呷村银多金属矿复杂空区矿房矿柱回采方案优选研究

孙 健，周延锋，郑良忠

(四川鑫源矿业有限责任公司，四川 甘孜 627150)

空场采矿法，因其采矿成本低、基建时间短、空区处理简单等特点，在我国采矿装备相对落后、矿山采矿规模较低的时期得到了广泛推广和应用。该采矿方法的出发点是依靠矿石、围岩自身的稳固性和矿柱来维护采空区[1]，待矿房回采结束后，再有计划地回采矿柱(或不回采)、处理空区。截至目前，空场采矿法依旧是环境偏远、产能不大的中小型地下矿山的主流采矿方法，在全国地下矿山开采中占有相当大的比例。

但空场采矿法在实施过程中，因矿山过分追求时效，矿柱回采、空区处理滞后等现象屡现不止，随着时间推移，该类矿山将会逐渐暴露出以下问题：①矿柱大量积压，开拓矿量中占比较高，三级矿量失衡[2]；②空区以永久矿柱支撑和封闭隔绝方法为主，高品位矿柱矿量损失严重；③地压情况及旧有巷道工程发生变形，新掘巷道或充填回采，成本增高；④矿柱回采以深孔崩落方式为主，经济指标较差。

因此，为提高矿柱回采经济效益，矿柱回采及空区处理工作应该得到使用空场采矿法的矿山的高度重视，提早进行矿柱回采、空区处理规划，选择合理方案和措施，既是取得良好经济效益的保证，也是有效解决矿柱回采、空区处理滞后问题的手段。

1 基本要求及方法分类

1.1 矿房矿柱回采的基本要求

1) 统一性要求。一般来说，矿柱回采的工艺设计及选择不可避免地会受到空区安全性问题的影响；反之，无论采取何种方式方法处理矿房采空区，都会同时受到矿柱回采工艺需求的影响。因此，矿柱回采和空区处理工艺设计和选择应是相互统一、不可拆分、同时进行的。

2) 及时性要求。及时进行矿柱回采和空区处理，可以有效控制地压，消除隐患，有利于降低巷道维护费用，缩短采掘作业线，便于集中管理，提高工程利用率，避免不必要的重复采切工作，从而提高设备的利用率[3]。

3) 合理性要求。矿柱回采和空区处理的技术条件要比矿房回采复杂和困难，而回采技术经济指标一般低于矿房回采[3]。所以，应在资源利用、安全、经济效益、矿山规划等方面对矿柱回采进行全面的正确的技术经济分析的基础上，选取适宜的回采方案。

1.2 矿房矿柱回采方法分类及特点

按照矿房矿柱回采过程中空区处理方式，其回采方法可以分为：充填矿房矿柱回采和敞空矿房矿柱回采[4]。两种回采方法主要特点如下所述。

1) 充填矿房矿柱回采。采用干式、尾砂胶结等充填方式先于矿柱回采进行采空区处理，在空区处理完成后，再利用空场法、充填法进行矿柱回采。该采矿法适应性较强，回采方式灵活多样，回采技术指标较高，但因其采矿成本较高，所以多用于回采贵重或高品位矿石。

2) 敞空矿房矿柱回采。一般采用充分利用矿房空区作为自由面，进行深孔爆破回采，并在底部进行出矿结构布置，其深孔布孔方式灵活，有水平深孔、垂直深孔等多种布置方式，工艺简单，回采强度和效率较高，成本较低，但在矿石价值和品位较高或需地表保护时不宜采用。敞空矿房矿柱回采后，空区面积较大，为保证安全，一般要留设一定厚度矿石垫层或采取其他措施形成覆盖岩层。

2 矿区开采技术条件

2.1 矿区概况

呷村银多金属矿地处川西高原，矿区平均海拔4 000 m以上，早期采用浅孔留矿法、分段矿房法作为主要的采矿方法[5]。经过前期开采，4 100 m中段以上残留有大量的矿房(空区)和矿柱。2017年以后，该矿山充填系统建设完成，矿山逐步推广上向水平充填采矿法和两步骤充填采矿法，浅孔留矿法、分段矿房法使用比例逐渐降低，但矿山上部矿房矿柱回采工作相对进展较慢。

2.2 原设计资料交底

本次矿山矿房矿柱回采设计矿柱主要为原4206矿房矿柱。该矿房回采矿体为勘探线2线～4线之间的铅锌PZ3矿体，属急倾斜厚矿体，矿体整体呈近南北走向，2线最为厚大，向4线呈尖灭趋势，矿体整体较为规整，上下盘围岩均比较稳固，适宜工程布置和施工。

矿房采用双排斗+电耙出矿底部结构的浅孔留矿法进行开采，设计矿房长度60 m，高度60 m，间柱宽10 m，顶柱高10 m，底柱高度12 m。电耙道标高4 106 m，拉底层标高4 112 m，漏斗间距8 m。

