急傾斜中厚礦體采礦及采空區(qū)處理方法分析

師帥康，沈陸垚

(合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 242000)

急傾斜中厚礦體采礦及采空區(qū)處理方法分析

師帥康，沈陸垚

(合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 242000)

以廣西大新錳礦為例，介紹了急傾斜中厚礦體開采時主要應用的采礦方法，以及在提高回采率方面有明顯優(yōu)勢的人工底柱和人工間柱方案。同時結合錳礦采空區(qū)的實際情況，分析了3種常見采空區(qū)的處理方法，根據(jù)錳礦的實際情況進行了礦體采空區(qū)處理方法的選擇。對錳礦礦體開采方案的確定以及礦體采空區(qū)處理方法的選擇具有一定指導意義。

錳礦；急傾斜中厚礦體；采礦方法；采空區(qū)處理方法

0 引 言

本文結合廣西大新錳礦礦山和礦床的基本情況以及原有的開采技術條件，針對現(xiàn)存的問題，為保證礦體開采的安全連續(xù)性，提高礦體回采率，重點分析了回采工藝中人工底柱和人工間柱方案的優(yōu)勢[1]。針對大新錳礦地下礦山采空區(qū)高達88.6 m3的現(xiàn)狀，為避免礦體采空區(qū)坍塌所帶來的人畜和設備傷害，以及地質(zhì)災害，本文針對已經(jīng)提出的采空區(qū)處理方法進行了重點分析介紹[2]。

1 錳礦開采方法

1.1基本情況及開采條件

位于廣西大新縣下雷鎮(zhèn)的廣西大新錳礦礦區(qū)為典型的沉積型碳酸錳礦床，礦層存在于硅質(zhì)巖、鈣質(zhì)泥灰?guī)r以及上泥湓統(tǒng)榴江組泥灰?guī)r等過渡巖相內(nèi)[3]。大新錳礦礦層可分為3層，最下面的為第1礦層，1礦層底板為夾泥質(zhì)巖和泥質(zhì)灰?guī)r，平均厚度約1.66 m；1礦層之上為夾1，平均厚度約2.5 m；夾1之上為第2礦層，平均厚度約為2.2 m；其次為夾2，平均厚度約為0.5 m；最上層為第3礦層，3礦層的頂板為硅質(zhì)巖，平均厚度約為1.58 m，之后為泥巖和硅質(zhì)巖。因為夾1層和夾2層厚度較小，因此該錳礦適合3層礦合采[4]。

該錳礦礦石堅固系數(shù)約為10～15，密度約為3.13 t/m3，質(zhì)地穩(wěn)定堅固；巖石堅固系數(shù)約為10，密度約為2.7 t/m3，屬于中等穩(wěn)定堅固狀態(tài)；礦巖松散系數(shù)約為1.5，自然安息角約為50(°)。該礦體上部分地質(zhì)構造簡單，礦巖穩(wěn)固，具有較好的完整性，但潛在水面之下的礦體由于復雜的水文地質(zhì)條件，是開展礦體開采工作的難點[5]。

1.2采礦方法

分析大新錳礦的基本情況，礦體開采一般采用分段中深孔落礦留礦法[6]，礦房的寬度約為7 m到12 m，即錳礦礦體的寬度，礦房長度約為60 m，高度約為60 m。鏟運機需要配合短溜井出礦，底柱于下中段進行回采，頂柱隨礦房中深孔進行回采，間柱不進行回采。鏟運機為1.5 m3電動鏟運機，從階段平巷運送至階段聯(lián)絡道內(nèi)，而后進行解體，并由人行通風天井提升6 m高后到達出礦水平,組裝之后可將其投入運行。

根據(jù)實際生產(chǎn)運行情況，發(fā)現(xiàn)該方法存在以下幾個問題：

1)采空區(qū)問題的處理沒有得到有效的重視，深度開采存在冒頂和巖爆的可能性；

2)礦柱的回采需要經(jīng)過5年以后，由于時間間隔較長，回采的可行性并沒有得到可靠驗證；

3)礦體深層存在嚴重的防水以及排水問題。

為了解決以上礦體開采存在的問題，首先要將礦房變成相對獨立的空區(qū)，而且在出礦作業(yè)完成后，需要從礦體的上中段部分填充矸石，為此需要借助框架結構，采用人工底柱以及人工間柱方案，從而達到經(jīng)濟技術上合理性和可行性。

