天馬山硫金礦床采空區礦柱回采工程研究與實踐

吳家平 胡永泉

(1.銅陵有色股份天馬山黃金礦業有限公司;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

銅陵有色股份天馬山黃金礦業有限公司是原銅官山銅礦關閉破產后重組的礦山企業，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，主要采用空場采礦嗣后充填采礦方法開采，但在對空區充填過程中，由于選礦后尾砂量較少，不能滿足采空區充填的需求，導致空區充填欠賬逐年增大。同時，礦區內留設了大量礦柱，造成資源的浪費，如何安全有效的回收這部分資源，對本公司緩解資源逐漸枯竭的危機形勢，有著重要的意義。

1 礦床地質概況

天馬山礦體(礦帶)賦存于銅官山背斜的南東翼，屬高中溫熱液型高砷硫金礦床，諸礦體大多產于石炭系黃龍組地層之中，局部產于船山組地層。總體走向北東向，走向長1 700余m，傾向南東，傾向寬近1 200 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造及接觸帶構造控制，其產狀隨圍巖產狀變化而變化。礦體的形態較為簡單，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。礦區在－95 m中段以上地層產狀較緩，礦體產狀亦較緩，－175 m中段以下地層產狀變陡，礦體產狀亦較陡，礦體形態簡單，－95～－175 m中段之間為地層產狀自上而下由緩變陡地段，礦體也相對較肥大，形態偏復雜。

Ⅱ號硫金礦體呈透鏡狀、筒狀，形態較復雜，分布于4～9線，傾向北東，傾角30°～50°，產狀不穩定。礦體沿走向長221.5 m，沿傾向斜深平均75 m。厚度平均18.46 m。賦存標高為+46～－73 m。

2 采空區特征

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

擬回采礦柱位于－55 m中段南部7#～9#勘探線之間的Ⅱ號礦體經多年開采后形成的3個空區之間，空區特征見表1，平面位置見圖1，其中Ⅲ采區Ⅳ采區之間留有10 m寬的礦柱，Ⅰ采區和Ⅳ采區間為新1#礦柱，長寬高尺寸分別為70 m×19 m×30 m，殘留礦石量約18萬t。

圖1 －55 m中段南沿空區新1#礦柱平面示意

表1 －55 m中段7#～9#線南沿空區特征

3 礦柱回采方案分析

3.1 宏觀地壓調查

擬回采新1#礦柱礦石量約18萬t，為回收該部分礦產資源，礦山前期加大了工作力度，對它進行了數值模擬分析研究，確定對它的南、北兩端各回采長度為20 m的礦塊，在它的中間留一個長度為30 m的點式礦柱，讓這個點式礦柱替代新1#礦柱支撐采空區，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巖。根據礦巖巖石力學參數及井下+5、－25、－55、－95 m等中段的地質調查情況，礦體及頂底板圍巖屬中等以上的堅硬巖石，節理裂隙絕大多數是呈閉合狀態，層間緊密結合，且無充填物，跡延伸不長。硫金礦體、大理巖、閃長巖和角巖的節理頻率分別為1.25、0.80、2.15和1.16條/m。采空區巖幫無滲水，底板無積水，沒有發生過大面積冒頂和垮塌的現象。

據此分析，本礦床的礦體及上下盤的巖體，大部分完整性都好，總體穩定性好。

3.2 礦巖穩定性分級

天馬山硫金礦體及頂底板圍巖屬中等以上的堅硬巖石，巖體的總體質量好，節理裂隙不發育，研究采用工程巖體分級標準(GB50218)對巖體進行分級，采用定性與定量相結合的方法進行，按分級標準逐項進行比對，判定巖石堅硬程度(RC)、巖石完整性系數(KV)和巖體體積節理數(JV)。通過調查對巖體質量分級，天馬山礦床巖體的堅硬程度(RC)定性指標均確定為堅硬或較堅硬;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、初始應力狀態和主要結構弱面產狀影響，對巖體基本質量指標BQ進行修正，最終結果見表2。