2.3 开采技术条件

2.3.1 矿房开采及空区情况

目前，4206矿房回采完毕，以空区形态存在。该矿房回采时，由于技术条件有限，采场回采宽度只有11 m左右(在采场顶部平均宽度只有6 m左右)，在采场上盘还有11 m左右的矿体未回采，采场回采长度只有37 m，在2线、4线留有大量的间柱未回采，回采高度上北高南低(其北端已回采至4 158 m标高，而南端回采标高基本在4 145 m)。

2.3.2 区域周边情况及影响

4206采场上部为4 160 m中段的3205矿房空区，该矿房空区与露天坑连通，并已堆满废石(废石堆积标高在4 215 m)；下部为4 050 m中段的52306采场，52306采场为上向水平分层充填法采场，现回采至4 065 m标高；4206采场上盘、下盘无相邻采场；北侧为42306采场，该采场正在采用无底柱分段崩落法进行回采(分段斜坡道可以利用)；南侧为4207采场，该采场以前采用崩落法对顶柱进行过放顶处理，现已与露天坑贯通，露天废石已充入该采场(图1)。

2.3.3 工程布置

目前，4206采场上盘4 160 m水平已施工完成一条凿岩沿脉及切割横巷，计划用于矿房顶部矿柱回收或空区处理使用。此外，4206底柱回收工程(平底结构改造)亦正在施工。

2.3.4 矿房矿柱分布及回采矿柱情况

按照矿柱功能及位置进行划分，4206矿房空区周边主要矿柱有：上盘挂帮保安矿柱、矿房顶底柱、2线和4线隔离间柱，矿柱区域及矿量统计情况见表1。

其中，4206矿房底柱(平底结构)回采方案以及4206矿房上部的3205矿房2线间柱(图1(b))已经确定，所以本次矿房矿柱回采设计主要针对4206矿房空区，包括有：4206空区上盘挂帮保安矿柱(4 130 m水平以上)、4206矿房2线与4207矿房2线间柱(4 130 m水平以上)、3205矿房底柱及4206矿房顶柱。

图1 矿房(空区)矿柱分布情况Fig.1 Distribution of pillars around stope(goaf)

表1 回采矿房矿柱编号及矿量统计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，要求先对空区进行充填后，再进行矿柱回采工作。目前，呷村银多金属矿干式充填和尾砂胶结充填能力均已具备[6]。其干式充填采矿法常配合崩落法进行使用(方案二)，本次充填回采方案为提高各项回收指标并一次性解决矿柱回采后形成新的空区问题，空区充填和矿柱回采均采用尾砂胶结充填方案(图2)。

图2 充填回采方案2N线剖面图Fig.2 Section map of 2N line of filling mining scheme

3.1.1 采切布置

本次矿柱设计，4206矿房上盘挂帮矿柱、2线间柱均采用上向水平分层充填采矿法进行回采，4206矿房部分顶柱及上部3205矿房底柱采用进路式间隔充填采矿回采。

为实现充填回采方案，需利用4206矿房北侧42306矿房分段斜坡道工程，在上盘新掘进4146分段、4126分段工程，采切工程布置及工程量见表2。

表2 充填回采方案采切工程统计Table 2 Statistics of cutting engineering for filling mining scheme

3.1.2 回采工艺

1) 充填强度相关要求：①空区充填：电耙道底板11 m以上充填体60 d强度≥4～5 MPa；中部充填体60 d强度≥1 MPa；上充填体60 d强度≥1.5 MPa；②分层充填：充填高度3 m，下部2.5 m采用低强度充填料，上部高强度充填料浇面≥0.5 m，充填体3 d强度≥0.5 MPa；③进路式充填：超前回采进路，充填体强度应≥1 MPa，滞后回采进路，充填强度≥0.3 MPa。

2) 炮孔布置：浅采压顶，炮孔小于4 m。

3) 设备要求：采用YT-28浅孔钻机凿岩，钻孔孔径为40 mm。

4) 出矿方式：将4206矿房2线人行井改造为溜井(钢井壁)，各分段自性倒运该井进行出矿，采场出矿最大运距为60 m。

5) 施工顺序：①按照充填强度要求，对4206空区进行充填保证矿柱回采空区安全稳定；②自4126分段4119分层依次进行上采。

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废石建立爆破覆盖层，并以空区废石层作为爆破自由面方向，进行爆破，即将敞空矿房变为充填(干式)矿房，保证空区上盘安全后进行矿柱回采(图3)。矿柱回采时，空区即刻被上部露天坑废石填满，无需再次进行处理[7]。

图3 分段崩落回采方案2N线剖面图Fig.3 Section map of 2N line of sublevel caving mining scheme

3.2.1 采切布置

同样利用4线42306矿房分段斜坡道工程，从4 152 m分段、4 139 m分段、4 122 m分段向南掘进分段工程，工程布置与无底柱分段矿房类似，但2线间柱内需另外布置切割横巷，工程布置及工程量见表3。

