過渡期采空區充填優化與承壓礦柱協同開采技術應用

何曉武，韋 峰，毛建華

（1.廣西華錫礦業公司銅坑礦業分公司，廣西河池 547207；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南長沙 410012）

錫多金屬礦是國家戰略資源，由于歷史原因造成前期開發過度，許多礦山空區處理滯后，資源消耗過快，余下資源顯得非常寶貴。鑒于我國現階段礦山實際情況，只有在安全環保的前提下，進行資源高效回收和綜合利用，才能實現可持續發展。尤其在有中國“錫都”之稱的廣西大廠礦區，因多年開采環境影響，復雜采空區治理與承壓礦柱安全回采是資源全面回收與實現礦山穩定發展的技術關鍵。其中，作為銅坑礦主要生產資源的92號礦體，為緩傾斜特別厚大的錫鉛鋅等多金屬礦，已開采20余年，目前保留的礦柱礦石資源達千多萬噸。由于前期采用“組合式崩落法”進行大規模開采，形成復雜的采空區，其中部分與上部91號礦體及細脈帶礦體采區連通，崩落至地表，形成較大范圍塌陷坑。由于前期采空區地壓活動，積壓礦柱礦量難以開采［1］，為考慮地表保護和資源全面回收，近年逐步將崩落法轉為充填法開采。在充填法轉換的過渡期，需實行空區治理優化與礦柱協同開采，以維持生產的穩定。

相關研究表明，當礦山開采后期或轉入深部開采，在采空區長期未充填的情況下，常導致地壓危害加劇，并有突發較大范圍沖擊地壓的可能，造成對礦山安全和可持續發展的嚴重影響。因此，國內外礦山為提高礦石資源回采率，防止采空區垮塌沖擊和地表塌陷引起進一步破壞，將無底柱或有底柱分段崩落法轉換為分段空場嗣后充填法，或將分段空場法和房柱法等轉變為上向水平分層充填法或進路充填法等。特別是針對我國礦山普遍存在前期開采中形成的采空區群，采用合理的空區治理方案，對采空區實行膠結充填，可以有效維護礦柱及圍巖穩定性，實現安全回采。

為了實現礦山可持續發展，并保護礦區生態環境，需對多年來形成復雜的空區采取充填治理。近年來，國內外對充填法開采相關研究已取得長足進展，其中主要的關鍵技術體現在合理的回采方案、充填結構和充填順序的優化、有效的地壓控制和地壓監測預警等方面。20世紀80、90年代以來，國內外學者對上述問題進行了普遍探索。為了有效地通過充填采空區消除地壓危害，同時對礦柱實行支撐和保護，實現礦石資源的優化回采，近年來，國內外眾多學者進行了不斷探索和深入研究，包括：胡偉等采用極限分析法和頂板初次來壓計算法，推導出不同條件下回采頂柱時的頂板安全厚度計算公式［2］；吳偉東等采用物質描述增量有限元方法，模擬分析不同條件下巖體內所出現的最大拉應力，為安全采礦提供技術依據。國外學者也對回采中頂板控制進行了相關研究，如采用Passaris等數值方法對頂板變形進行模擬。國內長沙礦山研究院等科研院所針對復雜礦體充填法開采和地壓監控研究，在眾多礦山進行了技術開發和應用。針對92號礦體開采后期開采安全條件差的情況，對余下資源的回采逐漸過渡為充填法，由充填體支撐采場圍巖，通過優化充填和礦柱回采方案，可在有效控制井下地壓活動的同時，抑制地表下沉，為礦山綠色發展創造安全技術條件。

1 工程概況

銅坑礦三大主要礦體細脈帶、91號和92號礦體呈立體重疊分布，上部為傾角較陡的細脈帶礦體，中部為緩傾斜91號礦體，下部為緩傾斜92號礦體。細脈帶礦體和91號礦體已開采完畢，92號礦體為銅坑礦目前的主采礦體。92號礦體主要為似層狀網脈浸染型礦體，其近南北傾向及東西方向分布均接近1 km，屬世界罕見的巨型錫礦體，圍巖主要為寬條帶灰巖、泥灰巖及部分硅質巖，開采技術條件非常復雜。

