代建清，吳賢振

(1.江西理工大學, 江西 贛州市 341000； 2.四川鑫源礦業(yè)有限責任公司, 四川 白玉縣 627150)

高價值礦床復雜空區(qū)條件下“三柱”回收方案研究

代建清1 ,2，吳賢振1

(1.江西理工大學, 江西 贛州市 341000； 2.四川鑫源礦業(yè)有限責任公司, 四川 白玉縣 627150)

呷村銀多金屬礦為急傾斜的多層礦體，留礦法回采后留下大量價值高的礦柱和未經(jīng)處理的采空區(qū)，上部中段的采空區(qū)在地壓作用下已塌透到地表，造成大量高價值礦柱回收困難。為充分利用礦產(chǎn)資源，結(jié)合三柱(頂、底、間柱)賦存的實際條件，對銀銅礦、獨立鉛鋅礦的三柱進行了調(diào)查分類，通過技術(shù)、經(jīng)濟分析針對不同類別的礦柱選擇了不同的回收方法。結(jié)果表明，針對復雜空區(qū)條件下的三柱，需要在掌握礦柱品位、周邊空區(qū)狀況的情況下，綜合協(xié)調(diào)使用多種不同回采方法，才能有序保障三柱的安全經(jīng)濟回收。

礦柱回采；采礦方法；充填；崩落

呷村銀多金屬礦礦體賦存特征是以迭瓦式礦脈群的形式存在，下盤銀鉛鋅銅主礦體與上盤獨立鉛鋅礦體間距近。礦體連續(xù)性較好、厚度中等以上，在采用淺孔留礦法回采后，采場留下了比例較大的頂?shù)字?、間柱，形成了大量未經(jīng)處理的采空區(qū)。目前已回采采場主要分布于4050中段、4100中段、4160中段、4200中段，其中4200 m及以上中段除個別采場的間柱沒有回收，頂柱和底柱已經(jīng)回收完畢。

隨著生產(chǎn)的進一步進行，受開采深度、地壓的影響，4100 m中段及以上中段的大部分采空區(qū)頂?shù)字芽逅鄠€中段采空區(qū)已垮通，且大多數(shù)空區(qū)垮透至地表。采空區(qū)的大量垮塌、地壓的明顯顯現(xiàn)，已對4050及4050以下中段的安全生產(chǎn)造成嚴重影響。

1 存在的問題

礦山采用的采礦方法為留礦法，采后空區(qū)沒有處理，上部中段存在大量的三柱與空區(qū)。前期采場回采時，沒有實測數(shù)據(jù)，對空區(qū)的情況不清，加上銀銅礦、鉛鋅礦為多層、急傾斜礦體，采后的空區(qū)呈板框框架式分布。加上上部中段距離地表較近，在多中段生產(chǎn)后，上部中段的采空區(qū)出現(xiàn)大范圍塌陷，并塌透到地表，采空區(qū)情況更為復雜。

隨著開采的進一步進行，礦山可采資源量逐步減少，主要可采對象轉(zhuǎn)變成采場礦柱的礦山越來越多[1￣18]。由于受空區(qū)垮塌、情況不清、底部結(jié)構(gòu)損壞、應(yīng)力集中等因素的影響，三柱回收難度大，損失、貧化高。由于三柱礦量在保有儲量中占有比例大，品位高，因此需要針對三柱具體情況，選擇安全合理的回采方案，實現(xiàn)資源安全利用，增加經(jīng)濟效益[1￣5]。

2 井下三柱分布及類別

2.1 三柱分布

為選擇合適的三柱回收方法，對井下4200，4160，4100，4050中段的采空區(qū)及三柱情況進行調(diào)查，各中段三柱及空區(qū)分布現(xiàn)狀為：

(1) 4200中段：所有采場均與地表塌透，沒有空區(qū)存在。2線以北頂柱與間柱整體塌落，沒有具備回收條件的礦柱。

(2) 4160 m中段：銀銅礦采場的基本情況為底部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的損毀，間柱暫時完好，采場頂柱垮塌與露天坑連通，銀銅礦沒有空區(qū)存在。獨立鉛鋅礦4線～3線為現(xiàn)今4160 m中段主要供礦地段，共有14個獨立鉛鋅礦采場。3線～7線區(qū)域內(nèi)有3113，3218兩個采場，3218采場透地表，但間柱和底部結(jié)構(gòu)還在。5線～7線主運輸巷整體塌陷至4111#KF，脈外運輸巷由于地壓作用，發(fā)生嚴重變形，危險系數(shù)大，暫時無法通行。4線以北三柱礦量較小，主巷塌陷，殘存部分窄小礦體。

