三鑫金铜矿临时保安矿柱回采方法选择与应用

雷高 帅金山 胡勇 钟小荣

摘要：为高效回采三鑫金铜矿重新圈定临时保安矿柱释放的矿体，在充分考虑采场参数、回采顺序及安全稳定的情况下，初步选择了盘区分段回采阶段充填采矿法、盘区分段回采分段充填采矿法和盘区机械化上向分层充填采矿法3种采矿方法。在综合比较3种采矿方法的生产能力、安全性和经济等因素后，确定盘区分段回采阶段充填采矿法为最优方案。该方案具有工艺成熟、成本低的优点，且能够保障安全。工业试验表明：采用盘区分段回采阶段充填采矿法能安全、高效、低贫损回收释放的保安矿柱矿体，采场生产能力达到了200～300 t/d。

关键词：保安矿柱;重新圈定;盘区;分段;阶段;充填采矿法

中图分类号：TD853.34

文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2022）02-0044-07

doi：10.11792/hj20220208

引 言

金属矿山地下开采中往往会因为各种原因而留下大量的矿柱，其中为了保护地表建（构）筑物、河流和湖泊及井巷工程，矿山一般需要留设一定量的保安矿柱，这些保安矿柱往往会造成大量矿产资源的损失和浪费。在南非，开采深度超过2 500 m的竖井不允许留设保安矿柱[1]。近年来，随着地下采矿技术尤其是充填采矿技术的日臻成熟，部分地质条件复杂的矿体逐渐具备开采条件[2]。程潮铁矿[3]、红透山铜矿[4]等矿山在这方面均取得了较好成效。随着矿产资源量逐渐枯竭，对保安矿柱的回收显得极为重要[5]。

湖北三鑫金铜股份有限公司（下称“三鑫金铜矿”）位于湖北省大冶市，是一家资源丰富、价值高、开采条件复杂、地表不允许沉陷和岩层移动的多金属矿山企业，经过多次技改扩建，生产能力从原来的250 t/d提高到3 000 t/d，整个开拓系统经历了4次变革。由于地表工业场地建设位置的限制和原地质工作的不连续性，导致现有工业场地出现了压矿现象，其中根据原勘探地质报告[6]，矿山老主井设计在开采岩石移动界线以外，但最新勘探资料显示，该井实际已处在开采岩石移动界线以内。虽然矿体均采用胶结充填采矿法开采，对围岩稳定性的影响不大，但为确保老主井和新主井的安全，设计保留了临时保安矿柱，临时保安矿柱必须待所有其他矿体回采完毕后，再视具体情况，进行专题研究，并根据研究结果，采取特殊措施，方可回采。

在保证矿山安全生产的前提条件下，有序回收临时保安矿柱重新圈定后释放的矿体，对于充分回收利用资源、延长三鑫金铜矿服务年限、提高矿山经济效益都具有极为重要的意义。

1 临时保安矿柱概况

1.1 临时保安矿柱初步设计

在初步设计[7]时，采用类比法并参考类似矿山岩体移动资料，同时结合矿山开采多年的岩体移动规律研究成果，根据矿岩分布状况、地质构造与围岩蚀变、采空区充填处理等情况，综合确定的岩石移动角为：第四系覆土的移动角45°，基岩移动角75°，设计开采范围内最终开采深度的岩体移动范围见图1。

1.2 临时保安矿柱重新圈定

三鑫金铜矿通过和科研院所合作，对胶结充填条件下充填体力学作用机理进行了分析，并基于经验公式和安全开采深度理论对三鑫金铜矿临时保安矿柱尺寸进行了理论计算，认为-220 m以上近地表区域是稳定的，可以将-220 m水平作为安全深度的上界对临时保安矿柱进行重新圈定。同时，矿山改扩建初步设计中基岩移动角取75°，这一角度是根据空场采矿法开采条件下通过经验类比进行选取的，且设计的安全系数往往偏大，导致所圈定的保安矿柱范围过大、压矿量大。对于胶结充填而言，根据国内类似条件矿山保安矿柱回采实践，其岩移角往往为80°以上。因此，鉴于三鑫金铜矿充填质量好，确定安全开采深度的基础上，将岩移角增大至80°对临时保安矿柱进行重新圈定，其最终圈定结果见图1。

