某礦山采空區(qū)治理及殘礦回收方案研究

李月先 劉允秋

(1.南京水利科學(xué)研究院；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

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某礦山采空區(qū)治理及殘礦回收方案研究

李月先1劉允秋2,3,4

(1.南京水利科學(xué)研究院；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

為消除某礦山采空區(qū)隱患并對(duì)殘礦進(jìn)行安全、高效、合理回收，運(yùn)用CMS三維激光探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量采空區(qū)，采用崩落法和充填法成功治理采空區(qū)約21 632 m3；通過(guò)SKZ-120A潛孔鉆機(jī)依次對(duì)頂柱、間柱進(jìn)行中深孔爆破，回采殘礦量9萬(wàn)余t，在保證安全的條件下，取得了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

采空區(qū) CMS 殘礦回收 中深孔爆破 崩落法

長(zhǎng)期以來(lái)，由于我國(guó)礦業(yè)的粗放式開(kāi)發(fā)，部分礦山企業(yè)采富棄貧，亂采亂挖，久而久之造成井下不規(guī)則難處理采空區(qū)以及大量礦石丟棄難以回采。某礦區(qū)由于未按照規(guī)劃三級(jí)礦量有序回采，并且未及時(shí)處理井下采空區(qū)，導(dǎo)致殘留礦石無(wú)法采出，目前部分采空區(qū)已出現(xiàn)了不同程度垮塌，為了防止采空區(qū)進(jìn)一步垮塌造成大面積冒落，充分有效開(kāi)發(fā)利用資源，制定了一套完整空區(qū)處理及殘礦回收方案。

1 礦區(qū)概況

某礦區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)，下?lián)P子臺(tái)褶帶，溧水火山盆地東北部，愛(ài)景山—癩痢山環(huán)形斷裂構(gòu)造的北部，夏家邊—韓胡村復(fù)活火山穹隆的東北緣。軟弱夾層于礦體附近較發(fā)育，礦體因品位及高嶺土化強(qiáng)弱，其抗壓強(qiáng)度差異較大，平均為317～495 kg/cm2，屬半堅(jiān)硬巖石。目前礦區(qū)分-30，-70，-110，-150 m 4個(gè)中段開(kāi)采，不同中段采礦法及采場(chǎng)參數(shù)不盡相同，具體見(jiàn)表1。

表1 各中段采場(chǎng)布置數(shù)及采礦方法

2 采空區(qū)概況

2.1 采空區(qū)探測(cè)

常用的地下采空區(qū)物理探測(cè)方法包括高密度電阻率法、地震映象法、探地雷達(dá)法和激光法等[1],本次采用激光法空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)CMS對(duì)-110 m未垮塌的3個(gè)空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，實(shí)測(cè)所得3個(gè)空區(qū)剖面及平面見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 404～406采場(chǎng)空區(qū)縱剖面

圖2 404～406采場(chǎng)空區(qū)平面

根據(jù)實(shí)測(cè)三維圖得出-110 m中段404～406采場(chǎng)空區(qū)基本參數(shù)(表2)，-110 m以上實(shí)際采空區(qū)體積約21 632 m3。

表2 -110 m中段404～406采場(chǎng)空區(qū)基本參數(shù)

從實(shí)際探測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況可見(jiàn)，原開(kāi)采形成的采空區(qū)的間柱、頂柱形態(tài)不規(guī)則，但殘留礦量較多，有較大回收利用價(jià)值。

目前,-30 m中段的7個(gè)空區(qū)(其中2個(gè)空區(qū)用分段崩落法開(kāi)采)、-70 m的7個(gè)空區(qū)(其中2個(gè)空區(qū)用分段崩落法開(kāi)采)已經(jīng)局部垮塌，且垮塌處與露天坑底貫通。-110 m的6個(gè)空區(qū)中，401～403空區(qū)已發(fā)生了一定程度的坍塌，404～406空區(qū)未見(jiàn)坍塌。

-30 m中段201～204采場(chǎng)脈外運(yùn)輸巷垮塌，根據(jù)采礦實(shí)測(cè)圖和現(xiàn)場(chǎng)可進(jìn)入?yún)^(qū)域的調(diào)查情況，200采場(chǎng)僅進(jìn)行了局部拉底，采場(chǎng)面積為37.6 m2；201采場(chǎng)面積為258.9 m2，最寬8.1 m，最長(zhǎng)36.4 m；202采場(chǎng)面積為108.7 m2，最寬5 m，最長(zhǎng)24 m；203采場(chǎng)面積為100.6 m2，最寬6.3 m，最長(zhǎng)20.6 m；204沒(méi)有正規(guī)開(kāi)采，但進(jìn)行了局部淺采出礦；205采場(chǎng)面積為77.11 m2，最寬4.8 m，最長(zhǎng)15 m；206采場(chǎng)僅進(jìn)行了拉底作業(yè)，未采礦；208采場(chǎng)面積為57.31 m2，最寬4 m，最長(zhǎng)15 m。

