特大空區礦柱群分區協同開采技術研究與應用

林衛星，周愛民，宋嘉棟，歐任澤，柳小勝

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012;2.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南長沙 410012;)

0 前言

我國金屬礦山由于受當時的礦業開發政策和開采技術的影響，遺留了大量的采空區，受采空區影響的金屬礦產資源量巨大，占到礦山資源總量的30%～35%。

礦柱成群存在，地下空區形態錯綜復雜，內部情況不明，且多層重疊、相互關聯，形成了一種復雜的三維網狀結構。傳統工藝回采這類礦體，將空區處理與礦柱回采按兩道相對獨立的工序實施，第一步處理空區，第二步回采礦柱。常規的礦柱回采工藝均為小規模作業，需要進行多次爆破作業才能完成礦柱回采。由于受一次開采和二次應力集中的影響，導致遺留礦體破碎不穩定，容易垮塌。在處理空區和多次回采作業過程中使礦柱穩定性進一步變差，因而礦柱回采過程中頻繁地發生塌陷事故，危及人員與設備安全;并且回采工藝復雜、成本高、開采效率低、規模小。如柿竹園多金屬礦與三道莊鉬礦的地下采空區達360萬m3和1800萬m3，受空區影響的礦石量達2935萬t和6200萬t。自本世紀初分別采用地下方式和露天方式開采礦柱資源以來，一直受到安全隱患困擾，生產過程中頻繁發生事故，至2006年分別發生了11次和38次重大空區塌陷事故，造成數人傷亡和設備損失，導致礦山生產效率低下，生產能力不到設計規模50%，使礦山陷入無礦可采和不能維持正常生產的局面。因此，受空區影響的礦體，其回采的安全條件極差、隱患相當大，使這類礦體成為極度難采資源，部分礦體難以開采成為呆滯資源，使我國可開采的金屬礦產資源保有量大打折扣，經濟價值超過2000億元。

因此，如何有效提高資源回收率，消除空區安全隱患，降低我國礦山生產事故率，實現復雜空區處理與高危空區條件下礦柱資源的安全高效開采是需要解決的重大技術問題。針對我國大量空區環境下礦柱資源開采條件極差、安全隱患大和開采效率低等技術瓶頸，長沙礦山研究院有限責任公司基于協同理論，開發了特大空區礦柱群立體分區協同開采技術，該技術針對空區環境下的礦柱群，根據礦柱穩定性及其工藝實施條件的相關性進行協同分區，對分區內不同狀態的多個礦柱進行協同回采，對礦柱回采和空區處理實行協同作業，使分區內多個礦柱的回采與多個空區的處理通過一次爆破作業完成，實現大規模強化開采和高效率作業。協同強化開采有效消除了空區處理、拉槽與回采作業過程中的安全隱患，具有安全、高效、大產能、低成本和充分回收礦柱資源的優勢，從根本上解決了高危礦柱的回采技術難題。

1 主要技術突破

(1)一道工序同步完成空區處理與礦柱回采的協同開采理論。協同開采理論以協同效應和協作同步為基礎，根據地下采空區及其礦柱的結構力學體系模型劃分采區，采區內按爆破阻力大小來匹配炸藥量并布置不同孔徑的混合深孔，通過立體分區深孔控制爆破技術系統，將多層地下空區處理與多層礦柱回采集中在一個步驟安全、高效、協同完成，有效消除安全隱患，保證作業安全。

(2)協同開采立體分區模型。應用數學集合、灰關聯理論和巖體結構力學，建立空區群與礦柱數值模型，以實現空區處理與礦柱回采協作同步為目標，采用優勢因素和低關聯度為界面劃分空區群與礦柱群的結構力學體系，將特大型空區群與礦柱群劃分為獨立的采區，為互相聯系互相制約的空區群與礦柱群的分區協同回采提供理論依據。

(3)混合孔徑差別抵抗線深孔控制開采技術。在回采單元內，根據采空區頂板厚度情況、爆破自由面的形態特征及炮孔抵抗線的大小來匹配爆破能量，布置不同孔徑的混合深孔，在爆破分區內采用最小爆破阻量比逐孔起爆，達到所需爆破能量和應供爆破能量的平衡，解決了不規則自由面、形狀復雜、安全條件差的空區處理與礦柱回采的技術難題。

(4)等比錯位立體分區控制回采技術。根據確定好的一次性回采區，按爆破礦體體積及所需補償空間的比例，以及爆破自由面與毫秒微差雷管排列順序的關系，再將回采區分解成補償空間和爆破自由面相對獨立的各爆區，各爆區呈三維立體錯位布置，爆破體積與補償空間相匹配，解決了進行單個礦柱回采與空區處理破壞空區群和礦柱群構成的結構力學體系而產生“多米勒”效應地壓災害問題。

(5)深孔協同開采控制爆破技術系統。采用控制爆破數字優化技術、深孔強拉槽爆破技術、深孔聚能爆破技術、多臨空面自拉槽擠壓大量崩礦技術、多向組合雙線同徑微差起爆技術、大面積逐孔控制爆破技術，解決了地下空區群與礦柱群形態復雜，爆破抵抗線差別大;地下臨空面多，不能實施擠壓爆破;一次處理多層空區，炮孔深度大，無足夠側向爆破自由;爆破規模大，爆區面積大，炮孔數量多的條件下，空區處理與礦柱回采爆破效果差的技術難題，實現深孔處理地下采空區的同時回采礦柱。