92號礦體前期開采主要采取崩落法，崩落一定范圍的覆蓋巖層，其余大部分為分段空場法嗣后廢石充填，大規模開采時其地壓問題將變得更加突出，繼續采用崩落法難以維持目前生產規模，而且可能造成環境的影響。由于前期采空區充填物大多為廢石充填料和覆巖崩落后形成的松散體，礦柱受壓非常破碎，如果不對空區進行治理，回采難以繼續。92號礦體后期開采現存主要問題：（1）井下大范圍開采引起地壓活動頻繁，地壓危害日趨嚴重，采礦技術條件惡化，安全風險大增；（2）崩落法采礦損失、貧化高，資源浪費嚴重，原初步設計部分采用崩落法和留連續礦柱空場法，在開采后期承壓礦柱礦石資源嚴重積壓，三級礦量不足，采礦生產組織困難；（3）大范圍采動引起巖層移動危及地表，前期在92號礦體一、二、三盤區采用崩落法回采形成塌陷坑，引起地表硫化礦局部發火和冒煙，影響環境治理和礦區穩定。

解決上述問題的技術關鍵在于如何實現采礦方法由崩落法向充填法轉變。因此進行92號礦體崩落轉充填法研究，優化充填和礦柱回采方案具有重要意義。在充填法逐步實施的過渡期，進行采空區優化充填與礦柱協同開采，不僅可以有效解決92號礦體開采引起的地壓災害隱患問題，而且將解決礦柱回采中遇到的損失貧化偏高和三級礦量不足等技術難題。

2 崩落轉充填的協同采礦方法

過渡期采空區治理與礦柱協同回采的主要技術思路在于：通過對92號分盤區開采的單元礦塊和礦柱有序回采，在前期相關研究［3～5］的基礎上，采取空區充填與礦柱回采協同開采［6］的方法，優化充填順序，從礦山生產實際條件出發，采取最佳的充填和回采方案，提高回采率，避免事故災害，實現采礦作業的本質安全，從而順利實施資源全面回收。通過相關技術研究，制定了優化充填和開采順序的安全回采基本方案：

1.采場布置。按照前期初步設計，92號礦體已形成分盤區開采的格局：盤區礦柱沿南北方向勘探線布置，間隔為90～100 m，盤區內礦塊劃分為礦房礦柱，沿走向布置。前期對于91號礦體和92號礦體重疊區采用組合式崩落法，即采用空場法和崩落法兩種相結合的采礦方法，先空場后崩落；對于92號礦體邊部的非重疊區域采用留連續礦柱空場法。根據初步設計及后來技術改造設計，參照銅坑礦91號礦體開采的實際經驗，及國內同類礦山類比，確定92號礦塊回采布置：礦房寬25 m、礦房長度70～80 m，礦房高度為10～60 m，盤區礦柱寬度為20～25 m。

2.采礦方法改進。目前按照礦山開采技術條件將92號礦體主要采礦方法轉換為充填法：無底柱（有底柱）分段崩落法轉換為分段空場嗣后充填法、上向水平分層充填法或上向水平進路充填法。

分段鑿巖階段出礦嗣后充填法的典型剖面如圖1所示。

圖1 分段鑿巖階段出礦嗣后充填法示意圖

分段鑿巖階段出礦嗣后充填法和分段空場嗣后充填法，其主要優點是采礦成本較低，生產能力大，目前可以繼續在較完整礦段實施回采；對于破碎礦柱回采，要求周邊充填體強度高，因此需要先對周圍空區膠結充填。鑒于充填能力的匹配問題，需要根據礦山條件優化充填順序，加強對關鍵區域的地壓控制，逐步過渡到以機械化盤區上向水平分層充填法或進路充填法等采礦方法。

