特大空區(qū)礦柱群分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)研究與應(yīng)用

林衛(wèi)星，周愛(ài)民，宋嘉棟，歐任澤，柳小勝

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 410012;2.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南長(zhǎng)沙 410012;)

0 前言

我國(guó)金屬礦山由于受當(dāng)時(shí)的礦業(yè)開(kāi)發(fā)政策和開(kāi)采技術(shù)的影響，遺留了大量的采空區(qū)，受采空區(qū)影響的金屬礦產(chǎn)資源量巨大，占到礦山資源總量的30%～35%。

礦柱成群存在，地下空區(qū)形態(tài)錯(cuò)綜復(fù)雜，內(nèi)部情況不明，且多層重疊、相互關(guān)聯(lián)，形成了一種復(fù)雜的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)工藝回采這類礦體，將空區(qū)處理與礦柱回采按兩道相對(duì)獨(dú)立的工序?qū)嵤?，第一步處理空區(qū)，第二步回采礦柱。常規(guī)的礦柱回采工藝均為小規(guī)模作業(yè)，需要進(jìn)行多次爆破作業(yè)才能完成礦柱回采。由于受一次開(kāi)采和二次應(yīng)力集中的影響，導(dǎo)致遺留礦體破碎不穩(wěn)定，容易垮塌。在處理空區(qū)和多次回采作業(yè)過(guò)程中使礦柱穩(wěn)定性進(jìn)一步變差，因而礦柱回采過(guò)程中頻繁地發(fā)生塌陷事故，危及人員與設(shè)備安全;并且回采工藝復(fù)雜、成本高、開(kāi)采效率低、規(guī)模小。如柿竹園多金屬礦與三道莊鉬礦的地下采空區(qū)達(dá)360萬(wàn)m3和1800萬(wàn)m3，受空區(qū)影響的礦石量達(dá)2935萬(wàn)t和6200萬(wàn)t。自本世紀(jì)初分別采用地下方式和露天方式開(kāi)采礦柱資源以來(lái)，一直受到安全隱患困擾，生產(chǎn)過(guò)程中頻繁發(fā)生事故，至2006年分別發(fā)生了11次和38次重大空區(qū)塌陷事故，造成數(shù)人傷亡和設(shè)備損失，導(dǎo)致礦山生產(chǎn)效率低下，生產(chǎn)能力不到設(shè)計(jì)規(guī)模50%，使礦山陷入無(wú)礦可采和不能維持正常生產(chǎn)的局面。因此，受空區(qū)影響的礦體，其回采的安全條件極差、隱患相當(dāng)大，使這類礦體成為極度難采資源，部分礦體難以開(kāi)采成為呆滯資源，使我國(guó)可開(kāi)采的金屬礦產(chǎn)資源保有量大打折扣，經(jīng)濟(jì)價(jià)值超過(guò)2000億元。

因此，如何有效提高資源回收率，消除空區(qū)安全隱患，降低我國(guó)礦山生產(chǎn)事故率，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空區(qū)處理與高?？諈^(qū)條件下礦柱資源的安全高效開(kāi)采是需要解決的重大技術(shù)問(wèn)題。針對(duì)我國(guó)大量空區(qū)環(huán)境下礦柱資源開(kāi)采條件極差、安全隱患大和開(kāi)采效率低等技術(shù)瓶頸，長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司基于協(xié)同理論，開(kāi)發(fā)了特大空區(qū)礦柱群立體分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)，該技術(shù)針對(duì)空區(qū)環(huán)境下的礦柱群，根據(jù)礦柱穩(wěn)定性及其工藝實(shí)施條件的相關(guān)性進(jìn)行協(xié)同分區(qū)，對(duì)分區(qū)內(nèi)不同狀態(tài)的多個(gè)礦柱進(jìn)行協(xié)同回采，對(duì)礦柱回采和空區(qū)處理實(shí)行協(xié)同作業(yè)，使分區(qū)內(nèi)多個(gè)礦柱的回采與多個(gè)空區(qū)的處理通過(guò)一次爆破作業(yè)完成，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模強(qiáng)化開(kāi)采和高效率作業(yè)。協(xié)同強(qiáng)化開(kāi)采有效消除了空區(qū)處理、拉槽與回采作業(yè)過(guò)程中的安全隱患，具有安全、高效、大產(chǎn)能、低成本和充分回收礦柱資源的優(yōu)勢(shì)，從根本上解決了高危礦柱的回采技術(shù)難題。

