孫 健，周延鋒，鄭良忠

(四川鑫源礦業(yè)有限責(zé)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(qū)處理簡單等特點(diǎn)，在我國采礦裝備相對落后、礦山采礦規(guī)模較低的時期得到了廣泛推廣和應(yīng)用。該采礦方法的出發(fā)點(diǎn)是依靠礦石、圍巖自身的穩(wěn)固性和礦柱來維護(hù)采空區(qū)[1]，待礦房回采結(jié)束后，再有計劃地回采礦柱(或不回采)、處理空區(qū)。截至目前，空場采礦法依舊是環(huán)境偏遠(yuǎn)、產(chǎn)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(dāng)大的比例。

但空場采礦法在實(shí)施過程中，因礦山過分追求時效，礦柱回采、空區(qū)處理滯后等現(xiàn)象屢現(xiàn)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(qū)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(yán)重；③地壓情況及舊有巷道工程發(fā)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(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差。

因此，為提高礦柱回采經(jīng)濟(jì)效益，礦柱回采及空區(qū)處理工作應(yīng)該得到使用空場采礦法的礦山的高度重視，提早進(jìn)行礦柱回采、空區(qū)處理規(guī)劃，選擇合理方案和措施，既是取得良好經(jīng)濟(jì)效益的保證，也是有效解決礦柱回采、空區(qū)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(tǒng)一性要求。一般來說，礦柱回采的工藝設(shè)計及選擇不可避免地會受到空區(qū)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(qū)，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(qū)處理工藝設(shè)計和選擇應(yīng)是相互統(tǒng)一、不可拆分、同時進(jìn)行的。

2) 及時性要求。及時進(jìn)行礦柱回采和空區(qū)處理，可以有效控制地壓，消除隱患，有利于降低巷道維護(hù)費(fèi)用，縮短采掘作業(yè)線，便于集中管理，提高工程利用率，避免不必要的重復(fù)采切工作，從而提高設(shè)備的利用率[3]。

3) 合理性要求。礦柱回采和空區(qū)處理的技術(shù)條件要比礦房回采復(fù)雜和困難，而回采技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一般低于礦房回采[3]。所以，應(yīng)在資源利用、安全、經(jīng)濟(jì)效益、礦山規(guī)劃等方面對礦柱回采進(jìn)行全面的正確的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的基礎(chǔ)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(diǎn)

按照礦房礦柱回采過程中空區(qū)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(diǎn)如下所述。

1) 充填礦房礦柱回采。采用干式、尾砂膠結(jié)等充填方式先于礦柱回采進(jìn)行采空區(qū)處理，在空區(qū)處理完成后，再利用空場法、充填法進(jìn)行礦柱回采。該采礦法適應(yīng)性較強(qiáng)，回采方式靈活多樣，回采技術(shù)指標(biāo)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(qū)作為自由面，進(jìn)行深孔爆破回采，并在底部進(jìn)行出礦結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(hù)時不宜采用。敞空礦房礦柱回采后，空區(qū)面積較大，為保證安全，一般要留設(shè)一定厚度礦石墊層或采取其他措施形成覆蓋巖層。

2 礦區(qū)開采技術(shù)條件

2.1 礦區(qū)概況

呷村銀多金屬礦地處川西高原，礦區(qū)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(jīng)過前期開采，4 100 m中段以上殘留有大量的礦房(空區(qū))和礦柱。2017年以后，該礦山充填系統(tǒng)建設(shè)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(jìn)展較慢。

2.2 原設(shè)計資料交底

本次礦山礦房礦柱回采設(shè)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(guī)整，上下盤圍巖均比較穩(wěn)固，適宜工程布置和施工。

礦房采用雙排斗+電耙出礦底部結(jié)構(gòu)的淺孔留礦法進(jìn)行開采，設(shè)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(biāo)高4 106 m，拉底層標(biāo)高4 112 m，漏斗間距8 m。

2.3 開采技術(shù)條件

2.3.1 礦房開采及空區(qū)情況

目前，4206礦房回采完畢，以空區(qū)形態(tài)存在。該礦房回采時，由于技術(shù)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(biāo)高，而南端回采標(biāo)高基本在4 145 m)。

2.3.2 區(qū)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(qū)，該礦房空區(qū)與露天坑連通，并已堆滿廢石(廢石堆積標(biāo)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(xiàn)回采至4 065 m標(biāo)高；4206采場上盤、下盤無相鄰采場；北側(cè)為42306采場，該采場正在采用無底柱分段崩落法進(jìn)行回采(分段斜坡道可以利用)；南側(cè)為4207采場，該采場以前采用崩落法對頂柱進(jìn)行過放頂處理，現(xiàn)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(qū)處理使用。此外，4206底柱回收工程(平底結(jié)構(gòu)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(jìn)行劃分，4206礦房空區(qū)周邊主要礦柱有：上盤掛幫保安礦柱、礦房頂?shù)字?線和4線隔離間柱，礦柱區(qū)域及礦量統(tǒng)計情況見表1。

