充填體下水平礦柱開采技術研究

董凱程,吳春平,馮盼學

(北京礦冶研究總院,北京 100070)

井下殘留礦柱的開采技術條件極為復雜，是當今采礦技術的一大難題[1-3]。目前，許多礦山在回收殘礦資源時，常常因為遇到技術或經濟上的困難，而達不到預期的效果。國內外礦山針對充填體下水平礦柱開采開展了一系列研究工作，在實際生產中取得了一定的效果。鳳凰山銅礦、金川二礦區采用多種手段從對水平礦柱穩定性進行分析、監測入手，研究合理的采礦方法回采水平礦柱[4-6]。國外金屬礦山應用房柱法回采比較多，在礦柱回采方面，前蘇聯、加拿大、美國、墨西哥、日本等國采礦科技工作者開展了很多有益的工作，也取得了許多寶貴經驗。加拿大哈德孫灣礦冶公司的羅德礦采用高應力錨索支撐的圓木假頂護頂，回收頂柱，且作業環境十分安全[7]；因此，開展充填體下水平礦柱開采技術研究，解決水平礦柱開采過程中的關鍵技術問題，對于充分回收有用資源、保證經濟持續發展以及提高礦山企業經濟、社會效益均具有十分重要的意義。

1 工程概況

某銅礦1#礦體水平礦柱頂板標高為-384m，底板標高為-392m，現未進行開采。水平礦柱回采范圍從9#P至12#R，礦量約64萬t，礦石平均體重3.47t/m3，礦石含銅平均品位1.148%，含鐵平均品位41.127%。水平礦柱-384m以上礦體已開采完畢并進行充填，礦柱直接頂板為膠結充填體，灰砂比為1∶4，厚度6～10m不等，部分為上部采場遺留塹溝底部結構。-392m以下采場采用自下而上的回采順序，現礦房已回采到-392m并進行尾砂膠結充填。礦柱回采工作正在進行，其中9#P采場已上采到-396m水平，4#P至12#P已上采到-392m。

2 開采順序研究

采場穩定與礦山整體穩定性是密切相關的，開采順序是保障水平礦柱及礦山穩定的關鍵因素[8-9]。水平礦柱上部礦體已開采完畢并已進行充填，下部一步驟采場已上采至水平礦柱底板。由于水平礦柱下部一步驟采場充填難以保證充分接頂，且充填體力學性質遠遠低于礦體，因此隨著下部礦體的上采，水平礦柱應力集中現象愈加明顯[10]，開采過程中水平礦柱應力集中帶來的安全問題需要高度重視。因此水平礦柱開采過要與礦柱采取協同開采的方式，避免開采過程中由于應力集中帶來的安全隱患。

9#P到4#R水平礦柱由兩翼向中間后退式開采，礦柱采用自下而上、自兩翼向中間后退式開采的方式。先回采礦房采場上部水平礦柱，空區采用尾砂膠結充填；其次回采水平礦柱以下礦柱采場，空區采用廢石或尾砂非膠結充填；最后回采礦柱采場上部水平礦柱，也可以采取深孔—中深孔聯合采礦方式同時回采礦柱與水平礦柱。6#P到12#R礦房礦柱均已上采至水平礦柱底板，水平礦柱采取由6#P向12#R依次順序開采的方式，采空區均采用尾砂膠結充填。采用該回采順序水平礦柱與后續回采礦柱在空間上始終保持形成一個原巖實體框架結構，不留孤立水平礦柱單獨回采，有效解決水平礦柱下部充填體未充分接頂帶來的應力集中問題，有利于水平礦柱及礦區的整體穩定性。

