錫礦山銻礦保安礦柱安全開采技術研究與應用

唐湘華

(錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司，湖南冷水江 417500)

錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司銻礦在儲量、產量、質量上均列世界前茅，素有“世界銻都”之稱，但經(jīng)過長期大規(guī)模開采，礦產資源已日趨枯竭。近年來，隨著開采向縱深發(fā)展，礦體呈尖滅趨勢，地質品位逐漸降低已引起礦山出礦品位下降。為了穩(wěn)定現(xiàn)有生產水平，該公司與科研院所和學校合作，走產學研相結合的道路，開展了保安礦柱采礦方法試驗研究，以充分開采工業(yè)和民用建筑與河床下壓覆的保安礦柱，以實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益的統(tǒng)一，促進礦產資源的合理開發(fā)利用，提高企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力。

1 概述

錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司轄南礦和采選廠兩座礦山，南礦主采飛水巖礦床，設計生產能力為1 000 t/d。采選廠主采童家院礦床，設計生產能力為500 t/d。錫礦山銻礦田屬低溫熱液、以充填為主伴隨交代的硫化銻礦床。礦床賦存于厚層頁巖之下的硅化灰?guī)r中，呈緩傾斜似層狀產出，礦床技術條件比較簡單，礦井開拓方式為上盤豎井、斜井聯(lián)合開拓。南區(qū)中段高度為36 m，北區(qū)中段高度為30 m。

錫礦山銻礦田正規(guī)的地質勘探始于1956年，由于當時歷史條件的限制，許多工業(yè)和民用建筑物建設在礦體之上，工業(yè)和民用建筑與河床壓覆了大量的保安礦柱，錫礦山銻礦田現(xiàn)存的保安礦柱主要是工業(yè)和民用建筑與河床下壓覆的保安礦柱，各類保安礦柱礦石量300.30萬t，銻金屬量8.08萬t，占現(xiàn)有總儲量的30%。保安礦柱礦量是根據(jù)地勘儲量計算范圍內的建(構)筑物和河床需要保護程度和地勘資料圈定計算。尚未開采完畢的保安礦柱有飛水巖礦床的南煉廠保安礦柱、南礦辦公室保安礦柱、一號豎井保安礦柱、飛水巖河床三中段以上保安礦柱、老礦山礦床的五窿道保安礦柱。各類保安礦柱礦量統(tǒng)計見表1。

表1 保安礦柱礦量統(tǒng)計表

2 采礦方法與工藝

2.1 礦床開采技術條件

錫礦山銻礦田包括老礦山、童家院、飛水巖及物華等四個工業(yè)礦床，主要礦體均賦存在厚110 m鈣質頁巖之下的佘田橋組中段石灰?guī)r的硅化灰?guī)r中，產狀為緩傾斜。由于此段灰?guī)r夾有多層黑色頁巖起到次屏蓋層的作用，礦體也具有多層性，其形態(tài)、產狀和規(guī)模也有差異。第一號礦層中的礦體，呈似層狀產出，品位富，厚度變化穩(wěn)定，一般為2～3 m，延長數(shù)十米至數(shù)百米。第二號礦層中的礦體，也多呈似層狀，但在邊部、下部則呈扁豆體或不規(guī)則囊狀體產出，厚1～30 m，一般7～8 m，延長數(shù)十米至數(shù)百米。第三號礦層中的礦體，有似層狀，也有呈不規(guī)則的透鏡體和礦囊，但在西部斷裂F75、F3側羽狀裂隙發(fā)育的地段，各似層狀、透鏡狀、礦囊狀產出的礦體往往相互融合，組成以上述斷裂帶中炭質頁巖和頁巖為頂板，傾角較陡、沿斷裂帶走向延伸的又厚又富的礦體。

礦體上覆頂板為厚層或夾層頁巖，f=3～4。賦存礦體的硅化灰?guī)r，f=10～20，一般致密堅硬，穩(wěn)固性好，但在斷層附近，巖溶(空洞)發(fā)育，巖石破碎呈半膠結狀態(tài)，賦存礦體部位還存在層間破碎帶和礦石的溶蝕空洞，而且上覆為鈣質頁巖與泥晶灰?guī)r互層的軟弱層，穩(wěn)定性差，易發(fā)生板狀坍塌冒落等工程問題，屬中等類型巖體。

2.2 采礦方法

在充分研究保安礦柱賦存條件和考慮地表建筑物需要絕對保證安全的前提下，設計選擇安全、高效的人工壁柱房柱法(膠結充填法)開采。采用人工壁柱房柱法具有較大的安全可靠性，過去已采用該采礦方法成功開采南礦七中段河床保安礦柱，其采礦方法的特點就是礦塊垂直礦體走向布置，每個礦塊劃分為礦壁和礦房，寬度均為8 m，先采礦壁，用膠結充填料充填采空區(qū)以代替原生礦柱支撐采場頂板，然后再采礦房，采空區(qū)嗣后一次膠結充填。

2.3 回采工藝

回采工藝分兩步驟，高分層(最大高度10 m)采礦，采后一次充填。該法具有采場生產能力大、勞動生產率較高、礦石貧化損失率低、能保護地表等特點。根據(jù)本區(qū)開采技術特點、安全技術要求和礦山現(xiàn)有生產條件，其回采工藝如下。

2.3.1 鑿巖爆破

回采分拉底和挑頂兩階段，均采用淺孔落礦。使用YT－27型鉆機鉆鑿炮孔，孔徑42 mm，孔深2.0 m左右;拉底時排距0.6～0.8 m，孔距1.0～1.2 m;挑頂時上向分層(2.5 m左右)回采，排距0.8～1.0 m，孔距1.2～1.4 m。采用乳化炸藥爆破，非電導爆管一次起爆。