1 主要技術(shù)突破

(1)一道工序同步完成空區(qū)處理與礦柱回采的協(xié)同開(kāi)采理論。協(xié)同開(kāi)采理論以協(xié)同效應(yīng)和協(xié)作同步為基礎(chǔ)，根據(jù)地下采空區(qū)及其礦柱的結(jié)構(gòu)力學(xué)體系模型劃分采區(qū)，采區(qū)內(nèi)按爆破阻力大小來(lái)匹配炸藥量并布置不同孔徑的混合深孔，通過(guò)立體分區(qū)深孔控制爆破技術(shù)系統(tǒng)，將多層地下空區(qū)處理與多層礦柱回采集中在一個(gè)步驟安全、高效、協(xié)同完成，有效消除安全隱患，保證作業(yè)安全。

(2)協(xié)同開(kāi)采立體分區(qū)模型。應(yīng)用數(shù)學(xué)集合、灰關(guān)聯(lián)理論和巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)，建立空區(qū)群與礦柱數(shù)值模型，以實(shí)現(xiàn)空區(qū)處理與礦柱回采協(xié)作同步為目標(biāo)，采用優(yōu)勢(shì)因素和低關(guān)聯(lián)度為界面劃分空區(qū)群與礦柱群的結(jié)構(gòu)力學(xué)體系，將特大型空區(qū)群與礦柱群劃分為獨(dú)立的采區(qū)，為互相聯(lián)系互相制約的空區(qū)群與礦柱群的分區(qū)協(xié)同回采提供理論依據(jù)。

(3)混合孔徑差別抵抗線深孔控制開(kāi)采技術(shù)。在回采單元內(nèi)，根據(jù)采空區(qū)頂板厚度情況、爆破自由面的形態(tài)特征及炮孔抵抗線的大小來(lái)匹配爆破能量，布置不同孔徑的混合深孔，在爆破分區(qū)內(nèi)采用最小爆破阻量比逐孔起爆，達(dá)到所需爆破能量和應(yīng)供爆破能量的平衡，解決了不規(guī)則自由面、形狀復(fù)雜、安全條件差的空區(qū)處理與礦柱回采的技術(shù)難題。

(4)等比錯(cuò)位立體分區(qū)控制回采技術(shù)。根據(jù)確定好的一次性回采區(qū)，按爆破礦體體積及所需補(bǔ)償空間的比例，以及爆破自由面與毫秒微差雷管排列順序的關(guān)系，再將回采區(qū)分解成補(bǔ)償空間和爆破自由面相對(duì)獨(dú)立的各爆區(qū)，各爆區(qū)呈三維立體錯(cuò)位布置，爆破體積與補(bǔ)償空間相匹配，解決了進(jìn)行單個(gè)礦柱回采與空區(qū)處理破壞空區(qū)群和礦柱群構(gòu)成的結(jié)構(gòu)力學(xué)體系而產(chǎn)生“多米勒”效應(yīng)地壓災(zāi)害問(wèn)題。

(5)深孔協(xié)同開(kāi)采控制爆破技術(shù)系統(tǒng)。采用控制爆破數(shù)字優(yōu)化技術(shù)、深孔強(qiáng)拉槽爆破技術(shù)、深孔聚能爆破技術(shù)、多臨空面自拉槽擠壓大量崩礦技術(shù)、多向組合雙線同徑微差起爆技術(shù)、大面積逐孔控制爆破技術(shù)，解決了地下空區(qū)群與礦柱群形態(tài)復(fù)雜，爆破抵抗線差別大;地下臨空面多，不能實(shí)施擠壓爆破;一次處理多層空區(qū)，炮孔深度大，無(wú)足夠側(cè)向爆破自由;爆破規(guī)模大，爆區(qū)面積大，炮孔數(shù)量多的條件下，空區(qū)處理與礦柱回采爆破效果差的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)深孔處理地下采空區(qū)的同時(shí)回采礦柱。