(3) 4100 m中段：三柱與空區(qū)以銀銅礦采場為主，銀銅礦體一共布置有11個采場，采場底柱高12 m，頂柱多數(shù)與上中段垮透，因此4100中段銀銅礦采場只有間柱和底柱。獨立鉛鋅礦房數(shù)為4個，礦房回采結(jié)束，三柱完好，空區(qū)敞空存在。

(4) 4050 m及以下中段：4050 m中段僅在Cu1主礦體有8個采場，采后留下了間柱、頂柱，其中51108，51106采場的頂柱已垮塌連通上中段，并已透至地表，其余采場的頂柱、間柱、底柱完好。4050 m以下中段沒有采場。

2.2 各中段三柱實際分類

根據(jù)三柱和空區(qū)賦存實際情況，結(jié)合采空區(qū)垮塌等現(xiàn)場條件，銀銅礦、獨立鉛鋅礦的三柱均可以分為兩大類：一是兩側(cè)垮滿廢石的三柱；二是空區(qū)敞空條件下的三柱。

在礦柱兩側(cè)的空區(qū)垮滿廢石的情況下，采場的頂柱已經(jīng)垮塌、底柱可以隨未垮的下中段頂柱一起回收，這種情況下的三柱回收實際上只有兩側(cè)垮滿廢石的間柱回收。

結(jié)合礦山開采實際情況，各中段銀銅礦、獨立鉛鋅礦三柱的實際分類如下：

(1) 4200中段：銀銅礦3線以北為兩側(cè)垮滿廢石并出露地表的間柱，3線以南為兩側(cè)垮滿廢石沒有出露地表的間柱；鉛鋅礦為兩側(cè)垮滿廢石并出露地表的間柱。

(2) 4160中段：銀銅礦9線～3線為兩側(cè)垮滿廢石的間柱，3線～1線目前為空區(qū)敞空條件下的三柱；1線～8線為兩側(cè)垮滿廢石的間柱；鉛鋅礦3線～0線為空區(qū)敞空條件下的三柱，0線～4線為兩側(cè)垮滿廢石的間柱，4線～6線為空區(qū)敞空條件下的三柱。

(3) 4100中段：銀銅礦11線～9線為空區(qū)敞空條件下的三柱，9線～3線為兩側(cè)垮滿廢石的間柱，3線～1線目前為空區(qū)敞空條件下的三柱，1線～8線為兩側(cè)垮滿廢石的間柱。鉛鋅礦1線～4線為空區(qū)敞空條件下的三柱。

(4) 4050中段：銀銅礦11線～4線為空區(qū)敞空條件下的三柱，4線～8線為兩側(cè)垮滿廢石的間柱。鉛鋅礦無采場。

3 三柱回收方法

3.1 兩側(cè)垮滿廢石的銀銅礦間柱回收方案

針對兩側(cè)垮滿廢石的間柱，由于間柱兩側(cè)、頂部均為松散體，采用不同方法回采時主要面臨以下幾個問題[3,19￣20]：

(1) 空場法回采這類礦柱存在安全性極差、損失率大、可操作性差等問題[4,17]。

(2) 充填法回采間柱，仍需在頂部的垮落礦巖之間留有無法再回收的頂柱，采場綜合損失率仍然偏大，但貧化率低。

(3) 崩落法回采。充填系統(tǒng)形成前，由于間柱頂部、兩側(cè)都為垮落的松散礦巖，為崩落法回采形成了較好的覆蓋巖層，采用崩落法由上往下回采，間柱可以不留護壁全部崩落，人員在鑿巖巷道內(nèi)作業(yè)，其安全性較好，可操作性高。但崩落法回采主要存在貧化率高，出礦難度大等問題。

通過以上分析，間柱兩側(cè)垮滿廢石，采用空場法需要在間柱兩側(cè)各留設(shè)3 m護壁，但即使留設(shè)護壁，回采時由于受兩側(cè)松散體的擠壓，作業(yè)安全性極差，同時損失率極大，因此空場法完全不適合回采兩側(cè)垮滿廢石的間柱。充填法中，可行的方法主要有上向水平分層充填采礦法和上向進路充填采礦法。崩落法中，可以用階段深孔崩落法或者中深孔分層崩落法進行回收，但由于間柱寬度一般為8～10 m，階段深孔崩落法爆破后只能放出下部的小部分礦石，之后間柱兩側(cè)的廢石便直接切斷了礦石流動通道，導致上部大部分礦石無法放出，損失率至少為70%～80%，因此崩落法中可行的主要方法是分層崩落法。

