三鑫金銅礦臨時保安礦柱回采方法選擇與應用

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保安礦柱釋放的礦體，在充分考慮采場參數、回采順序及安全穩定的情況下，初步選擇了盤區分段回采階段充填采礦法、盤區分段回采分段充填采礦法和盤區機械化上向分層充填采礦法3種采礦方法。在綜合比較3種采礦方法的生產能力、安全性和經濟等因素后，確定盤區分段回采階段充填采礦法為最優方案。該方案具有工藝成熟、成本低的優點，且能夠保障安全。工業試驗表明：采用盤區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，采場生產能力達到了200～300 t/d。

關鍵詞：保安礦柱;重新圈定;盤區;分段;階段;充填采礦法

中圖分類號：TD853.34

文獻標志碼：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為各種原因而留下大量的礦柱，其中為了保護地表建（構）筑物、河流和湖泊及井巷工程，礦山一般需要留設一定量的保安礦柱，這些保安礦柱往往會造成大量礦產資源的損失和浪費。在南非，開采深度超過2 500 m的豎井不允許留設保安礦柱[1]。近年來，隨著地下采礦技術尤其是充填采礦技術的日臻成熟，部分地質條件復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、價值高、開采條件復雜、地表不允許沉陷和巖層移動的多金屬礦山企業，經過多次技改擴建，生產能力從原來的250 t/d提高到3 000 t/d，整個開拓系統經歷了4次變革。由于地表工業場地建設位置的限制和原地質工作的不連續性，導致現有工業場地出現了壓礦現象，其中根據原勘探地質報告[6]，礦山老主井設計在開采巖石移動界線以外，但最新勘探資料顯示，該井實際已處在開采巖石移動界線以內。雖然礦體均采用膠結充填采礦法開采，對圍巖穩定性的影響不大，但為確保老主井和新主井的安全，設計保留了臨時保安礦柱，臨時保安礦柱必須待所有其他礦體回采完畢后，再視具體情況，進行專題研究，并根據研究結果，采取特殊措施，方可回采。

在保證礦山安全生產的前提條件下，有序回收臨時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年限、提高礦山經濟效益都具有極為重要的意義。

1 臨時保安礦柱概況

1.1 臨時保安礦柱初步設計

在初步設計[7]時，采用類比法并參考類似礦山巖體移動資料，同時結合礦山開采多年的巖體移動規律研究成果，根據礦巖分布狀況、地質構造與圍巖蝕變、采空區充填處理等情況，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°，設計開采范圍內最終開采深度的巖體移動范圍見圖1。

1.2 臨時保安礦柱重新圈定

三鑫金銅礦通過和科研院所合作，對膠結充填條件下充填體力學作用機理進行了分析，并基于經驗公式和安全開采深度理論對三鑫金銅礦臨時保安礦柱尺寸進行了理論計算，認為-220 m以上近地表區域是穩定的，可以將-220 m水平作為安全深度的上界對臨時保安礦柱進行重新圈定。同時，礦山改擴建初步設計中基巖移動角取75°，這一角度是根據空場采礦法開采條件下通過經驗類比進行選取的，且設計的安全系數往往偏大，導致所圈定的保安礦柱范圍過大、壓礦量大。對于膠結充填而言，根據國內類似條件礦山保安礦柱回采實踐，其巖移角往往為80°以上。因此，鑒于三鑫金銅礦充填質量好，確定安全開采深度的基礎上，將巖移角增大至80°對臨時保安礦柱進行重新圈定，其最終圈定結果見圖1。

2 重新圈定臨時保安礦柱釋放礦體的回采方案比選

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

2.1 盤區分段回采階段充填采礦法

2.1.1 礦塊結構參數

盤區分段回采階段充填采礦法標準方案見圖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充填，中段高度50 m，底部采用平底結構，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）作為一個回采盤區，布置脈外溜井。每盤區布置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鏟運機進出短斜坡道。

2.1.2 采準切割工程

采準切割工程有短斜坡道、分段平巷、短溜井、分段聯絡道、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，采場底部結構采用平底底部結構。采準切割工程量見表1。

2.1.3 回采工藝

1）落礦。采準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型裝藥器進行中深孔裝藥，非電雷管毫秒微差雷管復式起爆。

2）出礦。采場采用平底底部結構出礦，鏟運機將采場礦石鏟運至溜井。

2.1.4 采場通風

采場通風路線為：斜坡道→第一分段平巷→盤區人行井→各分段平巷→采場聯絡巷→分段鑿巖巷→采場回采空區→上中段的回風巷。

2.1.5 采場充填

一步驟采場回采完成后，采用分級尾砂膠結充填。灰砂比1∶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的充填體膠結充填。