2 重新圈定临时保安矿柱释放矿体的回采方案比选

对于重新圈定临时保安矿柱释放矿体的回采，在充分考虑采场参数、回采顺序及安全稳定的情况下，初步确定了盘区分段回采阶段充填采矿法（方案Ⅰ）、盘区分段回采分段充填采矿法（方案Ⅱ）和盘区机械化上向分层充填采矿法（方案Ⅲ）3种采矿方法。

2.1 盘区分段回采阶段充填采矿法

2.1.1 矿块结构参数

盘区分段回采阶段充填采矿法标准方案见图2。采场垂直走向布置，分为二步骤回采，一步骤、二步骤采场宽均为8～12 m，嗣后采用分级尾砂胶结充填，中段高度50 m，底部采用平底结构，底柱高度为8～11 m，不留顶柱，分段高度13 m，沿矿体走向每隔一段距离（90～100 m）作为一个回采盘区，布置脉外溜井。每盘区布置1条人行井与下、上中段贯通，离矿体下盘边界10～15 m布置分段平巷。采场每分段布置1条凿岩巷，在采场端部布置切割横巷和切割井。从中段平巷向出矿层掘进铲运机进出短斜坡道。

2.1.2 采准切割工程

采准切割工程有短斜坡道、分段平巷、短溜井、分段联络道、分段凿岩巷、分段切割横巷、分段切割井等。

采场每分段离矿体上盘边界一定的距离布置切割井和切割横巷，在切割横巷每排钻凿3～4个平行中深孔，以切割井为自由面，爆破形成切割立槽，在凿岩巷布置扇形中深孔，以切割立槽为自由面爆破回采，采场底部结构采用平底底部结构。采准切割工程量见表1。

2.1.3 回采工藝

1）落矿。采准工程和切割工程施工后，在切割横巷钻凿中深孔，以切割井为自由面多排爆破，形成采场切割槽。中深孔采用YZG-90型钻机钻凿，炮孔排距为1.2～1.5 m，孔底距为1.7～2.0 m，以爆破立槽为自由面从矿体上盘开始后退式爆破回采，先回采上分段，保证上一分段超前下一分段2～3排炮孔。采场爆破采用BQ-100型装药器进行中深孔装药，非电雷管毫秒微差雷管复式起爆。

2）出矿。采场采用平底底部结构出矿，铲运机将采场矿石铲运至溜井。

2.1.4 采场通风

采场通风路线为：斜坡道→第一分段平巷→盘区人行井→各分段平巷→采场联络巷→分段凿岩巷→采场回采空区→上中段的回风巷。

2.1.5 采场充填

一步骤采场回采完成后，采用分级尾砂胶结充填。灰砂比1∶4的充填体充填采场下部，充填高度5～6 m，剩余部分采用灰砂比1∶8的充填体胶结充填。

二步骤采场下部采用灰砂比1∶4的分级尾砂胶结充填，充填高度5～8 m，采场上部采用分级尾砂充填。

2.1.6 主要技术经济指标

盘区分段回采阶段充填采矿法取得的主要技术经济指标见表2。

2.2 盘区分段回采分段充填采矿法

2.2.1 矿块结构参数

盘区分段回采分段充填采矿法标准方案见图3。采场垂直走向布置，划分为二步骤回采，一步骤、二步骤采场宽均为8～12 m，一步骤、二步骤分段空场回采后采用分级尾砂充填，中段高度50 m，采用平底结构，底柱高度为10 m，不留顶柱，布置中段斜坡道上、下中段贯通，分段高度13 m，沿矿体走向每隔一段距离（90～100 m）作为一个回采盘区，每盘区布置1条溜井与下、上中段贯通，离矿体下盘边界10～15 m布置分段平巷。每分段布置1条凿岩巷，在采场端部布置切割横巷和切割井。从中段平巷向出矿层掘进铲运机进出短斜坡道。

2.2.2 采准切割工程

采准切割工程有斜坡道、分段平巷、盘区溜井、分段联络巷、分段切割井等。

采场第一分段离矿体上盘边界一定的距离布置切割井和切割横巷，在切割横巷每排钻凿3～4个平行中深孔，以切割井为自由面，爆破形成切割立槽，在凿岩巷布置扇形中深孔，以切割立槽为自由面爆破回采，采准切割工程量见表3。