根據(jù)上述分析，兩側(cè)跨滿廢石的銀銅礦間柱，可行的回收方法主要有上向水平分層充填采礦法(方案Ⅰ)、上向進路充填采礦法(方案Ⅱ)、分層崩落法(方案Ⅲ)。

由于方案Ⅱ是以掘進巷道的方式進行回采，鑿巖爆破成本高，采后需要高強度膠結(jié)充填，充填成本高，使得整體回采成本比方案Ⅰ高，經(jīng)計算的噸礦凈利潤高于方案Ⅲ，加之回采充填工藝復雜、操作難度大，因此在采用充填法時，推薦采用方案Ⅰ回采兩側(cè)垮滿廢石的銀銅礦間柱。方案Ⅰ與方案Ⅲ相比，方案Ⅰ的采切工程量小、采礦貧化率低，經(jīng)計算的噸礦凈利潤高于方案Ⅲ，方案Ⅰ安全性稍差的問題可以通過技術(shù)、安全措施進行控制，因此方案Ⅰ整體上優(yōu)于方案Ⅲ。

結(jié)合礦山實際情況，由于充填系統(tǒng)主管路從4100中段進入井下，充填4160中段需要將主管路接入4200中段，并且需要泵送，對充填系統(tǒng)的要求極高，加上4200中段目前巷道擠壓變形嚴重，到2017年下半年以后基本不具備安全進入的條件，因此4160中段的銀銅礦間柱不適合采用充填法回采。

綜合以上實際情況，確定4160及以上中段的銀銅礦間柱采用分層崩落法回采，4100中段兩側(cè)垮滿廢石的銀銅礦間柱采用上向水平分層充填采礦法回采。

3.2 空區(qū)敞空條件下銀銅礦三柱回收方案

4050中段以上銀銅礦采場頂柱都已垮塌，只有4050中段銀銅礦采場空區(qū)還敞空存在。4050中段銀銅礦空區(qū)及三柱特征為：空場長42 m，寬為礦體厚度8～15 m，采場間柱寬8～12 m，采高35 m；采場頂柱為10 m，與4100中段底柱連為一個整體，厚度為22 m。

針對4050中段空區(qū)敞空條件下的銀銅礦三柱回收及空區(qū)處理，需要回收的主要有間柱、頂柱和底柱，由于頂柱和上中段底柱為一體，因此將頂柱和底柱統(tǒng)一考慮，即主要考慮間柱和頂?shù)字厥諉栴}。

對于4050中段的銀銅礦間柱，技術(shù)上可行的回收方案主要有空場條件下中深孔直接崩落法、充填后上向分層充填采礦法、充填后上向進路充填采礦法，但由于4050中段的銀銅礦體間柱品位高、整體頂柱厚度大，崩落法回收貧化、損失率大，還會造成上中段進一步塌陷，不推薦采用。而上向進路充填采礦法采用進路式回采，落礦效率低，充填成本高，采礦工藝復雜。因此，通過技術(shù)經(jīng)濟對比分析，推薦在空區(qū)充填后采用上向分層充填采礦法回收間柱[3,19￣22]。

對于4050中段的頂?shù)字夹g(shù)上可行的回收方案主要有空場條件下中深孔直接崩落法、充填后上向水平分層充填采礦法、充填后上向進路充填采礦法，崩落法回收貧化、損失指標差，采空區(qū)直接底部的3～5 m礦體無法采用上向水平分層法回采，上向進路充填法工藝復雜。因此，需綜合兩種采礦方法對不同位置的頂?shù)字M行協(xié)同回采，即：利用上向進路充填采礦法采場寬度小，安全性好的特點回采采空區(qū)底部2～3 m永久頂?shù)字虏康捻數(shù)字?；利用上向水平分層充填采礦法比上向進路充填法生產(chǎn)能力大、成本低的特點，回采空區(qū)下部6 m外的頂柱[22￣23]。

3.3 兩側(cè)垮滿廢石的鉛鋅間柱回收方案

兩側(cè)跨滿廢石的獨立鉛鋅間柱，可行的回收方法主要有上向水平分層充填采礦法(方案Ⅰ)、上向進路充填采礦法(方案Ⅱ)、分層崩落法(方案Ⅲ)，其經(jīng)濟對比(品位按鉛鋅間柱平均品位)見表1。

