急倾斜中厚矿体采矿及采空区处理方法的探讨

刘思敏,吴沅声,李德峰,潘承武

(广西锡山矿业有限公司,广西南宁 530022)

1 矿山现状

广西大新锰矿地下采矿主要采用浅孔留矿法及中深孔崩矿法。此前,采空区处理并没有纳入到开采设计中,在开拓及采矿时没有认真研究处理采空区问题。目前,采空区基本以敞空的形式存在,造成处理困难,对下阶段回采形成严重隐患。而且造成大量矿柱无法采出,资源浪费严重。现阶段,大新锰矿60万t/a地采工程有一部分已进入采准切割阶段,计划于2011年下半年回采。在现有基础上选择更为合理的采矿工艺,充分考虑采空区处理,在开采前做好地压处理的方案与设计,开采后及时处理空区,消除地压隐患,提高矿石回采率,显得尤为重要。

2 采矿方法

2.1 矿体基本情况

矿层赋存于上泥盆统榴江组泥灰岩、钙质泥灰岩、硅质岩等过渡岩相内。属沉积碳酸锰矿床,近地表为氧化锰矿。锰矿层共有3层,锰矿层产状与围岩一致呈层状产出,层位稳定。自上而下为Ⅲ矿层1.49～1.68 m,夹二 0.5～1.0 m,一般 0.4～0.5 m；Ⅱ矿层1.74～2.69 m,夹一 2～10 m,Ⅰ矿层 1.52～1.79 m。Ⅲ矿层直接顶板为硅质岩,一般厚0.05～0.3 m,往上为硅质灰岩、泥岩,Ⅰ矿层直接底板为泥质灰岩、夹泥质岩。矿体南翼0～32线,该区段矿体变化平稳,东西走向,220 m以上绝大部分为急倾斜〔大于 55(°)〕,一般倾角约为 75(°),夹二 0.4～0.5 m,夹一平均2.18 m。且该地段地质构造简单、围岩中等稳固、完整性较好。由于夹二、夹一厚度较小,宜三层矿合采。

2.2 原采矿方法

根据矿层的赋存条件,设计采用分段中深孔落矿留矿法[1],矿房长×高=60 m×60 m,宽为矿体宽度,约7～12 m,铲运机配合短溜井出矿,顶柱随矿房中深孔回采。底柱留到下中段回采,间柱不回采。空区处理为自然崩落或强制崩落。采场出矿采用1.5 m3电动铲运机,它的运送可从阶段平巷送到阶段联络道内,解体后由人行通风天井提升6 m高到达出矿水平,组装后投入运行。

通过两年的生产实践证明,原设计采矿方法主要存在以下3个方面的问题：

1)矿柱的回采,间隔时间长,约为5年以后,回采的可行性值得怀疑；

2)采空区没有得到很好处理,深部开采时地压传递到深部采场,有岩爆、冒顶可能；

3)深部防排水问题。

针对存在的问题,为确保矿山生产的连续性及安全性,提高回采率,提出以下的解决方法：采用类框架结构[2],利用人工底柱和间柱,将矿房变成相对独立的空区,出矿完毕后,从上中段充填矸石。这种方法在技术上可行,而且经济上也是合理的。采用此技术处理采空区,不但做到安全生产,更重要的是可以消除冲击地压,也可以起到截水堵水目的,而且也为下中段回采顶柱创造了良好的安全条件。矿石底柱、间柱方案与人工底柱、间柱方案比较如表1。

表1 方案比较

由表1可知,人工底柱、间柱方案在回采率上优势明显,可以快速回采底柱及间柱,可以有效消除空区带来隐患,有效处理地压传递,也起到截水堵水目的,对深部矿房矿柱开采安全起到至关重要的作用。

3 回采工艺

3.1 采场布置

因使用铲运机出矿,在下中段没有开拓完毕,不具备从下中段出矿的条件下,采用抬高底柱的方法,形成短溜井出矿,提高出矿效率。利用凿岩道及探矿穿脉对矿体的控制,使矿体边界圈定更为准确,用以指导中深孔凿岩设计及施工,从而提高回采率、降低贫化率。矿房采准切割工程布置如下：矿房高60 m,底柱高6 m,共分3段凿岩,每段高18 m；间柱宽8 m；天井布置在间柱内,沿矿体掘进,断面为1.7 m×1.8 m；凿岩道沿Ⅲ矿布置,断面3 m×3 m,探矿巷在凿岩道内每隔18 m布置一条,视矿体的地质变化情况增加探矿巷,断面2 m×2 m；铲运机道布置在Ⅰ矿上盘围岩中,距离Ⅰ矿边界约6 m,每隔7 m掘进出矿进路,铲运机道及出矿进路断面规格3×3 m3；振动放矿漏斗布置在采准巷道内。矿房采切比62.3 m/万t、420 m3/万t。施工顺序为：穿脉→天井→人工底柱→人工间柱(切割天井)→溜井→铲运机道→出矿进路→凿岩道→探矿穿脉→凿岩→爆破→出矿→回填。有些工序可以平行作业或者打乱顺序。具体布置如图1所示。