2 技術成果與工程轉化

(1)河南欒川三道莊受到多層高危地下空區的影響，露天開采期間，地下空區曾出現多次垮塌，造成人員傷亡設備損失等事故，被眾多知名專家一致認為是一座需要報廢礦山。2008年開始，采在礦山進行立體分區協同開采技術成果轉化，共處理空區264次，體積1065萬m3，回收礦柱資源2000多萬t，礦柱資源回采率達到95%以上，一次處理空區層數達5層，一次爆破最大孔深55 m，豎向一次拉槽30 m，礦山采礦規模由 5000 t/d提高到 30000 t/d。2009年中國有色金屬工業協會組織專家鑒定評價認為:整體技術達到國際先進水平，其中深孔強拉槽爆破技術、深孔切割崩落技術達國際領先水平，項目榮獲2010年湖南省科技進步一等獎。

(2)湖南柿竹園多金屬礦地下開采時留下占礦段約60%的礦柱和360多萬m3的采空區，使得礦山面臨有礦不能采，無法繼續生產經營的狀況。2004年開始進行科技攻關，并于2006年以“特大空區環境下安全開采技術研究”為專題，列入“十一五”國家科技支撐計劃課題(2006BAB02B05)。應用協同開采技術成果，2006年開始先后實施了總裝藥量為 308.8，506，821.3 t等大規模立體分區深孔控制回采爆破7次，爆破規模創世界紀錄。至2012年底崩落礦石581.5萬t，處理空區153.95萬 m3，出礦規模由66萬t/a擴大至150萬t/a，實際崩礦能力可達300萬t/a。2009年中國有色金屬工業協會組織專家鑒定評價認為:該項目成功實施了當前國內外規模最大的地下中深孔爆破，整體技術達到國際先進水平。項目榮獲2010年中國有色金屬工業協會科技進步一等獎，獲2011年湖南省科技進步二等獎，獲2012年國家安全生產科技進步三等獎。

(3)河南南泥湖鉬鎢礦在露天開采境界內存在大量空區，面積40.6萬 m2，體積426萬 m3。2009年協同開采技術成果開始在南泥湖礦應用，成功處理空區體積346.5萬 m3，回收礦柱資源236萬 t。2011年河南省科技廳組織專家鑒定評價認為:露天強化開采與空區探測及其處理同步進行技術具有創新性，整體技術達到國際先進水平，項目榮獲2013年中國有色金屬工業協會科技進步一等獎。

3 對行業技術進步與產業發展的作用

(1)我國礦山采空區規模巨大，據調查統計采空區總體積已達43217.26萬m3，并以每年2000～3000萬m3的速度遞增，采空區已成為礦山企業重要危險源之一，特大空區礦柱群分區協同開采技術可以有效消除空區安全隱患，保證作業安全，為企業安全持續穩定生產提供技術保障。

(2)國內的同類型礦產資源數量巨大，長期處于呆滯狀態，一部分甚至處于報廢狀態，特大空區礦柱群立體分區協同開采技術成果的推廣應用可以激活這些資源，有效地擴大了我國的可采金屬礦產資源儲量。

(3)特大空區礦柱群分區協同開采技術解決了我國大量空區環境下礦柱資源開采條件差、安全隱患大、開采效率低和成本高的重大技術瓶頸，消除礦山重大安全隱患，為我國巨量礦柱資源的高效開采提供了技術支撐。目前已建立了湖南柿竹園多金屬礦、河南三道莊鉬礦兩座特大空區礦柱群立體分區協同開采示范礦山，同時南泥湖鉬礦、大寶山鐵礦、東溝鉬礦等10多座大型礦山正在進行技術推廣應用，技術成果進一步的推廣應用將顯著促進我國采礦技術的進步，有效提升采礦行業的整體技術水平。

4 結論

(1)特大空區礦柱群分區協同開采技術針對空區環境下的礦柱群，根據礦柱穩定性及其工藝實施條件的相關性進行協同分區，再將分區劃分為爆區，按照作業安全、可靠和相互擠壓原則，結合分區內空區和礦柱的狀態條件，采用空間位置非線性(非連續)方法，合理調控爆區的鑿巖工藝、爆破參數、起爆順序和爆破方向，在一次回采工序中對爆區的拉槽與回采工序實施協同爆破，對分區內不同狀態的多個礦柱進行協同回采，對礦柱回采和空區處理實行協同作業，使分區內多個礦柱的回采與多個空區的處理通過一次爆破作業完成，實現大規模強化開采和高效率作業。分區協同開采有效消除了空區處理、拉槽與回采作業過程中的安全隱患，具有安全、高效、大產能、低成本和充分回收礦柱資源的優勢，從根本上解決了高危礦柱群的回采技術難題。

(2)技術成果已在柿竹園多金屬礦、三道莊鉬礦、龍宇南泥湖鉬礦、獲鉻奇銅礦、豐山銅礦、東坪金礦、香爐山鎢礦等十多座金屬礦山推廣應用，解決了礦柱群安全高效開采的技術難題;同時以柿竹園多金屬礦為依托，建成了安全、高效井下開采高危礦柱群資源的示范礦山，成為世界上最大的鎢、鉍生產基地;以洛鉬集團三道莊露天礦為依托，建成了安全、高效露天開采高危礦柱群資源的示范礦山，2012年河南欒川鉬礦區被國土資源部列為我國首批空區處理與殘礦回收示范基地及綠色礦山示范基地，目前成為亞洲最大的鉬礦生產基地。

(3)礦柱群立體分區協同開采過程中，需要有采空區精確空間形態作為基礎數據，同時還需要掌握礦柱群穩定性的變化情況，對可能發生的空區頂板巖體垮塌事件進行預測預報，以避免空區失穩災害事故的發生，保障作業的安全。為此，復雜空區高精度探測與安全監測預警技術及其裝備，尤其是裝備和軟件的國產化為下一步研究的重點。

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