2 回采工藝

由于采礦的出礦方式為鏟運機運送，在中間段還未開發(fā)完成的，沒有從中間段出礦井的前提下，采取提高底柱的方法，簡稱短溜井出礦，從而提高礦體的出礦效率。通過鑿巖道和礦脈勘探技術來控制礦體，可以更加準確的劃分礦石邊界，從而指導中深孔巖石鉆井的設計和施工，以降低貧化率，提高采收率。具體施工工作的開展包括，確定礦房高度約為60 m，底柱高度約為6 m，鑿巖工作分3段進行，每段高度約為18 m；沿著礦體開鑿天井，并確定天井為位置位于間柱內(nèi)。作業(yè)開展的主要程序為：首先進行穿脈，然后進行天井的開鑿工作，形成人工底柱以及人工間柱，溜井并鏟運機道出礦進路，接著進行巖道的開鑿，進行探礦穿脈，以及鑿巖爆破工作，最后出礦回填[7]。

2.1人工底柱方案

穿脈時，鑿巖道由礦體中心開鑿，利用YGZ-90鑿巖機，進行扇形中深孔的開鑿，并將礦房的底柱設定為控制范圍。利用尾砂膠結或者水泥填補爆破出礦之后形成的采空區(qū)，從而得到人工底柱。為了提高人工底柱對較大爆破沖擊力以及填充物的重量壓力，從而確保在進行中斷回采時，采空區(qū)不發(fā)生坍塌的事故，需要連續(xù)澆筑多個礦房的人工底柱，從而形成一個更加穩(wěn)定堅固的人工底柱整體。

2.2人工間柱方案

人工間柱的形成需要同時形成礦房的切割天井，這也是人工間柱作業(yè)的難點。人工間柱的回采以及施工過程主要包括：首先開采礦體淺孔，然后利用尾砂膠結進行填充并進行回采，從而形成人工間柱方案。首先，挖掘天井，然后用2 m層高的分層刷來幫助礦石的邊界，層層澆注。這一過程頻繁轉(zhuǎn)換，勞動強度大，施工難度大，但是工人容易掌握。

2.3鑿巖爆破

經(jīng)過四年時間的實踐，中深孔的爆破經(jīng)歷340中段，如今中深孔爆破技術經(jīng)驗豐富，日趨成熟，孔網(wǎng)參數(shù)更加合理。經(jīng)驗表明，爆破效果較好的爆破炸藥單耗量約為0.44 kg/t，此時爆破過程損耗量較小。礦體從最上端進行起爆逐漸向下，并采用后退式的回采方法，上段起爆超前下段，可間隔一到兩個爆破步距。沿用YGZ-90鑿巖機并利用FJ-25型臺架加以配合，進行垂直扇形中深孔的鉆鑿，保持中深孔孔徑在60～65 mm之間，同時保證1.8～2 m的排距以及1.4～2 m的孔底距。裝藥過程人工進行，起爆方式采用毫秒導爆管進行，保證每次的可起爆2～3。對于礦體頂柱的回采可與礦房一起進行。

3 錳礦空區(qū)處理方法

進行采空區(qū)的處理主要是為了對巖石的集中壓力進行減緩并且將壓力集中部分進行轉(zhuǎn)移，從而改善巖石中壓力的分布情況，提高礦體的安全可靠性。對于礦體采空區(qū)的處理需要達到以下目的：首先需保證技術的可行性以及經(jīng)濟的合理性；其次保證礦體的安全可靠性，保證作業(yè)開展的安全方便性，能夠提高礦體的回采率，并且盡量縮短采礦作業(yè)對礦山的影響周期。

現(xiàn)如今，礦體采空區(qū)的處理方法主要包括3種，分別是充填法、崩落法以及封閉法。而3種采空區(qū)處理方法的選擇需要人們根據(jù)礦體的實際地質(zhì)情況以及開采情況并綜合考慮多種因素的影響，最后加以確定。線面分別針對3種礦體采空區(qū)處理方法進行具體分析介紹。