其中，4206礦房底柱(平底結(jié)構(gòu))回采方案以及4206礦房上部的3205礦房2線間柱(圖1(b))已經(jīng)確定，所以本次礦房礦柱回采設(shè)計主要針對4206礦房空區(qū)，包括有：4206空區(qū)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(qū))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(tǒng)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(qū)進(jìn)行充填后，再進(jìn)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(jié)充填能力均已具備[6]。其干式充填采礦法常配合崩落法進(jìn)行使用(方案二)，本次充填回采方案為提高各項回收指標(biāo)并一次性解決礦柱回采后形成新的空區(qū)問題，空區(qū)充填和礦柱回采均采用尾砂膠結(jié)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(shè)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(jìn)行回采，4206礦房部分頂柱及上部3205礦房底柱采用進(jìn)路式間隔充填采礦回采。

為實(shí)現(xiàn)充填回采方案，需利用4206礦房北側(cè)42306礦房分段斜坡道工程，在上盤新掘進(jìn)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(tǒng)計Table 2 Statistics of cutting engineering for filling mining scheme

3.1.2 回采工藝

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

2) 炮孔布置：淺采壓頂，炮孔小于4 m。

3) 設(shè)備要求：采用YT-28淺孔鉆機(jī)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(yùn)該井進(jìn)行出礦，采場出礦最大運(yùn)距為60 m。

5) 施工順序：①按照充填強(qiáng)度要求，對4206空區(qū)進(jìn)行充填保證礦柱回采空區(qū)安全穩(wěn)定；②自4126分段4119分層依次進(jìn)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(qū)廢石層作為爆破自由面方向，進(jìn)行爆破，即將敞空礦房變?yōu)槌涮?干式)礦房，保證空區(qū)上盤安全后進(jìn)行礦柱回采(圖3)。礦柱回采時，空區(qū)即刻被上部露天坑廢石填滿，無需再次進(jìn)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(jìn)分段工程，工程布置與無底柱分段礦房類似，但2線間柱內(nèi)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(nèi)炮孔排面平行切割橫巷，呈側(cè)向扇形布置，切割橫巷(2N線)內(nèi)利用深孔一次成井技術(shù)，直接形成切割天井；4 152 m、4 139 m、4 122 m各分段內(nèi)與無底柱分段崩落法基本一致，分段內(nèi)炮孔排面垂直鑿巖巷，呈上向扇形布置。

2) 設(shè)備要求：采用YGZ-90型中深孔鉆機(jī)鑿巖，鉆孔孔徑為60 mm。

3) 出礦方式：各分段自行倒運(yùn)礦石至42306礦房4線溜井進(jìn)行出礦，分段內(nèi)最大運(yùn)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(qū)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(chuàng)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(shù)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(qū)是否滿足爆破礦量松散系統(tǒng)進(jìn)行計算。爆破后，露天坑與4206采空區(qū)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(qū)，也無需再次進(jìn)行空區(qū)處理(圖4)。

表3 分段崩落回采方案采切工程統(tǒng)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(chǔ)上，大爆破回采方案僅需要進(jìn)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(shè)一個點(diǎn)柱，點(diǎn)柱規(guī)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(tǒng)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(nèi)利用深孔一次成井技術(shù)，直接形成切割天井，3205底柱及4206頂柱，鑿巖沿脈內(nèi)炮孔排面平行切割糟，呈側(cè)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(jié)構(gòu)以及4 100 m中段2線穿脈，在底部進(jìn)行出礦[9]。

3) 設(shè)備要求：采用QZJ-100B型潛孔鉆機(jī)(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(yōu)選

4.1 技術(shù)比較分析

各采礦方案技術(shù)指標(biāo)和優(yōu)缺點(diǎn)對比見表5。由表5可知，三個方案都是技術(shù)可行的方案，并各有優(yōu)缺點(diǎn)，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(qiáng)度較大，潛孔鉆機(jī)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(biāo)居中，采切工程量較少，是相對較好的技術(shù)方案。

表5 技術(shù)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(jié)合基本要求中的合理性要求，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益、礦山規(guī)劃等方面情況進(jìn)一步進(jìn)行確定。

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

2) 生產(chǎn)規(guī)劃要求。方案二與方案三雖均能滿足礦山生產(chǎn)成本要求，但方案二分段采切工程位于空區(qū)上盤，與空區(qū)較近，巷道掘進(jìn)過程中不可預(yù)見因素較多，礦柱回采工程整體周期較長，鏟運(yùn)設(shè)備將會長期征用，這與礦山要求提早實(shí)現(xiàn)上部中段閉坑，減少分散的采掘作業(yè)面規(guī)劃相違背。因此，最終選取方案三為礦山實(shí)際施工方案。

5 結(jié) 論

1) 礦房礦柱回采與空區(qū)處理具有統(tǒng)一性、及時性、合理性要求[10]，進(jìn)行方案設(shè)計時，要充分考慮礦房空區(qū)與礦柱回采之間的相互關(guān)系，最終才能實(shí)現(xiàn)礦柱安全高效回采和空區(qū)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(jié)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(qū)處理方案時，必須經(jīng)過較為精細(xì)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和礦山適應(yīng)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(qū)，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。