復雜空區群條件下礦柱安全回收技術研究

劉 也

（錫林郭勒盟山金阿爾哈達礦業有限公司，內蒙古 錫林郭勒 026323）

金屬礦山的分布比較松散，礦山內礦體的分布不夠集中，開采時的設備分布和開采地點均具備較低的集約化水平，很多金屬礦山的開采技術落后，每個開采的步驟都有可能面臨開采時存在的安全隱患。為了開采方便，前期施工會留下很多采空區、礦柱、礦體資源。采空區之間會有會不少礦物資源的殘礦[1]。如果能夠對于這些殘礦資源加以回收，會帶來很大的利潤，但是人們意識到，殘礦資源的開采過程會很復雜，很多采礦設備沒有用武之地，殘礦開采也有一定的危險性，需要仔細研究開采可行性和實際回收技術等，再實現安全生產。

1 空區群殘礦現狀及回收前提

（1）某金屬礦開采現狀。金屬礦的開采具有一定的難度，早期的金屬礦有很多采用的是無底柱開采法，使用淺孔留礦，將整個金屬礦開采區劃分為不同的層級。一般分層采用自上而下的方法，比如5個中段分層等。這種金屬礦的采空區設計比較復雜，開采時的難度不小，而且分步驟的工期很有可能會延長開采總周期，對于中段主礦體開采帶來了難度。對于礦區開采的不同段加以控制，會發現主礦體的開采同時，還會留下大量礦柱，這些礦柱的保留主要參考實際位置和安全性需要，但是有時候會有大量高品位的礦柱和礦床遺留在開采區的采空區[2]。當采礦區的第一輪開采結束，就需要考慮礦柱的礦體回收，某金屬礦的三段中段遺留礦柱總量高達139萬t，采空區面積大約為50萬平方米。更重要的是，由于地下采空區的存在，對于地表建筑移動和地基穩定程度等也會有不同程度的影響，從而使關鍵建筑物面臨裂縫甚至移位等后續問題。

（2）殘礦回收的前提條件。金屬礦的采空區群存在復雜性，其穩定性受到很多因素的影響，開采工作人員必須要理解并考慮空區處理和礦柱回收中的綜合分析結果。每個采空區群都有特定的賦存狀態、穩固狀態等，只有符合礦柱開采技術條件的采空區群，才能夠滿足礦區后期生產的需要，并且在回收礦柱資源的時候，理解支護結構的變化規律，預測地表結構的變化情況。采空區群工作人員需要結合礦區后期生產的結果，分析采空區的礦柱的回收可能，制定相對權威的回收預判模擬模型。從而能夠使得整個回收礦柱的過程更加具有高效性，全程回收工作內容需要結合礦山現狀和當地地質條件的變化進行，使其具備可行性和高回收性。

2 空區群殘礦回收的技術指標

（1）礦床的整體特征。殘礦回收礦區的整體特征是研究回收過程的基礎，某金屬礦區北部地區礦帶21號、25號礦體是整個研究的重點區域，礦體的控制長度為500m左右，延伸深度可達300m，礦體厚度能夠達到15m～55m，平均厚度為約22m。礦區的整體厚度為中等水平，但是由于金屬礦內的鐵元素、鋅元素伴生，并有錳元素等資源，使得開采的難度加大。通過事先勘探，該金屬礦區的殘礦資源品位水平較高，鋅品位為大約8.5%，TFe的平均品位為35%。金屬殘礦的礦體性狀呈現出中部開采區域最厚實的特點，兩頭的資源分布則呈現出比較稀薄的分布特點，分支逐漸稀薄，并且能夠在傾向151°角度和傾角傾斜達到90°左右的時候，實現礦體埋藏量的富集。經過勘探和數據模擬，可以基本判斷該金屬礦的礦體埋藏標高約為889m～750m左右，這種定位可以給礦工開采殘礦給予較為精準的參考，并且能夠為開采工作提供主體工作范圍。