3 采礦方法研究

3.1 上向中深孔空場嗣后充填采礦法

采場垂直礦體走向布置，寬度為15m，厚度為12m，長度為礦體厚度。采場中間布置一條鑿巖巷道，位于-392m標高。相鄰采場布置出礦聯絡道，在出礦聯絡道內布置出礦進路至回采采場。切割槽位于采場端部(或中部)，在鑿巖巷道內利用YGZ90鉆機打上向扇形中深孔，孔徑Φ60m，孔底距1.8m，排距1.4m。新鮮風流由下盤運輸巷進入鑿巖巷道，洗刷工作面后，污風經上盤回風巷排至回風井。礦石采用鏟運機由出礦進路、出礦聯絡道運至礦石溜井，爆破全部結束后利用遙控鏟運機回收采場內殘留礦石。采空區采用全尾砂膠結充填，灰砂比為1∶4。(圖1)

圖1 上向中深孔空場嗣后充填采礦法

3.2 下向深孔空場嗣后充填采礦法

采場垂直礦體走向布置，寬度為15m，厚度為8m，長度為礦體厚度。相鄰采場內布置單側出礦聯絡道，出礦聯絡道內施工出礦進路至采場。在水平礦柱上部充填體(或塹溝礦柱)內打鑿巖巷道，切割槽位于采場端部(或中部)，在鑿巖巷道內打下向扇形深孔，孔徑Φ100m，孔底距2.2m，排距2.0m。通風及出礦方式與上向中深孔空場嗣后充填采礦方法相同(圖2)。

圖2 下向深孔空場嗣后充填采礦法

3.3 上向進路充填采礦法

采場寬度為5m，分層高度為4m。回采時先回采中間進路，然后再回采兩邊進路。采場兩端各施工一條脈外混合井，高度約12m。井底標高-396m，井口標高-384m。混合井從-384m安裝人梯向下到達各個分層，回采時混合井上部作行人通風用，下部做溜礦用。作業人員從混合井進入到第一分層作業，采用手持式淺孔鑿巖機打孔，孔徑Φ36mm。爆破礦石通過電耙耙至混合井溜至-396m，由汽車運至脈外溜井。第一分層采完后進行膠結充填，充填體灰砂比為1∶4。首采分層從礦體上盤向下盤傾斜，坡度為5%左右。第二分層回采結束采用尾砂膠結充填，灰砂比為1∶4，充填體要與頂板充分接頂。采場通風主要借助壓抽結合的局部通風方式，爆破過后進入作業面前要對炮煙濃度進行檢測，防止炮煙中毒事故發生(圖3)。

4 采礦方法選擇

研究制定的三種采礦方法各有優缺點，上向中深孔控場嗣后充填采礦法和下向深孔空場嗣后充填采礦法均是利用鑿巖巷道打中深孔或者深孔落礦，鏟運機出礦采礦效率很高。缺點是：充填體表面強度相對較低鏟運機行走困難；采場尺寸較大頂板相對較難控制，頂板充填體易垮落造成貧化。采用上向進路充填法開采，采場端部施工混合井作為作業人員進入采場的通道以及溜礦井，采切工程量小，作業靈活。采場進路尺寸較小，不會發生較大的地壓活動。采用淺孔落礦，能夠很好的控制采場邊界，貧損率低。缺點是：難以應用大規模機械設備，采礦效率較低。

圖3 上向進路充填采礦法

綜合對比分析三種采礦方法的優缺點，建議水平礦柱采用上向進路充填法回采。回采過程中要合理控制采場尺寸，必要時對頂板和邊幫進行支護。采場爆破后要加強通風，防止炮煙中毒事故的發生。

5 結論與建議

通過對國內外水平礦柱開采技術研究現狀調研，對水平礦柱回采順序、采礦方法進行研究，得出的結論與建議如下：

1)水平礦柱在回采順序上與下部礦柱協同開采，水平礦柱由兩翼向中間后退式開采，礦柱采用自下而上、自兩翼向中間后退式開采的方式。

2)綜合比較三種采礦方法優缺點，建議水平礦柱采用上向進路充填采礦法回采。

3)水平礦柱開采要加強穩定性分析及地壓災害監測，掌握水平礦柱地壓活動規律，保障回采安全。

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