頂底板均不穩固的古采區殘礦回收實踐研究

張海磊，焦滿岱，陳小平，郭生茂，劉吉祥，周健強

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.甘肅省深井高效開采與災變控制工程實驗室，甘肅 白銀 730900；3.蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730099)

礦業是人類除農業外最早從事的生產活動，我國有大量先民們從事礦業生產活動而遺留的蹤跡和實物。如湖北銅錄山銅礦等很多具有幾百年甚至幾千年歷史的古礦資源，時至今日仍在大規模開采中，正如我國現代地質學先驅章鴻釗先生在《古礦錄·序》一文中所指：“雖古之法固異乎今之法，而今之礦實猶是古之礦也……，其中今人所未知，而古人先知之得之，仍有待于后人之竟其功者，正復何限。又安知古人所留遺以待后人者，非即為今日起跛振蹶之大用乎？”[1-2]。

受限于古代技術水平，古人采礦通常具有采富棄貧、采厚棄薄、采易棄難等特點，導致礦體完整性被破壞、采空區賦存特征復雜多變。古采區安全問題是目前開采古礦資源面臨的難題之一，各地礦山在實踐中總結了很多解決的方法和思路，如云南省昭通市毛坪鉛鋅礦[3-5]采用混凝土假底干式充填法和鋼繩柔性假底干式充填法，分別治理了厚大礦體采空區和小礦體采空區，并采用分條進路自然崩落法回采古采區厚大伏槽礦；湖南省新邵縣龍山金銻礦[6-12]在分析清末老窿殘礦賦存特征后，提出了多種防治水方案，采用脈外平巷加穿脈群自然崩落采礦法實現了老窿殘礦的安全高效開采，并特別優化了浮選工藝，實現了資源綜合回收；陜西省柞水縣銀礦[13-15]通過將泥化塌落廢石自然沉降固結充填古采空區后，用上向分層干式充填法回采古采區的上盤礦體；山東省招遠市大河金礦[16]采用先膠結充填法回采殘留礦柱，后尾砂充填法回采下盤貧礦體的間隔防震工藝，實現了古采區殘留礦柱及下盤貧礦體的安全開采。由此可見，各種形式的充填法是回收古采區殘礦時的首選，其次為崩落法，能夠有效治理采空區的安全隱患。

小秦嶺地區是我國金、銀等貴金屬產地之一，礦產資源開發利用歷史可追溯至仰韶文化時期。區域內商洛市銀硐子銀多金屬礦在生產探礦過程中遇到大量明清古采區，該礦為國內典型的頂底板均不穩固的低品位傾斜中厚礦體，古采區的影響使得開采技術條件更為復雜。在此背景下，開展頂底板均不穩固的古采區剩余礦體回收工作十分重要。

1 礦山生產概況

銀硐子銀多金屬礦位于南秦嶺地槽華力西褶皺帶內，近東西走向單斜構造，屬層控類沉積變質型多金屬礦床，礦體賦存于中泥盆統大西溝統的千枚巖中，呈似層狀產出，傾角為35°～40°，厚度為1.12～16.38 m，為傾斜中厚礦體；礦體上盤圍巖為絹云母化千枚巖，下盤為炭化千枚巖，片理節理發育，均為不穩固巖體[17-18]。

礦山設計采礦方法為預切頂分段分條沿走向連續推進采礦法開采，該方法將礦塊沿走向布置，階段內沿傾向劃分3個分段，分段內沿走向劃分5個分條，以分條為獨立回采單元，沿走向后退式連續回采[19-20]。該方法將切頂、護頂、放頂工作完美結合，在頂底板均不穩固的傾斜中厚礦體開采方面具有巨大的優越性，但工序復雜、采切工程量大，因此實際生產中僅在礦體厚大且品位較高區域使用，其他薄礦體、低品位礦體及深部礦體主要采用各種形式的分層干式充填采礦法開采[17-18]。礦山1 210 m中段、1 170 m中段生產探礦期間，在62線～72線間連續10多條探礦穿脈均遇到古采區。為保證礦山經濟效益和下部中段安全開采，需盡快回收古采區剩余礦體，消除空區隱患。

2 古采區開采技術條件

礦區具有悠久的金銀等貴金屬開發歷史，據《陜西通志》記載：“明天啟元年，朝廷召商官采，時擁采掘工千三百余人，年產優銀萬余兩……，掘礦洞八，五里以上者三……”，至今仍可在礦區地表見到大量明清采礦遺跡。

