急倾斜中厚矿体采矿及采空区处理方法分析

师帅康，沈陆垚

(合肥工业大学，安徽 合肥 242000)

急倾斜中厚矿体采矿及采空区处理方法分析

师帅康，沈陆垚

(合肥工业大学，安徽 合肥 242000)

以广西大新锰矿为例，介绍了急倾斜中厚矿体开采时主要应用的采矿方法，以及在提高回采率方面有明显优势的人工底柱和人工间柱方案。同时结合锰矿采空区的实际情况，分析了3种常见采空区的处理方法，根据锰矿的实际情况进行了矿体采空区处理方法的选择。对锰矿矿体开采方案的确定以及矿体采空区处理方法的选择具有一定指导意义。

锰矿；急倾斜中厚矿体；采矿方法；采空区处理方法

0 引 言

本文结合广西大新锰矿矿山和矿床的基本情况以及原有的开采技术条件，针对现存的问题，为保证矿体开采的安全连续性，提高矿体回采率，重点分析了回采工艺中人工底柱和人工间柱方案的优势[1]。针对大新锰矿地下矿山采空区高达88.6 m3的现状，为避免矿体采空区坍塌所带来的人畜和设备伤害，以及地质灾害，本文针对已经提出的采空区处理方法进行了重点分析介绍[2]。

1 锰矿开采方法

1.1基本情况及开采条件

位于广西大新县下雷镇的广西大新锰矿矿区为典型的沉积型碳酸锰矿床，矿层存在于硅质岩、钙质泥灰岩以及上泥湓统榴江组泥灰岩等过渡岩相内[3]。大新锰矿矿层可分为3层，最下面的为第1矿层，1矿层底板为夹泥质岩和泥质灰岩，平均厚度约1.66 m；1矿层之上为夹1，平均厚度约2.5 m；夹1之上为第2矿层，平均厚度约为2.2 m；其次为夹2，平均厚度约为0.5 m；最上层为第3矿层，3矿层的顶板为硅质岩，平均厚度约为1.58 m，之后为泥岩和硅质岩。因为夹1层和夹2层厚度较小，因此该锰矿适合3层矿合采[4]。

该锰矿矿石坚固系数约为10～15，密度约为3.13 t/m3，质地稳定坚固；岩石坚固系数约为10，密度约为2.7 t/m3，属于中等稳定坚固状态；矿岩松散系数约为1.5，自然安息角约为50(°)。该矿体上部分地质构造简单，矿岩稳固，具有较好的完整性，但潜在水面之下的矿体由于复杂的水文地质条件，是开展矿体开采工作的难点[5]。

1.2采矿方法

分析大新锰矿的基本情况，矿体开采一般采用分段中深孔落矿留矿法[6]，矿房的宽度约为7 m到12 m，即锰矿矿体的宽度，矿房长度约为60 m，高度约为60 m。铲运机需要配合短溜井出矿，底柱于下中段进行回采，顶柱随矿房中深孔进行回采，间柱不进行回采。铲运机为1.5 m3电动铲运机，从阶段平巷运送至阶段联络道内，而后进行解体，并由人行通风天井提升6 m高后到达出矿水平,组装之后可将其投入运行。

根据实际生产运行情况，发现该方法存在以下几个问题：

1)采空区问题的处理没有得到有效的重视，深度开采存在冒顶和岩爆的可能性；

2)矿柱的回采需要经过5年以后，由于时间间隔较长，回采的可行性并没有得到可靠验证；

3)矿体深层存在严重的防水以及排水问题。

为了解决以上矿体开采存在的问题，首先要将矿房变成相对独立的空区，而且在出矿作业完成后，需要从矿体的上中段部分填充矸石，为此需要借助框架结构，采用人工底柱以及人工间柱方案，从而达到经济技术上合理性和可行性。

2 回采工艺

由于采矿的出矿方式为铲运机运送，在中间段还未开发完成的，没有从中间段出矿井的前提下，采取提高底柱的方法，简称短溜井出矿，从而提高矿体的出矿效率。通过凿岩道和矿脉勘探技术来控制矿体，可以更加准确的划分矿石边界，从而指导中深孔岩石钻井的设计和施工，以降低贫化率，提高采收率。具体施工工作的开展包括，确定矿房高度约为60 m，底柱高度约为6 m，凿岩工作分3段进行，每段高度约为18 m；沿着矿体开凿天井，并确定天井为位置位于间柱内。作业开展的主要程序为：首先进行穿脉，然后进行天井的开凿工作，形成人工底柱以及人工间柱，溜井并铲运机道出矿进路，接着进行岩道的开凿，进行探矿穿脉，以及凿岩爆破工作，最后出矿回填[7]。