3.2.2 回采工艺

1) 炮孔布置：4 160 m凿岩巷内炮孔排面平行切割横巷，呈侧向扇形布置，切割横巷(2N线)内利用深孔一次成井技术，直接形成切割天井；4 152 m、4 139 m、4 122 m各分段内与无底柱分段崩落法基本一致，分段内炮孔排面垂直凿岩巷，呈上向扇形布置。

2) 设备要求：采用YGZ-90型中深孔钻机凿岩，钻孔孔径为60 mm。

3) 出矿方式：各分段自行倒运矿石至42306矿房4线溜井进行出矿，分段内最大运距为114 m。

4) 爆破顺序及要求：①爆破回收3205底柱及4206顶柱，使得4206空区被地表露天坑地表废石充填满，以便为4 152 m、4 139 m、4 122 m各分段爆破创造废石挤压层；②自4152分段最上分段依次退采，上一分段爆破排数超出下一分段2～3排。

3.3 大爆破回采方案

大爆破回采方案，即敞空矿房矿柱回采方案，是矿山极为常用的矿柱回采方案，需对空区是否满足爆破矿量松散系统进行计算。爆破后，露天坑与4206采空区贯通，露天坑废石层积压在矿石层上部，随着下部出矿露天坑废石填满空区，也无需再次进行空区处理(图4)。

表3 分段崩落回采方案采切工程统计Table 3 Statistics of cutting engineering for sublevel caving mining scheme

图4 大爆破回采方案2N线剖面图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原有凿岩巷及切割横巷的基础上，大爆破回采方案仅需要进行上盘挂帮矿、2线间柱下行平行垂直深孔凿岩硐室的施工，凿岩硐室施工时，每隔8 m留设一个点柱，点柱规格：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统计Table 4 Statistics of cutting engineering for major blasting mining scheme

3.3.2 回采工艺

1) 炮孔布置：4 160 m中段切割横巷内利用深孔一次成井技术，直接形成切割天井，3205底柱及4206顶柱，凿岩沿脉内炮孔排面平行切割糟，呈侧向扇形布置[8]；上盘挂帮矿、2线间柱，采用下向平行垂直深孔布置。

2) 出矿方式：利用4206底柱回收工程平底结构以及4 100 m中段2线穿脉，在底部进行出矿[9]。

3) 设备要求：采用QZJ-100B型潜孔钻机(需购买)凿岩，钻孔孔径为100 mm。

4) 爆破顺序及要求：①一次性爆破，孔外延时爆破；②上盘挂帮矿柱→2线间柱→4206顶柱及3205底柱。

4 方案优选

4.1 技术比较分析

各采矿方案技术指标和优缺点对比见表5。由表5可知，三个方案都是技术可行的方案，并各有优缺点，其中方案一，充填回采方案的贫化损失最低，但采切工程最高，工程工期最长，采矿成本较高；方案三，大爆破回采方案的采切工程量最小，采矿成本最低，但矿石损失贫化率最高，劳动强度较大，潜孔钻机需要另外购买；方案二，分段崩落法回采方案，损失贫化率、采矿效率等指标居中，采切工程量较少，是相对较好的技术方案。

表5 技术比较表Table 5 Technical comparison table

4.2 矿山合理性要求分析

确定矿房矿柱回采方案时，还需结合基本要求中的合理性要求，结合经济效益、矿山规划等方面情况进一步进行确定。

1) 生产成本要求。呷村银多金属矿，地处川西高原地区，材料价格普遍较高，尾砂胶结充填成本单价在60元/t以上。方案一，需对4206矿房空区进行尾砂胶结充填，按照目前矿石市场价格过对矿石经济品位经进行计算，其接近该方案出矿品位，创造的经济效益在三种方案中最低。

2) 生产规划要求。方案二与方案三虽均能满足矿山生产成本要求，但方案二分段采切工程位于空区上盘，与空区较近，巷道掘进过程中不可预见因素较多，矿柱回采工程整体周期较长，铲运设备将会长期征用，这与矿山要求提早实现上部中段闭坑，减少分散的采掘作业面规划相违背。因此，最终选取方案三为矿山实际施工方案。

5 结 论

1) 矿房矿柱回采与空区处理具有统一性、及时性、合理性要求[10]，进行方案设计时，要充分考虑矿房空区与矿柱回采之间的相互关系，最终才能实现矿柱安全高效回采和空区处理。

2) 针对4206矿房矿柱，提出了3种较为合理的回采方案，其中，方案一、方案二分别属于充填矿房矿柱回采中尾砂胶结充填矿柱回采法和干式充填矿柱回采方法，方案三属于敞空矿房矿柱回采法。

3) 在确定矿柱回采与空区处理方案时，必须经过较为精细的技术、经济和矿山适应性对比。在呷村银多金属矿，大爆破回采方案可能较为合适，在其他地区，充填回采方案会因充填材料、充填成本的降低而成为首选方案，而在不要求时效性时，分段崩落回采方案亦可能成为最终的回采方案。