱回采結(jié)束后，受充填料和井下采礦影響，空區(qū)暫不具備充填處理?xiàng)l件，為此繼續(xù)加強(qiáng)采空區(qū)的地壓監(jiān)測(cè)，通過1年多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，礦柱回采后空區(qū)雖有所增大，采空區(qū)依然處于相對(duì)穩(wěn)定階段。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過對(duì)采空區(qū)的地質(zhì)環(huán)境和現(xiàn)狀調(diào)查，依據(jù)地壓監(jiān)測(cè)成果，采用數(shù)值模擬分析手段，對(duì)新1#礦柱回采的方案進(jìn)行論證，在確保安全的前提下，有效提高了資源的利用率。

(2)礦柱回采工程充分利用原有采切工程，采用分段中深孔落礦，階段出礦，提高了回采速度，增加了回收工作的安全，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)礦山井下有數(shù)10個(gè)空區(qū)中留有一定數(shù)量的礦柱，其中部分礦柱礦量可以回收，新1#礦柱回收工程的順利完工，為本礦段其他空區(qū)礦柱的回采積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

［1］ 盛立新，張傳信.獅子山銅礦采空區(qū)礦柱安全回采技術(shù)與實(shí)踐［J］.金屬礦山，1999(3):15-17.

［2］ 郭金峰，張傳信.獅子山銅礦特大空區(qū)安全監(jiān)測(cè)與穩(wěn)定性研究［J］.江西有色金屬，2003(04):14-18.

［3］ 朱昌玉.采空區(qū)礦柱安全回采技術(shù)與實(shí)踐［J］.金屬礦山，2008(7):157-159.