呷村銀多金屬礦復雜空區礦房礦柱回采方案優選研究

孫 健，周延鋒，鄭良忠

(四川鑫源礦業有限責任公司，四川 甘孜 627150)

空場采礦法，因其采礦成本低、基建時間短、空區處理簡單等特點，在我國采礦裝備相對落后、礦山采礦規模較低的時期得到了廣泛推廣和應用。該采礦方法的出發點是依靠礦石、圍巖自身的穩固性和礦柱來維護采空區[1]，待礦房回采結束后，再有計劃地回采礦柱(或不回采)、處理空區。截至目前，空場采礦法依舊是環境偏遠、產能不大的中小型地下礦山的主流采礦方法，在全國地下礦山開采中占有相當大的比例。

但空場采礦法在實施過程中，因礦山過分追求時效，礦柱回采、空區處理滯后等現象屢現不止，隨著時間推移，該類礦山將會逐漸暴露出以下問題：①礦柱大量積壓，開拓礦量中占比較高，三級礦量失衡[2]；②空區以永久礦柱支撐和封閉隔絕方法為主，高品位礦柱礦量損失嚴重；③地壓情況及舊有巷道工程發生變形，新掘巷道或充填回采，成本增高；④礦柱回采以深孔崩落方式為主，經濟指標較差。

因此，為提高礦柱回采經濟效益，礦柱回采及空區處理工作應該得到使用空場采礦法的礦山的高度重視，提早進行礦柱回采、空區處理規劃，選擇合理方案和措施，既是取得良好經濟效益的保證，也是有效解決礦柱回采、空區處理滯后問題的手段。

1 基本要求及方法分類

1.1 礦房礦柱回采的基本要求

1) 統一性要求。一般來說，礦柱回采的工藝設計及選擇不可避免地會受到空區安全性問題的影響；反之，無論采取何種方式方法處理礦房采空區，都會同時受到礦柱回采工藝需求的影響。因此，礦柱回采和空區處理工藝設計和選擇應是相互統一、不可拆分、同時進行的。

2) 及時性要求。及時進行礦柱回采和空區處理，可以有效控制地壓，消除隱患，有利于降低巷道維護費用，縮短采掘作業線，便于集中管理，提高工程利用率，避免不必要的重復采切工作，從而提高設備的利用率[3]。

3) 合理性要求。礦柱回采和空區處理的技術條件要比礦房回采復雜和困難，而回采技術經濟指標一般低于礦房回采[3]。所以，應在資源利用、安全、經濟效益、礦山規劃等方面對礦柱回采進行全面的正確的技術經濟分析的基礎上，選取適宜的回采方案。

1.2 礦房礦柱回采方法分類及特點

按照礦房礦柱回采過程中空區處理方式，其回采方法可以分為：充填礦房礦柱回采和敞空礦房礦柱回采[4]。兩種回采方法主要特點如下所述。

1) 充填礦房礦柱回采。采用干式、尾砂膠結等充填方式先于礦柱回采進行采空區處理，在空區處理完成后，再利用空場法、充填法進行礦柱回采。該采礦法適應性較強，回采方式靈活多樣，回采技術指標較高，但因其采礦成本較高，所以多用于回采貴重或高品位礦石。

2) 敞空礦房礦柱回采。一般采用充分利用礦房空區作為自由面，進行深孔爆破回采，并在底部進行出礦結構布置，其深孔布孔方式靈活，有水平深孔、垂直深孔等多種布置方式，工藝簡單，回采強度和效率較高，成本較低，但在礦石價值和品位較高或需地表保護時不宜采用。敞空礦房礦柱回采后，空區面積較大，為保證安全，一般要留設一定厚度礦石墊層或采取其他措施形成覆蓋巖層。