3.2 人工底柱和人工间柱及框架的形成

3.2.1 人工底柱

在穿脉内,从矿体中心掘进凿岩道,用 YGZ-90凿岩机打扇形中深孔,控制范围为矿房底柱。爆破出矿后,用水泥和尾砂胶结充填,形成人工底柱。几个矿房的底柱连续浇筑,以形成一个整体。以确保其能承受大爆破冲击、承受充填体的压力,保证下中段回采时不发生坍塌。

图1 矿房布置青

3.2.2 人工间柱

人工间柱是施工的难点,形成人工间柱时顺便形成矿房的切割天井。人工间柱的回采与构筑：浅孔落矿；用胶结充填法回采,形成人工间柱。先掘进天井,然后以2 m层高分层刷帮至矿体边界,逐层浇筑而成。此工艺工序转换频繁,劳动强度大,施工较困难,但易为工人掌握。人工间柱施工示意如图2所示。

图2 人工间柱施工示意

3.3 凿岩爆破

中深孔爆破经过340中段将近4年的实践,积累了丰富经验,爆破操作技术日趋成熟,孔网参数也比较合理,炸药单耗控制在0.22 kg/t左右,爆破效果好,损失贫化较小。矿块起爆顺序自上而下,后退式回采,上分段超前下分段1～2个爆破步距。落矿采用 YGZ-90凿岩机配FJ-25型台架在分段凿岩道中钻凿垂直扇形中深孔,孔径60～65 mm,排距1.8～2 m,孔底距1.4～2 m,乳化炸药人工装药,毫秒导爆管起爆,每次起爆2～3排。顶柱随矿房一起回采。

4 空区处理

采空区处理的目的是,缓和岩体应力集中程度,转移应力集中部位,或使围岩中应变能得到释放改善应力分布状态,控制地压,保证矿山安全持续生产[3]。采空区一般处理要求[4]：

1)技术经济合理；

2)安全可靠,施工方便；

3)提高矿床资源回收率；

4)影响矿山生产时间要短。

根据以上原则,矿房采用矸石充填处理方法。这种矸石充填与胶结充填相结合处理采空区,能有效地控制矿山地压、防止塌陷。充填效率高,工艺简单,工人劳动强度低。矿房采完后一次充填,在充填前要对一切通向采空区的巷道或出口,进行坚固地密封。与露天采场相连接的矿房,从露天充填,效率更高,费用更低,充填效果更好。与上中段相连接的空区,在大规模爆破落矿前,开凿一些辅助工程。以340中段及280中段相连的区段为例,爆破前在340采准巷道上每隔7 m掘进一条联络道与矿体相连接,并做好安全防护措施及卸料设施,如图3所示。

待下部矿房出矿完毕后,从上部矿房采准巷充填,充填时上部有不满的情况,需要做进一步的处理。

图3 充填进路布置

5 结语

在设计阶段或生产初期应有经济合理的采矿方法及采空区处理方法,并付诸实施。通过优化设计,采用人工底柱及人工间柱,嗣后充填矸石,并提出具体的施工工艺。使矿石回收率大大提高,资源得到充分回收利用；矸石充填后,消除空区隐患、保证生产连续性、安全性的目的。研究采矿方法、采空区处理及矿柱回采的问题,对矿山安全生产,资源回收等具有积极意义。

[1]于润沧.采矿工程师手册[M].北京：冶金工业出版社,2009.

[2]陈友东,唐有德,姚香.类框架结构采空区处理新技术的研究与实践[J].有色金属 (矿山部分),2002,54(6)：4-7.

[3]依力汉.对现有条件下矿柱回采和采空区处理探讨[J].新疆有色金属,2004,(2)：12-15.

[4]徐江,崔栋梁,陈琪.金属矿山采空区处理方法综述[J].黑龙江冶金,2007,(4)：35-37.

[5]王湘桂,唐开元.矿山充填采矿法综述[J].矿业快报,2008,(12)：1-5.