天马山硫金矿床采空区矿柱回采工程研究与实践

吴家平 胡永泉

(1.铜陵有色股份天马山黄金矿业有限公司;2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室)

铜陵有色股份天马山黄金矿业有限公司是原铜官山铜矿关闭破产后重组的矿山企业，主要开采天马山硫金矿床。在十几年的开采过程中，天马山硫金矿段由于地表不允许陷落，主要采用空场采矿嗣后充填采矿方法开采，但在对空区充填过程中，由于选矿后尾砂量较少，不能满足采空区充填的需求，导致空区充填欠账逐年增大。同时，矿区内留设了大量矿柱，造成资源的浪费，如何安全有效的回收这部分资源，对本公司缓解资源逐渐枯竭的危机形势，有着重要的意义。

1 矿床地质概况

天马山矿体(矿带)赋存于铜官山背斜的南东翼，属高中温热液型高砷硫金矿床，诸矿体大多产于石炭系黄龙组地层之中，局部产于船山组地层。总体走向北东向，走向长1 700余m，倾向南东，倾向宽近1 200 m。该矿床各矿体主要受地层层位控制，其次受岩层中裂隙构造及接触带构造控制，其产状随围岩产状变化而变化。矿体的形态较为简单，主要呈似层状，其次为透镜状、筒状、脉状等。矿体分布走向大致为S—N向及NNW—SSE向，倾向大致为E及NEE方向。接触带矿体呈半弧形，倾向自北而南在250°～320°间。矿区在－95 m中段以上地层产状较缓，矿体产状亦较缓，－175 m中段以下地层产状变陡，矿体产状亦较陡，矿体形态简单，－95～－175 m中段之间为地层产状自上而下由缓变陡地段，矿体也相对较肥大，形态偏复杂。

Ⅱ号硫金矿体呈透镜状、筒状，形态较复杂，分布于4～9线，倾向北东，倾角30°～50°，产状不稳定。矿体沿走向长221.5 m，沿倾向斜深平均75 m。厚度平均18.46 m。赋存标高为+46～－73 m。

2 采空区特征

天马山矿段采空区数量众多，形态各异，各个中段分布不均，形成时间不一，前后有的相隔10～20 a。采空区分布在+5 m中段21个、－25 m中段15个、－55 m中段17个、－95 m中段17个、－135 m中段6个，－175 m中段9个，其中空区暴露面积最大的是－55 m中段Ⅰ采区，达4 000 m2。总的来说，－25 m中段以上矿体属缓倾斜中厚型，空区暴露面积虽大，但高度一般较低;而－25 m中段及以下中段，采空区暴露的面积不大，但高度一般较高。2008年底井下总计采空区容积约80万m3，其中已充填约18万m3。

拟回采矿柱位于－55 m中段南部7#～9#勘探线之间的Ⅱ号矿体经多年开采后形成的3个空区之间，空区特征见表1，平面位置见图1，其中Ⅲ采区Ⅳ采区之间留有10 m宽的矿柱，Ⅰ采区和Ⅳ采区间为新1#矿柱，长宽高尺寸分别为70 m×19 m×30 m，残留矿石量约18万t。

图1 －55 m中段南沿空区新1#矿柱平面示意

表1 －55 m中段7#～9#线南沿空区特征

3 矿柱回采方案分析

3.1 宏观地压调查

拟回采新1#矿柱矿石量约18万t，为回收该部分矿产资源，矿山前期加大了工作力度，对它进行了数值模拟分析研究，确定对它的南、北两端各回采长度为20 m的矿块，在它的中间留一个长度为30 m的点式矿柱，让这个点式矿柱替代新1#矿柱支撑采空区，待尾砂充填处理后，它将作为永久矿柱损失。

矿体上盘围岩主要为大理岩，下盘围岩主要为角页岩。根据矿岩岩石力学参数及井下+5、－25、－55、－95 m等中段的地质调查情况，矿体及顶底板围岩属中等以上的坚硬岩石，节理裂隙绝大多数是呈闭合状态，层间紧密结合，且无充填物，迹延伸不长。硫金矿体、大理岩、闪长岩和角岩的节理频率分别为1.25、0.80、2.15和1.16条/m。采空区岩帮无渗水，底板无积水，没有发生过大面积冒顶和垮塌的现象。

据此分析，本矿床的矿体及上下盘的岩体，大部分完整性都好，总体稳定性好。

3.2 矿岩稳定性分级

天马山硫金矿体及顶底板围岩属中等以上的坚硬岩石，岩体的总体质量好，节理裂隙不发育，研究采用工程岩体分级标准(GB50218)对岩体进行分级，采用定性与定量相结合的方法进行，按分级标准逐项进行比对，判定岩石坚硬程度(RC)、岩石完整性系数(KV)和岩体体积节理数(JV)。通过调查对岩体质量分级，天马山矿床岩体的坚硬程度(RC)定性指标均确定为坚硬或较坚硬;岩体完整程度(KV)均确定为完整或较完整;再考虑地下水状态、初始应力状态和主要结构弱面产状影响，对岩体基本质量指标BQ进行修正，最终结果见表2。