表1 兩側(cè)跨滿廢石的鉛鋅間柱回收經(jīng)濟對比

由表1可知，對于鉛鋅品位為6.6%的間柱，采用方案Ⅰ上向水平分層充填采礦法回采的經(jīng)濟效益比方案Ⅱ、方案Ⅲ好，因此在這種情況下選擇采用上向水平分層充填采礦法。

3.4 空區(qū)敞空條件下的獨立鉛鋅三柱回收方案

對于采場敞空，三柱完好的獨立鉛鋅間柱回收，可行的技術(shù)方案主要有：空場條件下中深孔直接崩落法(方案Ⅰ)、充填后上向水平分層充填采礦法(方案Ⅱ)、充填后上向進路充填采礦法(方案Ⅲ)、充填后分段空場嗣后充填采礦法(方案Ⅳ)，其經(jīng)濟對比見表2[3,19￣20]。

表2 空區(qū)敞空條件下獨立鉛鋅三柱回收經(jīng)濟對比

由表2可知，當Pb地質(zhì)品位為2.60%、Zn地質(zhì)品位為4.06%、Ag地質(zhì)品位為27.5g/t時，各方案每噸礦石的凈利潤分別為：30.9、42、-5.8、40.7元，可知在不考慮兩側(cè)采空區(qū)充填費用的情況下方案Ⅱ(充填后上向分層充填采礦法)的盈利能力更強，推薦采用方案Ⅱ。方案Ⅰ與方案Ⅱ、Ⅳ相比，其每噸礦石少盈利11元、9.8元，因此，如果兩側(cè)采空區(qū)充填時，間柱原礦攤銷充填費用高于11元/t時，推薦采用方案Ⅰ(空場條件下中深孔直接崩落法)回收獨立鉛鋅間柱。結(jié)合礦山實際情況，確定回收方案以空場條件下中深孔直接崩落法為主。

對于獨立鉛鋅礦頂?shù)字?，由于間柱回收方案對比時，中深孔直接崩落法優(yōu)于其他充填方法，而采用中深孔崩落間柱時，必須與頂?shù)字黄鸨缆?，中深孔崩落頂?shù)字某杀久黠@低于充填采礦法，因此，推薦采用中深孔崩落的方式與間柱一起回收頂?shù)字鵞23￣24]。

4 結(jié) 論

針對礦山采用留礦法回采留下的大量采空區(qū)及高品位三柱情況，結(jié)合空區(qū)賦存及垮塌等實際情況，對三柱進行了分類，并針對不同分類、不同條件下的三柱回收方案進行了技術(shù)經(jīng)濟對比，優(yōu)選出適合礦山生產(chǎn)實際的、技術(shù)經(jīng)濟最優(yōu)的方案。具體結(jié)論如下：

(1) 將銀銅礦、獨立鉛鋅礦的三柱分別劃分為兩側(cè)垮滿廢石的間柱、空區(qū)敞空條件下的三柱，并結(jié)合具體生產(chǎn)實際情況對4200、4160、4100及4050中段的三柱進行了具體的分類。

(2) 對于兩側(cè)跨滿廢石的銀銅礦間柱，通過方案對比，確定4160及以上中段的銀銅礦間柱采用分層崩落法回采，4100中段兩側(cè)垮滿廢石的銀銅礦間柱采用上向水平分層充填采礦法回采。

(3) 對于空區(qū)敞空條件下的銀銅礦間柱，推薦在空區(qū)充填后采用上向分層充填采礦法回收間柱。對于空區(qū)敞空條件下的銀銅礦頂?shù)字?，利用上向進路充填回采采空區(qū)底部2～3 m永久頂?shù)字虏康捻數(shù)字焕蒙舷蛩椒謱映涮畈傻V法回采空區(qū)下部6 m外的頂柱。

(4) 對于兩側(cè)跨滿廢石的獨立鉛鋅礦間柱，當品位不低于平均品位6.6%時，采用上向水平分層充填采礦法回采的經(jīng)濟效益好，因此在這種情況下選擇采用上向水平分層充填采礦法。

(5) 對于空區(qū)敞空條件下的獨立鉛鋅礦間柱，確定回收方案以空場條件下中深孔直接崩落法為主。對于獨立鉛鋅礦的頂?shù)字?，采用與間柱一起中深孔崩落的方式回收。

(6) 通過不同情況的三柱回收方法選擇，可知在針對復雜空區(qū)條件下的三柱，首先需要在掌握礦柱品位、周邊空區(qū)狀況的情況下，綜合協(xié)調(diào)使用多種不同回采方法，并加強技術(shù)與現(xiàn)場管理，才能有序保障三柱的安全經(jīng)濟回收。

[1]雷明禮,張海磊,趙永平,等.露天坑下礦柱回收的安全性分析[J].金屬礦山,2016(2):17￣20.