從生產探礦結果可知，古采區分布于62線～72線間13號主礦體中部品位最高處，走向長275 m；由地表延伸至1 190 m水平，垂高90 m；傾角與礦體傾向一致，斜長62～119 m，高1.5～3.0 m，并有多層重疊現象。推測古人采用脈內斜坡道開拓方式和留不規則礦柱的全面采礦方法，即從礦體品位最高部位地表露頭處沿礦體傾向掘進一條傾角約30°，斷面規格約1.8 m×1.8 m的方形脈內斜坡道，以脈內斜坡道為開拓運輸、人行通風和爆破自由面，人工鐵釬鑿巖、黑火藥落礦方式沿走向全面推進，視品位高低控制采高1.5～4.5 m，留不規則礦柱支護采空區，局部采用木支護加固。但由于年代久遠，支護方式早已失效，采空區內已被坍塌礦石堆滿。 古采區位于礦體中部，上盤剩余礦體厚4～7 m，下盤剩余礦體厚6～8 m，下盤礦體品位略高于上盤礦體；殘礦資源量約86.16萬t，平均品位為銀172 g/t、銅0.62%。古采區結構具體詳見圖1。

圖1 古采區結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of ancient mining area

3 古采區剩余礦體回收總體方案

根據采礦技術條件，結合礦山現有技術能力，確定古采區剩余礦體回收總體回采方案為下盤礦體與上盤礦體分采合出連續采礦法，分兩步回采古采區剩余礦體。首先，在下盤拉底平巷內向古采區下盤剩余礦體鉆鑿扇形中深孔，采用拋擲爆破方式將古采區下盤剩余礦體崩入古采區內；其次，在上盤鑿巖硐室向古采區上盤剩余礦體內鉆鑿扇形中深孔，崩落上盤剩余礦體和一部分上盤圍巖覆蓋在下盤崩落礦石上；再次，采用截止品位出礦方式，將崩落上盤圍巖廢石永久留在采空區內；最后，采用沿走向后退式連續回采方式，下盤礦體回采工作超前于上盤礦體10～20 m。

該方案充分利用礦山正常開采時預切頂分段分條沿走向連續推進采礦法的采準切割系統，大大減少了采切工程量，也避免了殘礦回收與正常開采工作之間的互相干擾；殘礦回收各項工作均在巷道或硐室中進行，人員無需進入采空區，安全性好；古采區上盤剩余礦體、下盤剩余礦體均可沿走向連續回采，生產效率高。

4 關鍵工藝與具體實施效果

下盤礦體與上盤礦體分采合出連續采礦法的核心工藝技術有采準切割工程、下盤礦體回采、上盤礦體回采與放頂等。

4.1 采準切割工程

下盤礦體與上盤礦體分采合出連續采礦法礦塊沿走向布置，長50 m，礦塊高40 m，劃分為3個分段。主要采準切割工程布置如圖2所示。

圖2 下盤礦體與上盤礦體分采合出連續采礦法采切工程Fig.2 Diagram of stope preparation and cutting engineering

要求古采區剩余礦體回收工作充分利用礦山正常開采時預切頂分段分條沿走向連續推進采礦法的開拓系統，將原鑿巖上山改造成下盤斜溜井并在下盤斜溜井鋪設鋼板。在各分段礦體下盤礦體圍巖界限處掘進沿走向的鑿巖拉底平巷，并于原各分段電耙道聯通；在礦巖上盤圍巖中掘進沿走向的上盤殘礦回采巷道，沿上盤殘礦回采巷道每隔10 m通過聯絡道向礦體上盤礦體圍巖界限處掘進上盤鑿巖硐室，上盤鑿巖硐室距離古采區須大于5 m。由鑿巖拉底平巷向下盤剩余礦體中每隔10 m掘進切割井，扇形中深孔拉槽形成5 m寬切割槽，拉槽炮孔參數為最小抵抗線W=1.2 m，孔底距a=2.2 m，孔徑φ=60 mm。