2 技術(shù)成果與工程轉(zhuǎn)化

(1)河南欒川三道莊受到多層高危地下空區(qū)的影響，露天開(kāi)采期間，地下空區(qū)曾出現(xiàn)多次垮塌，造成人員傷亡設(shè)備損失等事故，被眾多知名專家一致認(rèn)為是一座需要報(bào)廢礦山。2008年開(kāi)始，采在礦山進(jìn)行立體分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，共處理空區(qū)264次，體積1065萬(wàn)m3，回收礦柱資源2000多萬(wàn)t，礦柱資源回采率達(dá)到95%以上，一次處理空區(qū)層數(shù)達(dá)5層，一次爆破最大孔深55 m，豎向一次拉槽30 m，礦山采礦規(guī)模由 5000 t/d提高到 30000 t/d。2009年中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)組織專家鑒定評(píng)價(jià)認(rèn)為:整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中深孔強(qiáng)拉槽爆破技術(shù)、深孔切割崩落技術(shù)達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平，項(xiàng)目榮獲2010年湖南省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

(2)湖南柿竹園多金屬礦地下開(kāi)采時(shí)留下占礦段約60%的礦柱和360多萬(wàn)m3的采空區(qū)，使得礦山面臨有礦不能采，無(wú)法繼續(xù)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的狀況。2004年開(kāi)始進(jìn)行科技攻關(guān)，并于2006年以“特大空區(qū)環(huán)境下安全開(kāi)采技術(shù)研究”為專題，列入“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2006BAB02B05)。應(yīng)用協(xié)同開(kāi)采技術(shù)成果，2006年開(kāi)始先后實(shí)施了總裝藥量為 308.8，506，821.3 t等大規(guī)模立體分區(qū)深孔控制回采爆破7次，爆破規(guī)模創(chuàng)世界紀(jì)錄。至2012年底崩落礦石581.5萬(wàn)t，處理空區(qū)153.95萬(wàn) m3，出礦規(guī)模由66萬(wàn)t/a擴(kuò)大至150萬(wàn)t/a，實(shí)際崩礦能力可達(dá)300萬(wàn)t/a。2009年中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)組織專家鑒定評(píng)價(jià)認(rèn)為:該項(xiàng)目成功實(shí)施了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外規(guī)模最大的地下中深孔爆破，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。項(xiàng)目榮獲2010年中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，獲2011年湖南省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，獲2012年國(guó)家安全生產(chǎn)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

(3)河南南泥湖鉬鎢礦在露天開(kāi)采境界內(nèi)存在大量空區(qū)，面積40.6萬(wàn) m2，體積426萬(wàn) m3。2009年協(xié)同開(kāi)采技術(shù)成果開(kāi)始在南泥湖礦應(yīng)用，成功處理空區(qū)體積346.5萬(wàn) m3，回收礦柱資源236萬(wàn) t。2011年河南省科技廳組織專家鑒定評(píng)價(jià)認(rèn)為:露天強(qiáng)化開(kāi)采與空區(qū)探測(cè)及其處理同步進(jìn)行技術(shù)具有創(chuàng)新性，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，項(xiàng)目榮獲2013年中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

3 對(duì)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用

(1)我國(guó)礦山采空區(qū)規(guī)模巨大，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)采空區(qū)總體積已達(dá)43217.26萬(wàn)m3，并以每年2000～3000萬(wàn)m3的速度遞增，采空區(qū)已成為礦山企業(yè)重要危險(xiǎn)源之一，特大空區(qū)礦柱群分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)可以有效消除空區(qū)安全隱患，保證作業(yè)安全，為企業(yè)安全持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

(2)國(guó)內(nèi)的同類型礦產(chǎn)資源數(shù)量巨大，長(zhǎng)期處于呆滯狀態(tài)，一部分甚至處于報(bào)廢狀態(tài)，特大空區(qū)礦柱群立體分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)成果的推廣應(yīng)用可以激活這些資源，有效地?cái)U(kuò)大了我國(guó)的可采金屬礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量。

(3)特大空區(qū)礦柱群分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)解決了我國(guó)大量空區(qū)環(huán)境下礦柱資源開(kāi)采條件差、安全隱患大、開(kāi)采效率低和成本高的重大技術(shù)瓶頸，消除礦山重大安全隱患，為我國(guó)巨量礦柱資源的高效開(kāi)采提供了技術(shù)支撐。目前已建立了湖南柿竹園多金屬礦、河南三道莊鉬礦兩座特大空區(qū)礦柱群立體分區(qū)協(xié)同開(kāi)采示范礦山，同時(shí)南泥湖鉬礦、大寶山鐵礦、東溝鉬礦等10多座大型礦山正在進(jìn)行技術(shù)推廣應(yīng)用，技術(shù)成果進(jìn)一步的推廣應(yīng)用將顯著促進(jìn)我國(guó)采礦技術(shù)的進(jìn)步，有效提升采礦行業(yè)的整體技術(shù)水平。