3.采空區處理?；?2號礦體崩落轉充填法區域存在大量采空區中主要為垮落散體的實際情況，采空區處理的基本方法為：關鍵地段實行充填和廢石回填；部分實行強制崩落圍巖或誘導自然崩落，再根據需要實施膠結充填。現場試驗結果表明，在過渡期，對以前只進行采空區嗣后充填廢石的采場，重要地段采用全尾砂膠結充填，可實現破碎礦體及承壓礦柱安全回采。

4.頂板管理。相關研究表明，開采期間92號礦體上方與老采區的頂板圍巖在當隔離層厚度為15～20 m時是比較安全且合理的，當厚度小于15 m時，需采取較小跨度分步開采充填或進路充填回采。

5.回采順序。對崩落轉充填法研究范圍礦段的開采順序進行了分析研究。研究結果表明：充填法開采的礦段在水平方向上的開采順序以由西往東回采最優，從中間往兩端回采次之；而垂直方向上則從下往上開采更為合適。

6.優化充填開采與地壓監控。由于92號礦體多年來采用劃分礦房、房間礦柱和盤區礦柱三步驟開采方式，形成了大量復雜采空區，大量礦柱受高應力破壞變得相當破碎。對破碎礦柱的回采以及采空區附近殘留礦石資源回采，需要先進行空區充填治理。鑒于崩落轉充填法礦段開采地壓特點，針對過渡期開采可能存在的地壓問題，針對大面積開采后頂板和高大空區可能造成的危險隱患，通過數值模擬等手段對可能的開展各種回采方案的安全風險進行充分預計，對92號礦體崩落轉充填法開采后地壓活動進行監控預警，并采取防患措施。

3 關鍵區段充填順序優化

92號礦體從東往西劃分七個盤區，西側有一、三、五、七盤區，東部有二、四、六盤區。其中，四、六盤區前期部分采場進行了充填，主要為廢石充填和部分崩落回填。由于前期采礦留下的采空區非常復雜，開采承壓礦柱時，邊部應力集中地段可能因壓力增大帶來礦柱破碎等、頂板突發性垮落沖擊等危害。對此，開展回采方案的數值模擬分析，對92號礦體崩落轉充填法開采后的圍巖應力和位移進行預測，以此提出優化的開采與充填方案。首先針對關鍵區域回采與充填進行模擬分析，采用三維有限元3D-σ等軟件對五盤區北及二、四、六盤區不同開采順序模擬效果分析比較結果，優選方案為先充填四盤區與五盤區采空區，然后再回采二、四、六盤區北部礦體。

在上述基礎上，對四盤區等關鍵區域進行充填方案優化。至2018年，由于四盤區T411-T412、T413等采場未充填引起地壓活動，在四盤區及周邊盤區有較多采空未充填接頂的情況下，影響采場及盤區礦柱回采。

根據相關研究成果，前期未進行膠結充填的采空區附近礦柱嚴重破壞，部分地段影響到地表移動。由于92號礦體東部對應地表有水塘，需要采用膠結充填法，嚴格控制巖層移動的影響；在西南區采用崩落法，但因地表崩落可能引起有硫化礦自燃產生煙氣危害，需要限制崩落范圍。

對各充填方案的模擬分析結果表明，由于充填順序的不同，所顯現的應力變化、沉降位移的量值等都有所不同，例如：在未充填的情況下208＃線T608位移達3.5 cm；若采取四盤區中心區域繼續進行膠結充填方案，充填后最大位移值比不充填有所減少，應力狀況得到改善，緩解了圍巖高應力集中破壞的現象，說明充填體對控制巖層的移動起到了很大作用，如圖2所示。

根據充填順序的模擬結果，提出了關鍵區域的充填優化方案：優先采用尾砂膠結充填四盤區T414、T415、T406、T407、T417，以及六盤區北部等采場，并對204＃線、201＃線盤區柱附近的采空區進行充填處理。