2 礦區開采技術條件

2.1 礦區概況

呷村銀多金屬礦地處川西高原，礦區平均海拔4 000 m以上，早期采用淺孔留礦法、分段礦房法作為主要的采礦方法[5]。經過前期開采，4 100 m中段以上殘留有大量的礦房(空區)和礦柱。2017年以后，該礦山充填系統建設完成，礦山逐步推廣上向水平充填采礦法和兩步驟充填采礦法，淺孔留礦法、分段礦房法使用比例逐漸降低，但礦山上部礦房礦柱回采工作相對進展較慢。

2.2 原設計資料交底

本次礦山礦房礦柱回采設計礦柱主要為原4206礦房礦柱。該礦房回采礦體為勘探線2線～4線之間的鉛鋅PZ3礦體，屬急傾斜厚礦體，礦體整體呈近南北走向，2線最為厚大，向4線呈尖滅趨勢，礦體整體較為規整，上下盤圍巖均比較穩固，適宜工程布置和施工。

礦房采用雙排斗+電耙出礦底部結構的淺孔留礦法進行開采，設計礦房長度60 m，高度60 m，間柱寬10 m，頂柱高10 m，底柱高度12 m。電耙道標高4 106 m，拉底層標高4 112 m，漏斗間距8 m。

2.3 開采技術條件

2.3.1 礦房開采及空區情況

目前，4206礦房回采完畢，以空區形態存在。該礦房回采時，由于技術條件有限，采場回采寬度只有11 m左右(在采場頂部平均寬度只有6 m左右)，在采場上盤還有11 m左右的礦體未回采，采場回采長度只有37 m，在2線、4線留有大量的間柱未回采，回采高度上北高南低(其北端已回采至4 158 m標高，而南端回采標高基本在4 145 m)。

2.3.2 區域周邊情況及影響

4206采場上部為4 160 m中段的3205礦房空區，該礦房空區與露天坑連通，并已堆滿廢石(廢石堆積標高在4 215 m)；下部為4 050 m中段的52306采場，52306采場為上向水平分層充填法采場，現回采至4 065 m標高；4206采場上盤、下盤無相鄰采場；北側為42306采場，該采場正在采用無底柱分段崩落法進行回采(分段斜坡道可以利用)；南側為4207采場，該采場以前采用崩落法對頂柱進行過放頂處理，現已與露天坑貫通，露天廢石已充入該采場(圖1)。

2.3.3 工程布置

目前，4206采場上盤4 160 m水平已施工完成一條鑿巖沿脈及切割橫巷，計劃用于礦房頂部礦柱回收或空區處理使用。此外，4206底柱回收工程(平底結構改造)亦正在施工。

2.3.4 礦房礦柱分布及回采礦柱情況

按照礦柱功能及位置進行劃分，4206礦房空區周邊主要礦柱有：上盤掛幫保安礦柱、礦房頂底柱、2線和4線隔離間柱，礦柱區域及礦量統計情況見表1。

其中，4206礦房底柱(平底結構)回采方案以及4206礦房上部的3205礦房2線間柱(圖1(b))已經確定，所以本次礦房礦柱回采設計主要針對4206礦房空區，包括有：4206空區上盤掛幫保安礦柱(4 130 m水平以上)、4206礦房2線與4207礦房2線間柱(4 130 m水平以上)、3205礦房底柱及4206礦房頂柱。

圖1 礦房(空區)礦柱分布情況Fig.1 Distribution of pillars around stope(goaf)

表1 回采礦房礦柱編號及礦量統計Table 1 Pillar number and quantity statistics of stopping

3 回采方案研究

3.1 充填回采方案

充填回采方案，要求先對空區進行充填后，再進行礦柱回采工作。目前，呷村銀多金屬礦干式充填和尾砂膠結充填能力均已具備[6]。其干式充填采礦法常配合崩落法進行使用(方案二)，本次充填回采方案為提高各項回收指標并一次性解決礦柱回采后形成新的空區問題，空區充填和礦柱回采均采用尾砂膠結充填方案(圖2)。