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

2.1.6 主要技術經濟指標

盤區分段回采階段充填采礦法取得的主要技術經濟指標見表2。

2.2 盤區分段回采分段充填采礦法

2.2.1 礦塊結構參數

盤區分段回采分段充填采礦法標準方案見圖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，采用平底結構，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）作為一個回采盤區，每盤區布置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鏟運機進出短斜坡道。

2.2.2 采準切割工程

采準切割工程有斜坡道、分段平巷、盤區溜井、分段聯絡巷、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，采準切割工程量見表3。

2.2.3 回采工藝

1）落礦。采場的采準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行分段回采。

采用BQ-100型裝藥器進行中深孔裝藥，非電雷管毫秒微差雷管復式起爆。

2）出礦。鏟運機在分段平巷和分段聯絡巷進入采場進行出礦，鏟裝礦石卸入盤區溜井。

2.2.4 采場通風

采場通風路線為：斜坡道→分段平巷→采場分段聯絡巷→采場回采工作面→采場回采空區→上一分段切割井→上中段的回風巷。

2.2.5 采場充填

采場分段出礦完成后，進行分段充填，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的分級尾砂膠結充填。二步驟采場下部采用膠結充填，分段充填膠面采用灰砂比1∶4的分級尾砂膠結充填，膠面層厚度0.5 m。

2.2.6 主要技術經濟指標

盤區分段回采分段充填采礦法取得的主要技術經濟指標見表4。

2.3 盤區機械化上向分層充填采礦法

2.3.1 礦塊結構參數

盤區機械化上向分層充填采礦法標準方案見圖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）作為一個回采盤區，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絡巷，分層回采高度4 m，每分段分成3～4個分層回采。

2.3.2 采準切割工程

1）主要工程有中段斜坡道、分段平巷、盤區溜井、分層聯絡巷、拉底平巷、采場充填通風井等。采準工程量見表5。

2）采場拉底。從第一分段采場聯絡巷開始拉底巷，利用拉底巷進行擴幫至采場邊界，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。鏟運機從分層聯絡巷進入采場，鏟裝礦石后經分層聯絡巷進入分段平巷卸入盤區溜井。

2.3.4 采場通風

采場通風路線為：采場斜坡道→分層聯絡巷→回采工作面→采場充填通風井→上段的回風巷。

2.3.5 采場充填

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

2.3.6 主要技術經濟指標

盤區機械化上向分層充填采礦法取得的主要技術經濟指標見表6。

2.4 方案對比分析

對提出的3種回采方案工藝進行對比分析，可得各回采方案的優缺點，見表7。

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

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

3 工業試驗

本次工業試驗選擇在-570 m中段10勘探線—12勘探線T570-12-3采場進行。-570 m中段10勘探線—12勘探線礦體形態簡單，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，礦石構造以浸染狀—稀疏浸染狀構造為主，有少量致密塊狀構造、角礫狀構造等。礦體頂底板圍巖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，穩固性較差，不宜大面積暴露。水文地質條件簡單。

3.1 采場結構參數

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 采準切割工程布置

因為礦體上下盤圍巖不穩固，采準切割工程布置于礦體內（見圖5）。在分段水平沿采場長度方向布置分段鑿巖平巷，從中段水平掘進脈內人行通風井、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垂直于分段鑿巖巷的切割平巷，從切割槽開始向上掘進切割天井，然后在切割平巷內鉆鑿上向中深孔，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型深孔機鉆鑿，孔徑76 mm，施工上向扇形孔，設計炮孔孔網參數見表8。

切割槽位于采場的中部，寬度4 m。切割天井位于拉槽區內側邊角，規格為2 m×2 m（方形）。自拉槽區向兩側排開為正常排。考慮到實際巷道斷面及施工情況，擴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

每次爆破后采場通風時間一般需要12 h。通風路線為：新鮮風流→中段巷道→拉底水平聯絡道→裝礦平巷、天井→上中段回風巷。

3.3.3 出 礦

采場出礦采用WJD-1.5型電動鏟運機經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電機車牽引1.2 m3側卸式礦車，將礦石卸入中段主溜井。

3.4 采場充填

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

3.5 工業試驗效果

盤區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，工業試驗取得的主要技術經濟指標（見表9）在合理區間范圍，部分指標優于設計值。

4 結 論

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

2）通過對3個技術方案的比較，盤區分段回采階段充填采礦法具有工藝成熟、成本低的優點，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）工業試驗表明，采用盤區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，采場生產能力達到了200～300 t/d，為三鑫金銅礦臨時保安礦柱開采提供了整套工藝方法，并為其他礦山提供經驗，可供類似礦山參考。

[參 考 文 獻]

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