2.2.3 回采工艺

1）落矿。采场的采准切割工程施工完成后，在切割横巷钻凿中深孔，以切割井为自由面多排爆破，形成采场分段切割立槽。采用YZG-90型中深孔凿岩机钻孔，炮孔排距为1.2～1.5 m，孔底距为1.7～2.0 m。以爆破立槽为自由面从矿体上盘开始后退式爆破回采，一次爆破4～5排炮孔，分段回采完毕，进行分段充填，充填至上一分段的底板，并留2.5 m左右的空间。在充填体平台上进行上一分段的中深孔凿岩，以切割井为自由面，布置平行中深孔端部立槽，以立槽为自由面，平行中深孔多排爆破进行分段回采。

采用BQ-100型装药器进行中深孔装药，非电雷管毫秒微差雷管复式起爆。

2）出矿。铲运机在分段平巷和分段联络巷进入采场进行出矿，铲装矿石卸入盘区溜井。

2.2.4 采场通风

采场通风路线为：斜坡道→分段平巷→采场分段联络巷→采场回采工作面→采场回采空区→上一分段切割井→上中段的回风巷。

2.2.5 采场充填

采场分段出矿完成后，进行分段充填，第一分段下部采用灰砂比1∶4的分级尾砂胶结充填，充填5～6 m后，上部采用灰砂比1∶8～1∶10的分级尾砂胶结充填。二步骤采场下部采用胶结充填，分段充填胶面采用灰砂比1∶4的分级尾砂胶结充填，胶面层厚度0.5 m。

2.2.6 主要技术经济指标

盘区分段回采分段充填采矿法取得的主要技术经济指标见表4。

2.3 盘区机械化上向分层充填采矿法

2.3.1 矿块结构参数

盘区机械化上向分层充填采矿法标准方案见图4。采场垂直走向布置，划分为二步骤回采，一步骤、二步骤采场宽均为8 m，中段高度50 m，底柱高度为10 m，不留顶柱。采场分段回采，分段高度13 m，沿矿体走向每隔一段距离（90～100 m）作为一个回采盘区，布置脉外溜井与上中段贯通，离矿体下盘边界10～15 m布置分段平巷。从分段平巷开口布置采场联络巷，分层回采高度4 m，每分段分成3～4个分层回采。

2.3.2 采准切割工程

1）主要工程有中段斜坡道、分段平巷、盘区溜井、分层联络巷、拉底平巷、采场充填通风井等。采准工程量见表5。

2）采场拉底。从第一分段采场联络巷开始拉底巷，利用拉底巷进行扩帮至采场边界，形成采场拉底层，在拉底层向上回采，回采高度3～4 m，分层回采后，进行分层充填。

2.3.3 回采工艺

1）落矿。采用浅孔回采，分层回采高度3～4 m，空顶高度2.5 m左右。

2）出矿。铲运机从分层联络巷进入采场，铲装矿石后经分层联络巷进入分段平巷卸入盘区溜井。

2.3.4 采场通风

采场通风路线为：采场斜坡道→分层联络巷→回采工作面→采场充填通风井→上段的回风巷。

2.3.5 采场充填

采场第一分层采用灰砂比1∶4的分级尾砂胶结充填，第二分层以上采用灰砂比1∶8的分级尾砂胶结充填，胶面层采用灰砂比1∶4的分级尾砂胶结充填，胶面层高度0.5 m。

2.3.6 主要技术经济指标

盘区机械化上向分层充填采矿法取得的主要技术经济指标见表6。

2.4 方案对比分析

对提出的3种回采方案工艺进行对比分析，可得各回采方案的优缺点，见表7。

由表7可知：方案Ⅰ較方案Ⅱ除具有生产能力大、安全性好的优点外，还具有工艺成熟、回采成本低等突出优点，且为三鑫金铜矿广泛采用的主要采矿方法;方案Ⅱ具有回采工艺较复杂、对矿体适应性较差等缺点;方案Ⅲ具有对矿体适应性强、对保安矿柱稳定性影响较小、采矿回采率高等优点，但其回采工艺复杂、回采成本高、生产能力小。