（2）礦區采空區群的地表特征。對于金屬礦區來說，殘礦礦柱區域的地表穩固性相對較差，由于開采工作深入腹地，給整個金屬礦的主要開采區帶來了很多空腔，所以對于開采回收人員來說是一個挑戰，如果既定的開采區域剛好是回收殘礦的區域，那么開采區的地表建筑可能會面臨地基不穩的問題。地下采礦和采空區的處理方法依托于礦區地表本身的開采現狀，如果采空區群面積非常大，那么對于地表建筑的影響也會很大，關鍵時刻甚至需要拆除部分地表建筑。開采人員常常會針對踩空區的影響范圍和程度實現實時監測，布置監測系統并實現24小時監控，監測地質狀況，并分析礦區舷窗勘查數據。經過勘探，金屬礦山的殘礦數據可以被總結為不同礦段的分礦段數據，整個礦段分為6個生產中段，中段高度約為45m，礦柱的寬度達到約15m～25m，礦房寬度和礦柱一樣[3]。勘察者觀察礦段的不同特點，發現金屬礦采場底部有殘留的碎石、土塊等，落腳困難，機器設備的放置位置不夠靈活，殘礦柱的形態也沒有定勢，樣式比較復雜，大小不一、有的采空區整體面積不大，給開采者帶來了更大的難度。反饋到地表之上，則需要進行地表建筑物群的搬遷，以保證礦柱回收后的地表穩定性不會對于地面建筑有影響。針對金屬礦采空區群的廢石處理，要求回采人員考慮礦柱寬度，考慮殘留礦柱的成分，氧化帶和其他地層的成分不同，采空區的暴露面積也會因為自然氣候的變化有一定的變化，對于二、三中段采空區面積和體積的測算提示較大，暴露面積最大可達近1000m2，對于總體暴露面積的計算，預計可以達到18121m2，體積也提升至48653m3左右，據勘探數據進行采空區礦柱群及整體結構的模型模擬，可以得到面積統計的實際圖形，并且實現動態的數據測算結果。具體如圖所示。

圖1 采空區實體模型

根據上圖可以得知，金屬礦礦區的地表平緩，礦區內的建筑已經都拆遷完成，對于礦柱采空區的影響不大，實現探礦井周邊的分步驟開采，能夠應對采空區開采需求，并且利用采空區上方的穩定地形實現礦區精粉的快速運輸，建構運輸主通道路徑，提升回收開采的整體效率。

3 空區群殘礦回收的技術方案

通過確定金屬礦礦區的采空區空腔形態，回收工序應當采取更容易抑制采空區跨落的方式，一方面達到對于地表設施的保護，使得探礦井和豎井等能夠穩固，并且利用支護手段，結合模擬探測手段，大程度地回收殘礦資源。在對于礦山的實際情況進行勘探和處理后，利用采空區的處理技術條件，使用支護和充填相結合的方式，能夠為采空區提供更好的回收開采條件。回收人員通過計算礦區內殘留的礦柱距離和大致提及，確定采場的中間礦柱和頂礦柱，從而計算礦石總量。為了能夠使得殘礦資源的總量中80%的余量不被浪費，首先了解礦體資源留存寬度，實際勘測結果顯示寬度為平均15m左右。

綜合礦區實際采空區現狀，制定回采處理方案，利用礦區內礦柱回收，對于不同的礦柱采用類似方案，同時為了保證回收礦柱的可行性，對于差異教大的礦柱要實行分層開采的方式[4]。對于前部區域的礦柱可以采用中深孔鑿巖空場嗣后充填法，這種回采方案中結合了礦區原本的建筑物支撐，采用尾砂進行填充，保證地表建筑和地下環境的穩定性，然后采用上、下向中深度孔隙漸進的方式，使用空場嗣后充填法充填，回收區域更加穩固，回采工作也能夠順利進行。而對于金屬礦區的后半部空區則要考慮充填空間太大，該部分采空區空腔比較肥大，考慮使用爆破補償空間的方式，建立可回采區域的整體崩落嗣后充填法，該回采方案杜絕了地表塌陷的危險，而且能夠利用探礦井下的關鍵位置進行踩空區的充填，礦區中整個中部采空區都可以采用這種充填方式，所有的深孔爆破補償空間均具備相同的條件，區域性的整體崩落嗣后充填具有回采向柱的特性，可以在不發生較大位移的前提下進行實地回采工作。如下圖所示。

圖2 階段空場嗣后充填法

采空區充填和礦柱回收應順應采空區方向，采用由西向東或者由下至上的方式，充填過程應該避免充填逆向導致坍塌的情況。

4 結論

綜上所述，對于礦區地表情況的勘查，結合地下采空區與的模擬空間指數，可以判斷使用尾砂充填法和爆破充填法的可行性，對于空場嗣后充填法的使用，可以使得金屬礦回收礦柱的總體技術方案更加具有可行性。考慮各個開采階段的地表監測，實現分析比較和數據測算，對于不同的圍巖硬度和覆巖厚度加以測量，最終能夠減少礦柱回收中的沉降值。結合關鍵部位預留原巖礦柱的方法，保證地表和采空區的穩定性，為回收礦柱和運輸精粉找到安全的生產環境。