-70 m中段采場(chǎng)出礦口全部充滿，現(xiàn)場(chǎng)采場(chǎng)間柱完好，根據(jù)采礦實(shí)測(cè)圖，301采場(chǎng)面積為125.8 m2，最寬5 m，最長(zhǎng)128 m；302采場(chǎng)面積為132.7 m2，最寬4.9 m，最長(zhǎng)42.5 m；303采場(chǎng)面積為140.1 m2，最寬4.8 m，最長(zhǎng)43.6 m；304采場(chǎng)面積為237.3 m2，最寬9.4 m，最長(zhǎng)30.9 m；305采場(chǎng)長(zhǎng)23.17 m，采場(chǎng)北端進(jìn)行了拉底、落礦(10 m高)，已經(jīng)冒落，僅施工一條出礦進(jìn)路；306、307采場(chǎng)采用分段崩落法開(kāi)采，圍巖垮塌，沒(méi)有采空區(qū)。301～305采場(chǎng)間柱分別寬5.8，8.4，20.8，9.1 m。

-110 m中段下盤沿脈巷部分完好，其中404～406采場(chǎng)僅局部垮塌，根據(jù)采礦實(shí)測(cè)圖和現(xiàn)場(chǎng)可進(jìn)入?yún)^(qū)域的調(diào)查情況，401采場(chǎng)采用小分段崩落法，已崩落充填；402采場(chǎng)面積為220 m2，最寬7 m，最長(zhǎng)38 m；403采場(chǎng)面積為287 m2，最寬9 m，最長(zhǎng)35 m；404采場(chǎng)面積為253 m2，最寬7 m，最長(zhǎng)32 m；405采場(chǎng)面積為235 m2，最寬7 m，最長(zhǎng)35 m；406采場(chǎng)面積為168 m2，最寬5.8 m，最長(zhǎng)30 m；402～404采場(chǎng)間柱分別寬5.4，5.8 m。

-150 m中段下盤沿脈巷完好，基本按照設(shè)計(jì)開(kāi)采，目前501未采；502～504完成了采礦，502采場(chǎng)面積為230 m2，最寬6.8 m，最長(zhǎng)33 m；503采場(chǎng)面積為335.7 m2，最寬9.6 m，最長(zhǎng)35 m；504采場(chǎng)面積為328 m2，最寬9.8 m，最長(zhǎng)33.2 m；505采場(chǎng)僅進(jìn)行了拉底和少量采礦作業(yè)；506未采礦。502～505采場(chǎng)間柱分別寬6.5，7.3，5.8 m。

2.2 采空區(qū)類型劃分

本次采空區(qū)處理范圍為-150 m以上已經(jīng)形成的采空區(qū)，根據(jù)礦山提供的基礎(chǔ)資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和開(kāi)采情況，采空區(qū)體積(面積)整體不大，但賦存狀態(tài)極為復(fù)雜，根據(jù)對(duì)空區(qū)的可控程度，可以劃分為以下2種狀態(tài)：

(1)可知采空區(qū)(A類)，包括未塌陷的可見(jiàn)采空區(qū)和已經(jīng)塌陷但有資料記載空區(qū)形態(tài)的不可見(jiàn)采空區(qū)，如-110 m中段的404～406、-150 m中段的502～504等采空區(qū)。

(2)不明采空區(qū)(B類)，包括可看到的已經(jīng)塌陷或資料記載中顯示某處存在采空區(qū)但之前空區(qū)形態(tài)及分布狀況均不明確的采空區(qū)，如-70 m以上的已坍塌采空區(qū)。

2.3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

目前礦山空區(qū)除了-110 m水平404～406空區(qū)未垮塌外,其他空區(qū)均已發(fā)生不同程度的垮塌，根據(jù)對(duì)這些坍塌空區(qū)的調(diào)查分析，可判斷這種垮塌是因礦體(空區(qū))附近軟弱夾層發(fā)育,極不穩(wěn)固礦體上盤高嶺土化晶屑凝灰?guī)r體破碎、松軟且蝕變作用強(qiáng)烈所致，而-110 m中段3個(gè)未垮落空區(qū)所留頂柱均完好，可認(rèn)為在空區(qū)巖體垮冒時(shí)，開(kāi)采過(guò)程中所留5 m厚頂柱能夠承受圍巖垮塌的沖擊和垮塌后覆巖的自重而保持穩(wěn)定。目前-110 m水平3個(gè)未垮落空區(qū)的整體賦存環(huán)境與其他空區(qū)相近，空區(qū)寬度、暴露面積、實(shí)際體積比其他空區(qū)都相對(duì)還要大，只是此處405采場(chǎng)上部有直達(dá)地表的夾石未采動(dòng)，且上下盤巖體(特別是上盤巖體)相對(duì)較好而處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，但下部-150 m礦體的繼續(xù)開(kāi)采擾動(dòng)可能打破這種平衡狀態(tài)，因此，采用膠結(jié)充填法有效處理-150 m中段現(xiàn)有空區(qū)，確保深部開(kāi)采安全。