圖2 充填回采方案2N線剖面圖Fig.2 Section map of 2N line of filling mining scheme

3.1.1 采切布置

本次礦柱設計，4206礦房上盤掛幫礦柱、2線間柱均采用上向水平分層充填采礦法進行回采，4206礦房部分頂柱及上部3205礦房底柱采用進路式間隔充填采礦回采。

為實現充填回采方案，需利用4206礦房北側42306礦房分段斜坡道工程，在上盤新掘進4146分段、4126分段工程，采切工程布置及工程量見表2。

表2 充填回采方案采切工程統計Table 2 Statistics of cutting engineering for filling mining scheme

3.1.2 回采工藝

1) 充填強度相關要求：①空區充填：電耙道底板11 m以上充填體60 d強度≥4～5 MPa；中部充填體60 d強度≥1 MPa；上充填體60 d強度≥1.5 MPa；②分層充填：充填高度3 m，下部2.5 m采用低強度充填料，上部高強度充填料澆面≥0.5 m，充填體3 d強度≥0.5 MPa；③進路式充填：超前回采進路，充填體強度應≥1 MPa，滯后回采進路，充填強度≥0.3 MPa。

2) 炮孔布置：淺采壓頂，炮孔小于4 m。

3) 設備要求：采用YT-28淺孔鉆機鑿巖，鉆孔孔徑為40 mm。

4) 出礦方式：將4206礦房2線人行井改造為溜井(鋼井壁)，各分段自性倒運該井進行出礦，采場出礦最大運距為60 m。

5) 施工順序：①按照充填強度要求，對4206空區進行充填保證礦柱回采空區安全穩定；②自4126分段4119分層依次進行上采。

3.2 分段崩落回采方案

分段崩落回采方案，需要利用上部露天坑廢石建立爆破覆蓋層，并以空區廢石層作為爆破自由面方向，進行爆破，即將敞空礦房變為充填(干式)礦房，保證空區上盤安全后進行礦柱回采(圖3)。礦柱回采時，空區即刻被上部露天坑廢石填滿，無需再次進行處理[7]。

圖3 分段崩落回采方案2N線剖面圖Fig.3 Section map of 2N line of sublevel caving mining scheme

3.2.1 采切布置

同樣利用4線42306礦房分段斜坡道工程，從4 152 m分段、4 139 m分段、4 122 m分段向南掘進分段工程，工程布置與無底柱分段礦房類似，但2線間柱內需另外布置切割橫巷，工程布置及工程量見表3。

3.2.2 回采工藝

1) 炮孔布置：4 160 m鑿巖巷內炮孔排面平行切割橫巷，呈側向扇形布置，切割橫巷(2N線)內利用深孔一次成井技術，直接形成切割天井；4 152 m、4 139 m、4 122 m各分段內與無底柱分段崩落法基本一致，分段內炮孔排面垂直鑿巖巷，呈上向扇形布置。

2) 設備要求：采用YGZ-90型中深孔鉆機鑿巖，鉆孔孔徑為60 mm。

3) 出礦方式：各分段自行倒運礦石至42306礦房4線溜井進行出礦，分段內最大運距為114 m。

4) 爆破順序及要求：①爆破回收3205底柱及4206頂柱，使得4206空區被地表露天坑地表廢石充填滿，以便為4 152 m、4 139 m、4 122 m各分段爆破創造廢石擠壓層；②自4152分段最上分段依次退采，上一分段爆破排數超出下一分段2～3排。

3.3 大爆破回采方案

大爆破回采方案，即敞空礦房礦柱回采方案，是礦山極為常用的礦柱回采方案，需對空區是否滿足爆破礦量松散系統進行計算。爆破后，露天坑與4206采空區貫通，露天坑廢石層積壓在礦石層上部，隨著下部出礦露天坑廢石填滿空區，也無需再次進行空區處理(圖4)。

表3 分段崩落回采方案采切工程統計Table 3 Statistics of cutting engineering for sublevel caving mining scheme