考虑到方案Ⅰ工艺成熟、成本低，且安全能够得到保障，推荐采用盘区分段回采阶段充填采矿法回采临时保安矿柱释放的矿体。

3 工业试验

本次工业试验选择在-570 m中段10勘探线—12勘探线T570-12-3采场进行。-570 m中段10勘探线—12勘探线矿体形态简单，整体呈透镜状。矿石为矽卡岩含铜金矿石，矿石矿物主要为黄铁矿、黄铜矿，次为磁铁矿、菱铁矿，少量斑铜矿，矿石构造以浸染状—稀疏浸染状构造为主，有少量致密块状构造、角砾状构造等。矿体顶底板围岩随矿体賦存的部位而变化。上下盘为矽卡岩或石英正长闪长玢岩化矽卡岩。矽卡岩松散破碎，稳固性较差，不宜大面积暴露。水文地质条件简单。

3.1 采场结构参数

T570-12-3采场垂直走向布置，采场长约40 m、宽13 m、高39 m，分段高度13 m，留底柱11 m，不留顶柱。

3.2 采准切割工程布置

因为矿体上下盘围岩不稳固，采准切割工程布置于矿体内（见图5）。在分段水平沿采场长度方向布置分段凿岩平巷，从中段水平掘进脉内人行通风井、充填天井至上分段水平，天井与分段平巷连通。

T570-12-3采场纵投影见图6。在采场中形成切割立槽。于各分段的切割槽位置掘进垂直于分段凿岩巷的切割平巷，从切割槽开始向上掘进切割天井，然后在切割平巷内钻凿上向中深孔，以切割天井为自由面依次分段微差爆破形成切割立槽。

3.3 回采工作

3.3.1 凿岩爆破

中深孔采用华泰HT72型深孔机钻凿，孔径76 mm，施工上向扇形孔，设计炮孔孔网参数见表8。

切割槽位于采场的中部，宽度4 m。切割天井位于拉槽区内侧边角，规格为2 m×2 m（方形）。自拉槽区向两侧排开为正常排。考虑到实际巷道断面及施工情况，扩井排主要采用垂直孔的形式布置;拉槽排主要采用垂直孔加扇形孔的方式布置;正常排则采用上向扇形孔布置。

3.3.2 通 风

每次爆破后采场通风时间一般需要12 h。通风路线为：新鲜风流→中段巷道→拉底水平联络道→装矿平巷、天井→上中段回风巷。

3.3.3 出 矿

采场出矿采用WJD-1.5型电动铲运机经出矿巷道在各装矿口出矿，矿石倒入采场溜井，在中段水平采用7.0 t电机车牵引1.2 m3侧卸式矿车，将矿石卸入中段主溜井。

3.4 采场充填

采空区采用分级尾砂嗣后胶结充填，先采用木制挡墙或混凝土挡墙封闭采场所有通道（出矿联络巷，分段巷道等）;再采用灰砂比1∶6～1∶12的胶结充填料充填采空区，从上部中段水平引入充填管道充填，每个分段第一次充填高度1.5 m，隔1～2 d后进行第二次充填，充填高度至挡墙以上0.5～1.0 m，隔1～2 d进行第三次充填，充填高度至上分段巷道底板水平，然后进行上分段的充填，以此类推，直到充填至上中段水平，最后进行接顶充填。

3.5 工业试验效果

盘区分段回采阶段充填采矿法工艺成熟、成本低，且回采安全能够得到保障，工业试验取得的主要技术经济指标（见表9）在合理区间范围，部分指标优于设计值。

4 结 论

1）对利用空场采矿法圈定的临时保安矿柱进行重新圈定，释放矿量巨大，对于充分回收利用资源、延长矿山服务年限、提高矿山经济效益都具有极为重要的意义。

2）通过对3个技术方案的比较，盘区分段回采阶段充填采矿法具有工艺成熟、成本低的优点，且回采安全能够得到保障，推荐采用该方法回采重新圈定保安矿柱释放的矿体。

3）工业试验表明，采用盘区分段回采阶段充填采矿法能够安全、高效、低贫损回收释放的保安矿柱，采场生产能力达到了200～300 t/d，为三鑫金铜矿临时保安矿柱开采提供了整套工艺方法，并为其他矿山提供经验，可供类似矿山参考。

[参 考 文 献]

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