2.1人工底柱方案

穿脉时，凿岩道由矿体中心开凿，利用YGZ-90凿岩机，进行扇形中深孔的开凿，并将矿房的底柱设定为控制范围。利用尾砂胶结或者水泥填补爆破出矿之后形成的采空区，从而得到人工底柱。为了提高人工底柱对较大爆破冲击力以及填充物的重量压力，从而确保在进行中断回采时，采空区不发生坍塌的事故，需要连续浇筑多个矿房的人工底柱，从而形成一个更加稳定坚固的人工底柱整体。

2.2人工间柱方案

人工间柱的形成需要同时形成矿房的切割天井，这也是人工间柱作业的难点。人工间柱的回采以及施工过程主要包括：首先开采矿体浅孔，然后利用尾砂胶结进行填充并进行回采，从而形成人工间柱方案。首先，挖掘天井，然后用2 m层高的分层刷来帮助矿石的边界，层层浇注。这一过程频繁转换，劳动强度大，施工难度大，但是工人容易掌握。

2.3凿岩爆破

经过四年时间的实践，中深孔的爆破经历340中段，如今中深孔爆破技术经验丰富，日趋成熟，孔网参数更加合理。经验表明，爆破效果较好的爆破炸药单耗量约为0.44 kg/t，此时爆破过程损耗量较小。矿体从最上端进行起爆逐渐向下，并采用后退式的回采方法，上段起爆超前下段，可间隔一到两个爆破步距。沿用YGZ-90凿岩机并利用FJ-25型台架加以配合，进行垂直扇形中深孔的钻凿，保持中深孔孔径在60～65 mm之间，同时保证1.8～2 m的排距以及1.4～2 m的孔底距。装药过程人工进行，起爆方式采用毫秒导爆管进行，保证每次的可起爆2～3。对于矿体顶柱的回采可与矿房一起进行。

3 锰矿空区处理方法

进行采空区的处理主要是为了对岩石的集中压力进行减缓并且将压力集中部分进行转移，从而改善岩石中压力的分布情况，提高矿体的安全可靠性。对于矿体采空区的处理需要达到以下目的：首先需保证技术的可行性以及经济的合理性；其次保证矿体的安全可靠性，保证作业开展的安全方便性，能够提高矿体的回采率，并且尽量缩短采矿作业对矿山的影响周期。

现如今，矿体采空区的处理方法主要包括3种，分别是充填法、崩落法以及封闭法。而3种采空区处理方法的选择需要人们根据矿体的实际地质情况以及开采情况并综合考虑多种因素的影响，最后加以确定。线面分别针对3种矿体采空区处理方法进行具体分析介绍。

3.1崩落法处理矿体采空区

矿体采空区利用崩落法进行处理，即利用中深孔、深孔或者药室爆破将周围岩石崩落，利用崩落岩石将矿体采空区进行填充，从而得到缓冲层。在矿体的顶端发生较大范围的岩石突然塌落的情况时，形成的缓冲层能够及时缓冲岩石塌落产生的瞬时冲击气流，从而减少对工作人员的伤害，对设备器械的损害，与此同时可以释放集中的应力，从而减小对顶板岩石的压力。

一般情况下，按照采用的崩落方式可以将围岩的崩落法分为两种，分别是强制崩落法以及自然崩落法。自然崩落方法适合倾斜以及缓倾斜矿体开采时矿体采空区的处理，同时还要保证矿体采空区具有良好的爆破性；二对于强制崩落法，适用于急倾斜矿体开采时对矿体采空区的处理，此时，由于矿体采空区顶板的暴露面积较小，对矿体采空区形成长时间连续性的威胁，应对局部围岩进行强制崩落从而填充矿体采空区以消除威胁。

对矿体采空区利用崩落法进行处理时，还需要注意气流流向的疏通，即作业时要对一次的爆破崩落量进行有效控制，从而减小由于爆破产生的瞬时冲击波带来的损失。与此同时，为了合理控制矿体采空区崩落法处理时的经济支出，可以综合考虑对矿体矿柱进行回收，在进行矿柱处理时可产生一部分经济效益。

3.2充填法处理矿体采空区

实际矿区中存在地表不支持矿体塌落的情况，此时利用崩落法处理矿体采空区会造成矿区地表大面积的塌陷情况。这种情况下只能利用尾砂、废石以及其他胶结材料对矿体采空区进行填充。通过对采空区的充填从而提高对围岩的支撑能力，减小周围岩石的应力，避免围岩的变形，从而能够保证矿房围岩的相对稳固程度。而充填法根据采空区充填材料的不同也可以进行不同的区分，分别为胶结充填法，尾砂充填法以及废石充填法。