3 采空區(qū)治理

采空區(qū)處理方法有充填、隔離、永久礦柱支撐、崩落圍巖和綜合處理等。本次采用分中段崩落圍巖充填礦房-分段崩落階段出礦方式回采礦柱-分階段分層次綜合措施處理空區(qū)。

-110 m中段404～406空區(qū)基本完好，采用分中段崩落和階段崩落2種方式，-110 m頂柱按井下生產(chǎn)現(xiàn)狀依次崩落回收。

為了在空區(qū)處理的同時(shí)，充分回收殘留礦體，將-150 m以上分成3個(gè)階段和3個(gè)層次，即-70 m以上作為第一個(gè)回采階段和回采層次，-110 m以上作為第二個(gè)回采階段和回采層次，-150 m以上作為第三個(gè)回采階段和回采層次。上階段崩落的殘留礦體可在下階段進(jìn)行部分回收。

本次空區(qū)從上至下處理：

(1)對(duì)-110 m水平405空區(qū)進(jìn)行充填后回采206采場(chǎng)，出礦可以通過(guò)溜井放礦至-70 m水平，然后回采305采場(chǎng)。206和305采場(chǎng)回采結(jié)束后，由北向南后退式崩落-70 m以上之前未垮塌的礦柱，使-33 m以上之前自然崩落的巖體自行向下冒落，充填采空區(qū)。此時(shí)-70 m以上的空區(qū)內(nèi)將被廢石和礦石混合充填，原礦柱處的礦石集中堆置。由于-70 m中段采空區(qū)垮塌嚴(yán)重，采場(chǎng)圍巖穩(wěn)固性差，該中段及以上崩落和垮塌的礦石在-70 m 水平原出礦巷道批量出礦，第二、第三步驟處理過(guò)程中適量回收，當(dāng)?shù)诙襟E實(shí)施后，可確保-70 m 以上空區(qū)被廢石充填。

(2)按-150 m以下礦體充填法回采方式，先對(duì)已形成的-150 m水平采空區(qū)進(jìn)行膠結(jié)充填，然后自北向南依次崩落401、402、403、404、406采場(chǎng)頂柱，確認(rèn)每個(gè)采場(chǎng)被礦石和廢石充填滿后，崩落兩兩空區(qū)的間柱，此時(shí)由于礦房被廢石充填滿，礦柱僅承受上覆松散礦巖重量，因此礦柱較采場(chǎng)頂柱崩落前的受力狀況好很多，礦柱通過(guò)在中段采用中深孔無(wú)底柱階段崩落(或分段崩落階段出礦方式)，從上盤至下盤以2～3 m的崩礦步距后退逐漸崩落回采礦柱(分段崩落時(shí)，上分段要超前下分段)，此時(shí)相當(dāng)于無(wú)底柱崩落法的高端壁放礦，盡可能多地回收礦石，該階段在回收-110 m礦柱礦量的同時(shí)，還可回收第一層崩落或自然垮塌的礦量。

(3)根據(jù)-150 m回采與-110 m以上殘礦回收及空區(qū)處理進(jìn)度，對(duì)501、505、506采場(chǎng)采用上向分層膠結(jié)充填法或空?qǐng)鏊煤蟪涮罘◤谋敝聊弦来位夭傻V柱。

4 殘礦回收

按照地質(zhì)資料、生產(chǎn)探礦實(shí)測(cè)及空區(qū)調(diào)查資料估算，-70 m水平及以上殘留礦量約9.9萬(wàn)t(含地表殘礦2萬(wàn)t)，-110 m水平殘留礦量約5萬(wàn)t，-150 m 中段502～504采場(chǎng)頂、間柱約3.2萬(wàn)t。根據(jù)殘礦賦存情況及可采條件，實(shí)際可回收礦石量9萬(wàn)余t。-150 m以上殘留礦量見(jiàn)表3。