[2]李月先,劉允秋.某礦山采空區(qū)治理及殘礦回收方案研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2016(10):20￣22,25.

[3]胡海波,廖九波.賦存于破碎帶的礦柱回收實踐[J].采礦技術(shù),2015,15(3):7￣8,18.

[4]馮浩楠,舒太鏡,李慧波.某金礦采空區(qū)礦柱回采方式及實踐[J].采礦技術(shù),2016,16(05):3￣5，10.

[5]王 成,紀曉飛,張建偉,等.急傾斜極厚大礦體礦柱回收方法研究與應(yīng)用[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(08):1￣4.

[6]王國泰,王國雄,譚賢功,等.基于FLAC3D對湯丹銅礦殘留礦柱資源回采方案模擬優(yōu)化研究[J].中國礦山工程,2016,45(03):10￣13，40.

[7]黃明發(fā),李永輝.不良膠結(jié)充填體條件下礦柱回采方案選擇[J].采礦技術(shù),2016,16(02):22￣24，43.

[8]陶 明,羅福友.寧都硫鐵礦礦柱穩(wěn)定性分析及回采順序優(yōu)化[J].采礦技術(shù),2016,16(02):25￣29，70.

[9]張紹國.高應(yīng)力礦柱安全回采與地壓監(jiān)控預警技術(shù)[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(01):23￣26.

[10]王安強.全面房柱采礦法在富家礦三角礦柱殘采中的應(yīng)用[J].黃金,2016,37(01):44￣47.

[11]劉慶喜,朱國濤,曹 勇.吳集鐵礦-200 m中段礦柱安全回采試驗[J].現(xiàn)代礦業(yè),2015,31(10):18￣20，26.

[12]董憲久,王長軍,柳小勝.充填采礦法在盤龍鉛鋅礦礦柱回收中的應(yīng)用[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2015,35(08):19￣22.

[13]黨建東.控制爆破堆壩回收礦柱研究及實踐[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2015,35(08):23￣26.

[14]王如坤,徐 強,申超霞,等.大冶鐵礦礦柱回采方式的研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2015,35(07):17￣22.

[15]朱必勇,楊 偉,王新民.大規(guī)模充填體下保安礦柱規(guī)劃及礦體回采順序研究[J].金屬礦山,2015,(07):21￣24.

[16]朱青凌,尚振華,王 林.淺層復雜殘留礦柱安全開采優(yōu)化研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(12):1￣4.

[17]賀小慶.礦柱抽采與采空區(qū)綜合治理技術(shù)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(11):12￣17.

[18]徐 恒,王貽明,吳愛祥,等.基于FLAC3D的充填體下礦柱回收方案優(yōu)選[J].銅業(yè)工程,2016,(06):33￣39.

[19]蘇齊松,陳 震.分段崩落法回采礦柱的應(yīng)用實踐[J].有色礦冶,2007,23(6):14￣16.

[20]劉學武,胡杏保.崩落法回收殘留礦柱的實踐[J].中國礦山工程,2014,43(1):5￣9.

[21]林衛(wèi)星,李建波,甯瑜琳，等.嶺南金礦民采區(qū)域采礦方法優(yōu)化研究[J].有色金屬(礦山部分),2016,68(2):8￣11.

[22]董憲久.留礦法采后間柱回采方法優(yōu)化研究[J].中國礦業(yè),2016,25(5):78￣81.

[23]趙明宣.三山島金礦上盤護頂?shù)V柱回收實踐[J].山東工業(yè)技術(shù),2015,(16):44.

[24]吳賢振,王曉軍,趙 奎.基于3D—σ數(shù)值模擬的某鎢礦地壓活動區(qū)資源回收方案研究[J].中國鎢業(yè)2008，23(3)：7￣9.(收稿日期：2017￣09￣14)

代建清(1972-)，男，山東安丘人，主要從事礦山技術(shù)及管理工作，Email:2467041446@qq.com。