废石充填法即矿体采空区的填充材料一般为地表裸露的脱落的废石以及矿井开凿产生的废石等；尾砂充填法即利用选矿厂进行选矿之后所产生的尾砂进行矿体采空区的填充。利用充填法对矿体采空区进行处理需要建立相应的填充系统，即在进行采空区开凿钻孔，凿道钻井或者管道填充等作业的同时需要将填充料运送至井下的矿体采空区。因此，利用充填法进行矿体采空区处理时，存在工程量较大、填充成本较高以及填充系统复杂的缺点，但也有矿体采空区处理效果好的优势。因此对矿体采空区进行充填法处理将随着矿体采空区填充工艺的改善以及尾砂、废石的处理技术的提高得到更加广泛的应用。

3.3封闭处理矿体采空区

矿体采空区封闭法的处理即将矿体采空区利用封堵墙进行封堵，把矿体采空区和作业区进行隔离，从而避免采空区塌落时冲击电流对工作人员以及施工设备的伤害，减小采空区塌落带来的各种损失，同时方便施工人员在作业区的施工作业。采用封闭法处理矿体采空区需要考虑封闭区域的选择以及封闭墙厚度的确定，封闭区域以及隔离墙厚的选择是否准确将直接影响封堵的质量和效率。因此隔离墙厚度的选择一般根据不同采空区的大小进行确定，而封堵点的选择一般以与运输通道相连的穿脉和各种联络通道为基准。

3.4大新锰矿采空区处理方法的选择

广西大新锰矿矿体采空区的处理既要保证施工的安全可靠性，又要具有技术上的可行性还要保证经济上的合理性，同时还要减小采空区处理措施对现有生产施工方式的影响。而大新锰矿南翼中东部矿段为急倾斜矿体，且处于有露天开采转地下开采阶段，矿体围岩较为稳固，地表压力较小，开采深度较小，同时综合考虑如今锰矿矿石的市场价格，可对矿体采空区进行封闭法处理。

对于部分矿房已经存在采空区的情况，可对穿脉进行直接封堵；而对于较新的矿房可在开始进行回采作业时进行岩道以及联络道的段凿同时修建封闭区域隔离墙，在回采作业完成之后在穿脉以及电耙道修建隔墙进行封堵形成矿体采空区封闭区域。

大新锰矿利用封闭法进行矿体采空区处理的方案，可在矿体采空区发生大面积塌陷事故时，避免瞬时的气流冲击波对井下施工人员的伤害以及对施工设备的损害，从而确保正常生产作业。与此同时，隔离墙的存在也可以避免施工人员误入采空区危险区域发生意外，并且隔离墙的也可以作为风门，防止气流紊乱，改善通风系统。

4 结 论

矿体进行开采作业的初级阶段应首先根据矿区的实际情况，确定经济技术合理的矿体开采方案以及矿体采空区处理方案[8]。从而确保整个开采过程的安全可靠性和经济技术合理性，确保矿体开采经济效益的最大化。本文针对原有的锰矿矿体开采方法存在的问题，为保证矿体生产的安全连续性，重点介绍了在提高矿体回采率作业中有明显优势的人工底柱和人工间柱法。对于矿体开采导致采空区的问题，本文也详细介绍了崩落法、充填法以及封闭法三种矿体采空区处理方法，并区分了三种处理方式的主要区别和使用条件，最后以广西大新锰矿为例，大新锰矿的实际情况进行了大新锰矿采空区处理方法的具体确定。为锰矿矿体的开采方案的确定和矿体采空区处理方式的选择提供了一定的参考依据。

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AnAnalysisofMiningandGoafTreatmentMethodforSteepandMedium-thickOrebody

SHI Shuaikang, SHEN Luyao

(HeFeiUniversityofTechnology,Anhui,Hefei242000,China)

This paper takes Guangxi manganese as an example to introduce the mining method, as is mainly used in steep thick orebody mining. It has obvious advantages in increasing the recovery rate of artificial bottom column and artificial pillar scheme. At the same time, combined with the actual situation of manganese mine goaf, we have also analyzed three kinds of goaf and we have also picked Guangxi Mn-ore as an example to the actual situation of ore mining area with selection methods of air. The work is of certain guiding significance for the determination of the mining scheme of manganese ore-bodies.

Manganese ore; Steep medium thick orebody; Mining method; Goaf treatment method

2017-07-19

师帅康(1997-)，男，河南洛宁人，本科，研究方向：机械设计制造及其自动化，手机：13053233256，E-mail：12389868@qq.com.

TD861.2

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.025