按照優化充填方案，2018年以來加強了對關鍵區域采空區充填治理，2019年至2020年的膠結充填量達到53萬m3，并且對地表塌陷坑進行了相應的回填治理。由于對四、六盤區等關鍵地段進行了尾砂膠結充填，大大減少了地壓活動危害，為盤區礦柱的回采提供了穩定的環境。

4 充填優化與礦柱協同開采效果

銅坑礦92號礦體主要開采區域采取全尾砂膠結充填，生產實際中最大效率地利用目前充填系統，根據充填實施情況布局回采單元，實行空區治理與礦柱協同開采。通過優化充填順序與充填體結構，應力狀態得到有效改善，并有效抑制了巖體位移，實行礦山環境的保護。

圖2 優化充填的四盤區南北剖面最大主應力云圖

為了利于充填體穩定性和周圍礦柱回采，除了優化充填和回采順序，對具體采區充填設計合理的充填體結構。基于充填體承載機理研究成果，對充填順序及充填體結構強度進行參數優化。當采用分段空場嗣后充填采礦法，以及回采礦房充填后需要對礦柱進行回采，因此四、六盤區等采場充填體強度設計要求達到2.0～2.5 MPa。

根據采空區由下往上，對充填體的強度要求也不同，通過合理分配充填體強度要求，從而滿足采空區充填體整體的強度要求。工業試驗結果顯示，灰砂比1∶6、濃度 72% 時，充填體強度值較高。為了便于頂底柱的回收，空區底部和最上方的充填體灰砂比設計為1∶4；為節約成本，厚大的充填體中間部分灰砂比降低至1∶8，可以滿足充填體自立和礦柱回采的要求。各分層灰砂比、分層高度如圖3所示。

近年來，通過優化充填順序，有效實現了地壓控制。對充填治理前后巖移和地壓活動的監測結果表明，采取優化方案進行采空區充填后，地壓活動趨向緩和，實際效果與理論分析基本一致。

對地表沉降監測結果表明，至2020年地表塌陷區“三帶”范圍在緩慢向外發展。位于崩落區邊部的自北向南布置測點1?！?＃點的位移變化情況如圖4所示，結果顯示，通過在井下關鍵區域采取膠結充填，同時在地表結合煙氣治理工程用廢石等對塌陷坑進行回填后，采區地壓活動情況得到了緩和，2020年以來整體上相關區域趨向穩定。

圖3 采空區分層充填結構示意圖

圖4 地表沉降監測1?！?＃測點下沉曲線圖

銅坑礦近年來加強了全尾砂膠結系統建設，進行了全尾砂充填相關研究［7］，完善了膠結充填系統，年充填能力達30萬m3以上［8］，從而為實施充填順序優化和礦柱協同開采創造了條件。在此基礎上，針對前期未充分充填的采空區，利用塊石膠結和全尾砂膠結充填，對采空區實施有序治理。92號礦體后期逐漸過渡到充填法開采，在回采四、六盤區北部礦塊及201＃線等礦柱過程中，取得良好的地壓控制效果，實現了大量礦石資源的安全高效回收。

5 結 論

鑒于崩落轉充填過渡期礦山開采條件的復雜性，為確保生產正常進行，銅坑礦對采空區進行優化充填治理。通過對關鍵區段回采與充填步驟進行模擬分析，研究合理的回采順序與最優充填方案，對92號礦體關鍵區段優先采用膠結充填，并采取優化的充填體結構，提高了盤區礦柱整體穩定性，有效抑制大范圍頂板巖層的位移?；诘V山實際條件，將礦塊回采布局與充填能力匹配，實施優化充填與高應力礦柱協同開采，在充填能力有限的情況下，解決了承壓礦柱開采的技術難題，大大降低了礦山膠結充填成本，為礦山可持續發展提供保障。通過該項技術研究和礦山實踐與應用，實現了多金屬礦石資源的科學合理開發利用，取得了良好的經濟效益與安全環保效果。