天馬山硫金礦床采空區(qū)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(yè)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(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，主要采用空場采礦嗣后充填采礦方法開采，但在對空區(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，導致空區(qū)充填欠賬逐年增大。同時，礦區(qū)內(nèi)留設(shè)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(zhì)概況

天馬山礦體(礦帶)賦存于銅官山背斜的南東翼，屬高中溫熱液型高砷硫金礦床，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，礦體也相對較肥大，形態(tài)偏復雜。

Ⅱ號硫金礦體呈透鏡狀、筒狀，形態(tài)較復雜，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(qū)特征

天馬山礦段采空區(qū)數(shù)量眾多，形態(tài)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(qū)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(qū)暴露面積最大的是－55 m中段Ⅰ采區(qū)，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(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年底井下總計采空區(qū)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(jīng)多年開采后形成的3個空區(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(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t，為回收該部分礦產(chǎn)資源，礦山前期加大了工作力度，對它進行了數(shù)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(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巖。根據(jù)礦巖巖石力學參數(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。硫金礦體、大理巖、閃長巖和角巖的節(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

天馬山硫金礦體及頂?shù)装鍑鷰r屬中等以上的堅硬巖石，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標準(GB50218)對巖體進行分級，采用定性與定量相結(jié)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(shù)(KV)和巖體體積節(jié)理數(shù)(JV)。通過調(diào)查對巖體質(zhì)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(tài)、初始應力狀態(tài)和主要結(jié)構(gòu)弱面產(chǎn)狀影響，對巖體基本質(zhì)量指標BQ進行修正，最終結(jié)果見表2。

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

3.3 地壓監(jiān)測分析

－55 m中段的新1#礦柱，東西兩側(cè)都有較大的采空區(qū)，礦山已進行長期的地壓監(jiān)測。根據(jù)2006年10月—2008年4月的監(jiān)測統(tǒng)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(wěn)定性較好。從空區(qū)周圍鉆孔應力、應變(見表4)監(jiān)測結(jié)果分析看，監(jiān)測數(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。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)活動跡象。總之，采空區(qū)目前仍處于相對穩(wěn)定狀態(tài)中。

表2 巖體基本質(zhì)量指標計算結(jié)果

表3 采空區(qū)地壓巖體位移監(jiān)測結(jié)果(+5 m鉆孔多點位移計) mm

表4 采空區(qū)鉆孔應變監(jiān)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(tài)、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(zhì)模型，通過數(shù)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(jù)。新1#礦柱南北方向長度70 m，東西方向?qū)?8 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(jù)現(xiàn)場調(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(jié)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(qū)頂板變形會在20 mm以內(nèi)，點柱的變形會在10 mm以內(nèi);點柱預留20和30 m時，最大的應力都在允許的范圍內(nèi)。

(2)從回采前后的應力集中情況、安全系數(shù)的比較分析，預留30 m的點柱，其主應力較為分散，沒有出現(xiàn)安全系數(shù)小于1的節(jié)點，穩(wěn)定性好;但在20 m點柱時，主應力相對集中，并出現(xiàn)了安全系數(shù)小于1的節(jié)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(shù)值模擬分析，認為目前及其采空區(qū)圍巖處于安全承壓狀態(tài)，可在其中布置采準切割工程，并且留設(shè)30 m點柱的情況下開采后點柱及采空區(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(shè)計，在預留30 m點柱南北兩側(cè)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(qū)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(jīng)濟效益。

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

5 結(jié)語

(1)通過對采空區(qū)的地質(zhì)環(huán)境和現(xiàn)狀調(diào)查，依據(jù)地壓監(jiān)測成果，采用數(shù)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(jīng)濟效益。

(3)礦山井下有數(shù)10個空區(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。

［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)與實踐［J］.金屬礦山，2008(7):157-159.