2.3.2 礦石運搬

采場礦石運搬使用28～30 kW的電耙將礦石耙入采場漏斗或進入耙礦道，再經(jīng)電耙轉至采區(qū)礦倉，然后在平巷用3t電機車牽引0.7 m3固定式礦車裝車再轉運至主礦倉。

2.3.3 采場頂板管理

各分層礦體直接頂板均為頁巖，由于頁巖穩(wěn)固性差，在回采時容易掉落。為確保采場頂板安全，減少礦石的損失與貧化，當回采較厚礦體(D3S2－15和D3S2－7)時，頂板留0.8～1.0 m厚的護頂?shù)V層，確保不破壞頂板頁巖;當回采較薄礦體(D3S2－13、D3S2－11、D3S2－9)時，采場寬度減少至6 m，為提高礦石回采率，頂板不留護頂?shù)V層，使用快硬水泥卷輻桿支護采場頂板。錨桿長度為1.8 m，支護網(wǎng)度1.0×1.0 m2，錨桿安裝與采礦同步進行，錨桿安裝方向基本上垂直巖層，每次爆破前采場頂板未安裝錨桿的面積不超過6 m2(距工作面長度為1.0 m)，爆破后不超過18 m2。

2.3.4 采場充填

回采后的采場空區(qū)采用膠結充填。采場充填密閉使用紅磚砌筑，膠結充填采場密閉墻體斷面厚度0.24 m。一個采場的充填密閉全部做好后才分次進行充填。膠結充填材料水泥、分級尾砂和碎石的配比為1∶3∶6或1∶4∶5，水泥用量180 ～200 kg/m3，水灰比一般大于1.5，混凝土單軸抗壓強度為2～4 MPa。

膠結充填的水泥尾砂漿經(jīng)地表充填站制備后用砂漿泵加壓輸送或自流進入采場，碎石使用選礦場手選廢石經(jīng)破碎運送到地面料倉，再由礦車經(jīng)充填道送入采場。

選廠尾砂由水隔離泵管路輸送到地表充填站，經(jīng)Φ300 mm水力旋流器分級后直接送入尾砂充填采場。

3 采場頂板的監(jiān)測與施工安全技術措施

3.1 采場頂板的監(jiān)測

采場頂板的監(jiān)測除采用人工檢查外，還應用光、電、聲、機四類數(shù)十種測試儀器和研究設備進行測試，直接用于頂板監(jiān)控測試的儀器有彈簧沉降器、掛頂壓力計、橡膠墊、裂縫計、對頂觀測器、脫層儀、頂板測力計、頂板壓力儀、地音儀、桿柱量測器、水準儀、經(jīng)緯儀等。

測試內容包括:頂板的沉降、平移、壓力、磁電勢、高頻等;礦柱的承壓狀況、應力變化、周圍巷道特別是巷道頂板巖變。

觀測網(wǎng)布置，一般是沿礦層走向布設主軸線，每隔50～150 m垂直于主軸線布設短軸線。巷道測點應布在頂板軸線部位和兩壁的中部，礦柱測點應布設在側向中部和距采場頂板0.5～0.8 m部位，采場頂板點一般固定或布在桿柱尾端處;基點一定要布設在基巖很穩(wěn)定且能通視的地方。采場頂板的監(jiān)測周期為1周。

3.2 施工安全技術措施

為實現(xiàn)安全、有效回采保安礦柱，在施工中應實施下列安全技術措施:

1.嚴格執(zhí)行各分層礦體先下后上的原則。各分層礦體回采采取先下后上的回采順序，即在垂直面上先回采 D3S2－15層礦體，后回采 D3S2－13～ D3S2－9層礦體，再回采 D3S2－7層礦體。

2.堅持強采、強出、強充的“三強”措施，盡量縮短采場空場時間。采場一經(jīng)開采，做到采、出、充連續(xù)作業(yè)，不得中途無故停止作業(yè)。

3.嚴格控制采場空場個數(shù)。區(qū)域內采、出、充同時作業(yè)的采場不得超過5個。一般情況下，在采完第二個采場并準備回采第三個采場前，必須充填好第一個采場。

4.特別重要的構筑物，如南煉廠冶煉爐房下方全部實行膠結充填外，上分層回采時，應在沿傾向的中間分段部位留一條4～6 m寬的連續(xù)礦壁，以提高井下采空區(qū)的整體支撐力，減少下沉值，增大安全可靠性。

5.加強充填生產、技術管理，確保充填質量。嚴格按 1∶3∶6或 1∶4∶5配比進行膠結充填作業(yè)，保證膠結充填體強度達2～4 MPa，采空區(qū)充填切實保證充分接頂。

6.對距地表小于30 m(局部范圍)礦體的回采，除采空區(qū)全部采取膠結充填外，只許一個采場空場，即已采采場充填好后再新開另一個采場。

7.加強地壓巖移預測預報工作。按照地壓巖移監(jiān)測工作制度，定期對采場、觀測站進行區(qū)內巖體聲發(fā)射情況的監(jiān)測，定期對井下和地表巖移觀測線進行巖體中和地表巖移情況的觀測，并根據(jù)觀測結果及時進行綜合分析，指導井下生產。

4 結論

1.安全開采保安礦柱，可最大限度地回收礦產資源，促進礦產資源的合理開發(fā)利用，提高企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2.保安礦柱采用人工壁柱法(膠結充填法)開采，礦壁和礦房回采后均采用較高標號的膠結充填料充填處理采空區(qū)，切實保證充填接頂，可保證采空區(qū)不冒落，地表不沉降變形。

3.保安礦柱開采必須嚴格控制空場面積，定期開展地壓巖移觀測預報工作，以防止出現(xiàn)突發(fā)性、災害性的地壓活動，以保證地表建筑物的安全。

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