4.2 下盤礦體回采

分段切割槽形成后，可開展本分段下盤剩余礦體回采工作。下盤礦體回采炮孔布置詳見圖3。在分段鑿巖拉底平巷內向本分段下盤剩余礦體鉆鑿上向扇形中深孔，以切割槽為自由面，采用拋擲爆破方式將下盤剩余礦體崩入古采區內。采用正交試驗對下盤礦體回采炮孔參數進行了優選，得到結果為最小抵抗線W=1.2 m，孔底距a=1.8～2.2 m，孔徑φ=60 mm。為提高爆破質量和出礦效率并減少礦石損失，要求炮孔排面傾角為90°，邊孔傾角不小于45°，各排邊孔應大致保持在一個平面上,炮孔不能穿透古采區底板。采用孔口正向起爆方式，多排同段微差爆破，同段最大藥量控制在200 kg以內。

圖3 古采區下盤剩余礦體回采炮孔示意圖Fig.3 Diagram of blast hole in the floor ore body

4.3 上盤礦體回采與放頂

上盤礦體回采工作可與下盤礦體回采工作同時進行，但上盤礦體回采工作須滯后于下盤礦體10～20 m。在上盤鑿巖硐室向古采區上盤剩余礦體內鉆鑿上盤礦體回采扇形中深孔，向上盤圍巖鉆鑿放頂扇形中深孔，上盤礦體回采炮孔孔底距a=1.5 m，放頂炮孔孔底距a=2.5～3.0 m。仍然采用孔口正向起爆方式，多排同段微差爆破，崩落上盤剩余礦體和一部分上盤圍巖覆蓋在下盤崩落礦石上。上盤礦體回采與放頂炮孔布置詳見圖4。

圖4 古采區上盤剩余礦體回采與放頂炮孔示意圖Fig.4 Diagram of blast hole in the roof ore body

放頂結束后進行大量出礦，采空區內從下到上依次為古采區坍塌礦石、下盤拉槽崩落礦體、下盤回采崩落礦體、上盤回采崩落礦體和廢石覆蓋層，采用截止品位放礦方式將礦石由電耙道經斜溜井放出，崩落上盤圍巖廢石永久留在采空區內。由于礦石塊度較大，電耙道內需設置二次破碎裝置，在斜溜井底部安裝振動放礦機。

4.4 試驗采場具體實施情況

選擇1 170 m中段69線～71線采場作為試驗采場，古采區位于該采場礦體中部，由地表延伸至1 190 m水平。試驗采場1 190 m水平以上共探明有古采區內坍塌礦石5 946 t、古采區上下盤剩余礦體17 295 t，設計采用下盤礦體與上盤礦體分采合出連續采礦法回采古采區剩余礦體，劃分1 190 m、1 200 m兩個分段，分段高度10 m；1 170～1 175 m水平礦體留為底柱，1 175 m分段礦體采用預切頂分段分條沿走向連續推進采礦法正常回采，分段高度15 m，礦石量14 121 t。試驗期間，1 170 m中段69線～71線采場實際采出正常礦石12 045 t，礦石回收率85.3%；采出古采區上下盤剩余礦體13 352 t，礦石回收率77.2%；采出古采區內坍塌礦石5 946 t，礦石回收率100%。上盤礦體與上盤礦體分采合出連續采礦法在試驗期間創造經濟價值181萬元，應用效果極好，可推廣到1 170 m中段61線～69線等其他4個相似采場。

5 結 論

1) 由于古人采礦具有“采深較淺”“采富棄貧”“采大棄小”的特點，古采區問題多出現在礦山生產前期首采主礦體內，這一時期的礦山人力、財力、物力資源最為困難，此時，回收古采區剩余礦體資源并處理采空區對保證礦山經濟效益和安全開采具有重要現實意義。上盤礦體與上盤礦體分采合出連續采礦法采用先回采下盤剩余礦體、后回采上盤剩余礦體并放頂處理采空區的回采方式實現了古采區剩余礦體的安全、高效、連續回收，且具有采切量小、工藝簡單的優點，具有一定的推廣價值。

2) 國內有學者已應用三維激光自動掃描技術對采空區進行精密探測，建立三維可視化模型指導采空區殘礦回采方案設計，并評價殘礦回采工作的安全性[21]。由于技術力量薄弱，加之古采區規模不大，本文僅憑人工經驗開展古采區探測、殘采方案制定與安全評價等工作，是本文的不足。

3) 礦體實際賦存條件往往有品位不均、厚薄不勻、大小不一及開采條件難易不同等許多復雜特點，開采過程中要充分貫徹“貧富兼采、厚薄兼采、大小兼采、難易兼采”的原則[22]，避免造成礦產資源浪費，并做好采空區處理工作，毋使后人復哀今人。