4.1 頂柱崩落

通過(guò)礦柱回采時(shí)的原有天井，在-67 m水平布置鑿巖硐室，硐室規(guī)格為3 m×3 m×2.2 m，在鑿巖硐室內(nèi)采用SKZ-120A型鉆機(jī)鉆鑿水平深孔，孔徑為100mm，孔底距為4.5m，頂板崩落只布置一排炮孔，每2個(gè)礦房和一個(gè)礦柱作為一個(gè)崩落單元，每個(gè)回采單元炮孔最長(zhǎng)38 m，炮孔總長(zhǎng)約274 m，-110 m 共3個(gè)回采單元，頂柱崩落深孔總量約822 m。

表3 -150 m 以上殘留礦量估算 萬(wàn)t

4.2 間柱回采及工程布置

根據(jù)礦柱及上下盤巖體狀況，礦柱可采用階段鑿巖階段崩落和分段鑿巖分段崩落2種方式，當(dāng)?shù)V巖條件不好時(shí)采用前者，反之采用后者。

階段鑿巖階段崩落方案：礦柱回采充分利用-110 m 現(xiàn)有工程，在-110 m水平礦柱的穿脈內(nèi)采用SKZ-120A型潛孔鉆機(jī)鉆鑿中深孔，孔徑為100 mm，排距為2 m，孔底距為4.5 m，按設(shè)計(jì)礦柱6 m寬計(jì)算，最大孔深40 m，每排炮孔總長(zhǎng)度為145 m，每個(gè)間柱4排深孔，總長(zhǎng)度約580 m，崩礦步距為2 m，每排炮孔崩落后均出礦至截止品位。由于礦柱回采時(shí)兩邊空區(qū)均被廢石充填滿，因此，礦柱回采前需在上盤布置切割井(2 m×2 m)。

分段鑿巖分段崩落方案：充分利用礦柱回采時(shí)的聯(lián)絡(luò)道，每分層每排炮孔總長(zhǎng)度約58 m，每個(gè)間柱分3層，每分層5排炮孔，炮孔總長(zhǎng)度約870 m，崩落時(shí)上排超前下排3 m左右?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)情況在每個(gè)分層進(jìn)行出礦，這樣有利于礦石回收和降低貧化，確?；夭砂踩?/p>

5 安全技術(shù)要求

(1)空區(qū)處理前，要將地表塌陷坑回填至18 m水平。

(2)本次空區(qū)處理分三階段三層次處理，要嚴(yán)格按照從上至下的順序進(jìn)行崩落。第二階段崩落前要完成-150 m 現(xiàn)有采空區(qū)的充填作業(yè)。-150 m中段底柱(-205 m中段頂柱以上部分)膠結(jié)隔離帶要嚴(yán)格按充填開(kāi)采設(shè)計(jì)留設(shè)和施工，確保回采安全。

(3)空區(qū)處理及礦體回采過(guò)程中要及時(shí)封閉所有與采空區(qū)相通的廢棄井巷；加強(qiáng)人員現(xiàn)場(chǎng)巡視，及時(shí)了解采空區(qū)狀態(tài)。加強(qiáng)地表陷落區(qū)及井下空區(qū)監(jiān)測(cè)管理，設(shè)置醒目標(biāo)志，防止人員誤入采空區(qū)及陷落區(qū)，并對(duì)開(kāi)采完成的廢棄井巷及空區(qū)及時(shí)封堵。

(4)中深孔爆破時(shí)，應(yīng)選用較大孔徑的上向鉆孔，盡快裝藥爆破。采用微差爆破，減少?zèng)_擊波對(duì)周圍的影響。

(5)建立井下、地表巖移監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)，并設(shè)專人定期監(jiān)測(cè)，做好詳細(xì)監(jiān)測(cè)記錄，并及時(shí)分析監(jiān)測(cè)結(jié)果，采取相應(yīng)的安全措施。

(6)針對(duì)礦柱回采與空區(qū)處理工作的特點(diǎn)，要求本空區(qū)工程施工過(guò)程中都要有技術(shù)人員和安全人員跟蹤指導(dǎo)、檢查，特別在-110 m以上礦柱崩落期間，發(fā)現(xiàn)異常要立即撤出，待確定安全后方可繼續(xù)作業(yè)。

6 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀，開(kāi)展空區(qū)探測(cè)、殘礦調(diào)查等一系列工作，摸清了井下采空區(qū)現(xiàn)狀和空區(qū)量、殘礦量，制定了合理的空區(qū)治理措施及殘礦回收方案，成功治理采空區(qū)約21 632 m3，消除深部礦體開(kāi)采的安全隱患，改善礦山周邊環(huán)境；綜合回收礦石量9萬(wàn)余t，提高礦產(chǎn)資源綜合利用水平，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)，延長(zhǎng)了礦山服務(wù)年限，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2016-07-26)

李月先(1969—)，男，高級(jí)工程師，210000 江蘇省南京市廣州路223號(hào)。