根据岩体基本质量(BQ)级别对该矿段围岩和矿体均确定为Ⅱ级。

3.3 地压监测分析

－55 m中段的新1#矿柱，东西两侧都有较大的采空区，矿山已进行长期的地压监测。根据2006年10月—2008年4月的监测统计(见表3)，位移的当次和累计的量都很小，反映岩体的完整性和稳定性较好。从空区周围钻孔应力、应变(见表4)监测结果分析看，监测数据变化也是微小的，反映采空区基本上没有发生大的明显的地压活动。目前，它基本上是处于稳定的。从宏观观察，井下采空区范围内没有发生地压显现活动迹象。总之，采空区目前仍处于相对稳定状态中。

表2 岩体基本质量指标计算结果

表3 采空区地压岩体位移监测结果(+5 m钻孔多点位移计) mm

表4 采空区钻孔应变监测

3.4 矿柱回采方案模拟分析

3.4.1 矿柱回采方案

对分布在南部7～9线的新1#矿柱，为分析新1#矿柱在开挖后的岩体应力平衡状态、围岩变形、移动和破坏状况等。采取建立三维有限元计算的地质模型，通过数值模拟计算分析，对新1#矿柱进行模拟计算研究。为下一步对新1#矿柱实施回采提供决策依据。新1#矿柱南北方向长度70 m，东西方向宽18 m，垂高约40 m左右，矿石量预计18万t左右，是在矿房开采过程中预留的矿柱。

根据现场调查及回采工程布置情况，采用在新1#矿柱的中间部位预留的点柱的方法，对新1#矿柱进行回采，初步确定采用预留点柱20、30 m 2种方案进行论证分析。

3.4.2 方案模拟分析结果

(1)通过模拟2种方案矿柱回采前后应力变化的比较分析，采空区顶板变形会在20 mm以内，点柱的变形会在10 mm以内;点柱预留20和30 m时，最大的应力都在允许的范围内。

(2)从回采前后的应力集中情况、安全系数的比较分析，预留30 m的点柱，其主应力较为分散，没有出现安全系数小于1的节点，稳定性好;但在20 m点柱时，主应力相对集中，并出现了安全系数小于1的节点。因此，在实际的回采中预留30 m的点柱较安全可靠。

(3)通过对新1#矿柱及其围岩的岩石力学分析和数值模拟分析，认为目前及其采空区围岩处于安全承压状态，可在其中布置采准切割工程，并且留设30 m点柱的情况下开采后点柱及采空区仍处于稳定状态，回采后的采空区围岩不会有较大的塌落范围，更不会塌落至地表。

4 矿柱回采效果

2008年底制定矿柱回采计划，进行了相应的单体设计，在预留30 m点柱南北两侧布置4个采场，采用分段凿岩阶段出矿，回采完毕后点柱作为永久损失，最终空区采用全尾砂充填。

单项工程于2009月1月开始施工，6月开始回采，于2010年3月回采完毕，共采出矿石8.2万t，有效的回收了资源，取得了较好的经济效益。

矿柱回采结束后，受充填料和井下采矿影响，空区暂不具备充填处理条件，为此继续加强采空区的地压监测，通过1年多的监测数据分析，矿柱回采后空区虽有所增大，采空区依然处于相对稳定阶段。

5 结语

(1)通过对采空区的地质环境和现状调查，依据地压监测成果，采用数值模拟分析手段，对新1#矿柱回采的方案进行论证，在确保安全的前提下，有效提高了资源的利用率。

(2)矿柱回采工程充分利用原有采切工程，采用分段中深孔落矿，阶段出矿，提高了回采速度，增加了回收工作的安全，取得较好的经济效益。

(3)矿山井下有数10个空区中留有一定数量的矿柱，其中部分矿柱矿量可以回收，新1#矿柱回收工程的顺利完工，为本矿段其他空区矿柱的回采积累宝贵经验。

［1］ 盛立新，张传信.狮子山铜矿采空区矿柱安全回采技术与实践［J］.金属矿山，1999(3):15-17.

［2］ 郭金峰，张传信.狮子山铜矿特大空区安全监测与稳定性研究［J］.江西有色金属，2003(04):14-18.

［3］ 朱昌玉.采空区矿柱安全回采技术与实践［J］.金属矿山，2008(7):157-159.