4 結(jié)論

(1)特大空區(qū)礦柱群分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)針對(duì)空區(qū)環(huán)境下的礦柱群，根據(jù)礦柱穩(wěn)定性及其工藝實(shí)施條件的相關(guān)性進(jìn)行協(xié)同分區(qū)，再將分區(qū)劃分為爆區(qū)，按照作業(yè)安全、可靠和相互擠壓原則，結(jié)合分區(qū)內(nèi)空區(qū)和礦柱的狀態(tài)條件，采用空間位置非線性(非連續(xù))方法，合理調(diào)控爆區(qū)的鑿巖工藝、爆破參數(shù)、起爆順序和爆破方向，在一次回采工序中對(duì)爆區(qū)的拉槽與回采工序?qū)嵤﹨f(xié)同爆破，對(duì)分區(qū)內(nèi)不同狀態(tài)的多個(gè)礦柱進(jìn)行協(xié)同回采，對(duì)礦柱回采和空區(qū)處理實(shí)行協(xié)同作業(yè)，使分區(qū)內(nèi)多個(gè)礦柱的回采與多個(gè)空區(qū)的處理通過(guò)一次爆破作業(yè)完成，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模強(qiáng)化開(kāi)采和高效率作業(yè)。分區(qū)協(xié)同開(kāi)采有效消除了空區(qū)處理、拉槽與回采作業(yè)過(guò)程中的安全隱患，具有安全、高效、大產(chǎn)能、低成本和充分回收礦柱資源的優(yōu)勢(shì)，從根本上解決了高危礦柱群的回采技術(shù)難題。

(2)技術(shù)成果已在柿竹園多金屬礦、三道莊鉬礦、龍宇南泥湖鉬礦、獲鉻奇銅礦、豐山銅礦、東坪金礦、香爐山鎢礦等十多座金屬礦山推廣應(yīng)用，解決了礦柱群安全高效開(kāi)采的技術(shù)難題;同時(shí)以柿竹園多金屬礦為依托，建成了安全、高效井下開(kāi)采高危礦柱群資源的示范礦山，成為世界上最大的鎢、鉍生產(chǎn)基地;以洛鉬集團(tuán)三道莊露天礦為依托，建成了安全、高效露天開(kāi)采高危礦柱群資源的示范礦山，2012年河南欒川鉬礦區(qū)被國(guó)土資源部列為我國(guó)首批空區(qū)處理與殘礦回收示范基地及綠色礦山示范基地，目前成為亞洲最大的鉬礦生產(chǎn)基地。

(3)礦柱群立體分區(qū)協(xié)同開(kāi)采過(guò)程中，需要有采空區(qū)精確空間形態(tài)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)還需要掌握礦柱群穩(wěn)定性的變化情況，對(duì)可能發(fā)生的空區(qū)頂板巖體垮塌事件進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，以避免空區(qū)失穩(wěn)災(zāi)害事故的發(fā)生，保障作業(yè)的安全。為此，復(fù)雜空區(qū)高精度探測(cè)與安全監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)及其裝備，尤其是裝備和軟件的國(guó)產(chǎn)化為下一步研究的重點(diǎn)。

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［26］長(zhǎng)沙礦研究院.地下大規(guī)模立體分區(qū)中深孔控制爆破技術(shù)研究［R］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦研究院，2011.

［27］長(zhǎng)沙礦研究院.復(fù)雜聯(lián)貫地下空區(qū)條件下露天強(qiáng)化開(kāi)采協(xié)同技術(shù)研究［R］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦研究院，2011.

［28］長(zhǎng)沙礦研究院.洛陽(yáng)欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司三道莊露天礦空區(qū)處理與殘礦回收利用示范工程可行性研究［R］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦研究院，2012.

［29］長(zhǎng)沙礦研究院有限責(zé)任公司.洛陽(yáng)欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司三道莊露天礦空區(qū)處理與殘礦回收利用示范工程整體方案設(shè)計(jì)［R］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦研究院有限責(zé)任公司，2013.

［30］長(zhǎng)沙礦研究院有限責(zé)任公司.高危礦柱環(huán)境礦柱群分區(qū)協(xié)同開(kāi)采技術(shù)研究［R］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙礦研究院有限責(zé)任公司，2013.

［31］于潤(rùn)倉(cāng)，等.采礦工程師手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2009，1.