圖4 大爆破回采方案2N線剖面圖Fig.4 Section map of 2N line of major blasting mining scheme

3.3.1 采切布置

在利用4 160 m原有鑿巖巷及切割橫巷的基礎上，大爆破回采方案僅需要進行上盤掛幫礦、2線間柱下行平行垂直深孔鑿巖硐室的施工，鑿巖硐室施工時，每隔8 m留設一個點柱，點柱規格：3 m×3.5 m、7 m×2.5 m(表4)。

表4 大爆破回采方案采切工程統計Table 4 Statistics of cutting engineering for major blasting mining scheme

3.3.2 回采工藝

1) 炮孔布置：4 160 m中段切割橫巷內利用深孔一次成井技術，直接形成切割天井，3205底柱及4206頂柱，鑿巖沿脈內炮孔排面平行切割糟，呈側向扇形布置[8]；上盤掛幫礦、2線間柱，采用下向平行垂直深孔布置。

2) 出礦方式：利用4206底柱回收工程平底結構以及4 100 m中段2線穿脈，在底部進行出礦[9]。

3) 設備要求：采用QZJ-100B型潛孔鉆機(需購買)鑿巖，鉆孔孔徑為100 mm。

4) 爆破順序及要求：①一次性爆破，孔外延時爆破；②上盤掛幫礦柱→2線間柱→4206頂柱及3205底柱。

4 方案優選

4.1 技術比較分析

各采礦方案技術指標和優缺點對比見表5。由表5可知，三個方案都是技術可行的方案，并各有優缺點，其中方案一，充填回采方案的貧化損失最低，但采切工程最高，工程工期最長，采礦成本較高；方案三，大爆破回采方案的采切工程量最小，采礦成本最低，但礦石損失貧化率最高，勞動強度較大，潛孔鉆機需要另外購買；方案二，分段崩落法回采方案，損失貧化率、采礦效率等指標居中，采切工程量較少，是相對較好的技術方案。

表5 技術比較表Table 5 Technical comparison table

4.2 礦山合理性要求分析

確定礦房礦柱回采方案時，還需結合基本要求中的合理性要求，結合經濟效益、礦山規劃等方面情況進一步進行確定。

1) 生產成本要求。呷村銀多金屬礦，地處川西高原地區，材料價格普遍較高，尾砂膠結充填成本單價在60元/t以上。方案一，需對4206礦房空區進行尾砂膠結充填，按照目前礦石市場價格過對礦石經濟品位經進行計算，其接近該方案出礦品位，創造的經濟效益在三種方案中最低。

2) 生產規劃要求。方案二與方案三雖均能滿足礦山生產成本要求，但方案二分段采切工程位于空區上盤，與空區較近，巷道掘進過程中不可預見因素較多，礦柱回采工程整體周期較長，鏟運設備將會長期征用，這與礦山要求提早實現上部中段閉坑，減少分散的采掘作業面規劃相違背。因此，最終選取方案三為礦山實際施工方案。

5 結 論

1) 礦房礦柱回采與空區處理具有統一性、及時性、合理性要求[10]，進行方案設計時，要充分考慮礦房空區與礦柱回采之間的相互關系，最終才能實現礦柱安全高效回采和空區處理。

2) 針對4206礦房礦柱，提出了3種較為合理的回采方案，其中，方案一、方案二分別屬于充填礦房礦柱回采中尾砂膠結充填礦柱回采法和干式充填礦柱回采方法，方案三屬于敞空礦房礦柱回采法。

3) 在確定礦柱回采與空區處理方案時，必須經過較為精細的技術、經濟和礦山適應性對比。在呷村銀多金屬礦，大爆破回采方案可能較為合適，在其他地區，充填回采方案會因充填材料、充填成本的降低而成為首選方案，而在不要求時效性時，分段崩落回采方案亦可能成為最終的回采方案。