根據巖體基本質量(BQ)級別對該礦段圍巖和礦體均確定為Ⅱ級。

3.3 地壓監測分析

－55 m中段的新1#礦柱，東西兩側都有較大的采空區，礦山已進行長期的地壓監測。根據2006年10月—2008年4月的監測統計(見表3)，位移的當次和累計的量都很小，反映巖體的完整性和穩定性較好。從空區周圍鉆孔應力、應變(見表4)監測結果分析看，監測數據變化也是微小的，反映采空區基本上沒有發生大的明顯的地壓活動。目前，它基本上是處于穩定的。從宏觀觀察，井下采空區范圍內沒有發生地壓顯現活動跡象。總之，采空區目前仍處于相對穩定狀態中。

表2 巖體基本質量指標計算結果

表3 采空區地壓巖體位移監測結果(+5 m鉆孔多點位移計) mm

表4 采空區鉆孔應變監測

3.4 礦柱回采方案模擬分析

3.4.1 礦柱回采方案

對分布在南部7～9線的新1#礦柱，為分析新1#礦柱在開挖后的巖體應力平衡狀態、圍巖變形、移動和破壞狀況等。采取建立三維有限元計算的地質模型，通過數值模擬計算分析，對新1#礦柱進行模擬計算研究。為下一步對新1#礦柱實施回采提供決策依據。新1#礦柱南北方向長度70 m，東西方向寬18 m，垂高約40 m左右，礦石量預計18萬t左右，是在礦房開采過程中預留的礦柱。

根據現場調查及回采工程布置情況，采用在新1#礦柱的中間部位預留的點柱的方法，對新1#礦柱進行回采，初步確定采用預留點柱20、30 m 2種方案進行論證分析。

3.4.2 方案模擬分析結果

(1)通過模擬2種方案礦柱回采前后應力變化的比較分析，采空區頂板變形會在20 mm以內，點柱的變形會在10 mm以內;點柱預留20和30 m時，最大的應力都在允許的范圍內。

(2)從回采前后的應力集中情況、安全系數的比較分析，預留30 m的點柱，其主應力較為分散，沒有出現安全系數小于1的節點，穩定性好;但在20 m點柱時，主應力相對集中，并出現了安全系數小于1的節點。因此，在實際的回采中預留30 m的點柱較安全可靠。

(3)通過對新1#礦柱及其圍巖的巖石力學分析和數值模擬分析，認為目前及其采空區圍巖處于安全承壓狀態，可在其中布置采準切割工程，并且留設30 m點柱的情況下開采后點柱及采空區仍處于穩定狀態，回采后的采空區圍巖不會有較大的塌落范圍，更不會塌落至地表。

4 礦柱回采效果

2008年底制定礦柱回采計劃，進行了相應的單體設計，在預留30 m點柱南北兩側布置4個采場，采用分段鑿巖階段出礦，回采完畢后點柱作為永久損失，最終空區采用全尾砂充填。

單項工程于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t，有效的回收了資源，取得了較好的經濟效益。

礦柱回采結束后，受充填料和井下采礦影響，空區暫不具備充填處理條件，為此繼續加強采空區的地壓監測，通過1年多的監測數據分析，礦柱回采后空區雖有所增大，采空區依然處于相對穩定階段。

5 結語

(1)通過對采空區的地質環境和現狀調查，依據地壓監測成果，采用數值模擬分析手段，對新1#礦柱回采的方案進行論證，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，取得較好的經濟效益。

(3)礦山井下有數10個空區中留有一定數量的礦柱，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，為本礦段其他空區礦柱的回采積累寶貴經驗。

［1］ 盛立新，張傳信.獅子山銅礦采空區礦柱安全回采技術與實踐［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安全監測與穩定性研究［J］.江西有色金屬，2003(04):14-18.

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