3.1崩落法處理礦體采空區(qū)

礦體采空區(qū)利用崩落法進行處理，即利用中深孔、深孔或者藥室爆破將周圍巖石崩落，利用崩落巖石將礦體采空區(qū)進行填充，從而得到緩沖層。在礦體的頂端發(fā)生較大范圍的巖石突然塌落的情況時，形成的緩沖層能夠及時緩沖巖石塌落產(chǎn)生的瞬時沖擊氣流，從而減少對工作人員的傷害，對設備器械的損害，與此同時可以釋放集中的應力，從而減小對頂板巖石的壓力。

一般情況下，按照采用的崩落方式可以將圍巖的崩落法分為兩種，分別是強制崩落法以及自然崩落法。自然崩落方法適合傾斜以及緩傾斜礦體開采時礦體采空區(qū)的處理，同時還要保證礦體采空區(qū)具有良好的爆破性；二對于強制崩落法，適用于急傾斜礦體開采時對礦體采空區(qū)的處理，此時，由于礦體采空區(qū)頂板的暴露面積較小，對礦體采空區(qū)形成長時間連續(xù)性的威脅，應對局部圍巖進行強制崩落從而填充礦體采空區(qū)以消除威脅。

對礦體采空區(qū)利用崩落法進行處理時，還需要注意氣流流向的疏通，即作業(yè)時要對一次的爆破崩落量進行有效控制，從而減小由于爆破產(chǎn)生的瞬時沖擊波帶來的損失。與此同時，為了合理控制礦體采空區(qū)崩落法處理時的經(jīng)濟支出，可以綜合考慮對礦體礦柱進行回收，在進行礦柱處理時可產(chǎn)生一部分經(jīng)濟效益。

3.2充填法處理礦體采空區(qū)

實際礦區(qū)中存在地表不支持礦體塌落的情況，此時利用崩落法處理礦體采空區(qū)會造成礦區(qū)地表大面積的塌陷情況。這種情況下只能利用尾砂、廢石以及其他膠結材料對礦體采空區(qū)進行填充。通過對采空區(qū)的充填從而提高對圍巖的支撐能力，減小周圍巖石的應力，避免圍巖的變形，從而能夠保證礦房圍巖的相對穩(wěn)固程度。而充填法根據(jù)采空區(qū)充填材料的不同也可以進行不同的區(qū)分，分別為膠結充填法，尾砂充填法以及廢石充填法。

廢石充填法即礦體采空區(qū)的填充材料一般為地表裸露的脫落的廢石以及礦井開鑿產(chǎn)生的廢石等；尾砂充填法即利用選礦廠進行選礦之后所產(chǎn)生的尾砂進行礦體采空區(qū)的填充。利用充填法對礦體采空區(qū)進行處理需要建立相應的填充系統(tǒng)，即在進行采空區(qū)開鑿鉆孔，鑿道鉆井或者管道填充等作業(yè)的同時需要將填充料運送至井下的礦體采空區(qū)。因此，利用充填法進行礦體采空區(qū)處理時，存在工程量較大、填充成本較高以及填充系統(tǒng)復雜的缺點，但也有礦體采空區(qū)處理效果好的優(yōu)勢。因此對礦體采空區(qū)進行充填法處理將隨著礦體采空區(qū)填充工藝的改善以及尾砂、廢石的處理技術的提高得到更加廣泛的應用。

3.3封閉處理礦體采空區(qū)

礦體采空區(qū)封閉法的處理即將礦體采空區(qū)利用封堵墻進行封堵，把礦體采空區(qū)和作業(yè)區(qū)進行隔離，從而避免采空區(qū)塌落時沖擊電流對工作人員以及施工設備的傷害，減小采空區(qū)塌落帶來的各種損失，同時方便施工人員在作業(yè)區(qū)的施工作業(yè)。采用封閉法處理礦體采空區(qū)需要考慮封閉區(qū)域的選擇以及封閉墻厚度的確定，封閉區(qū)域以及隔離墻厚的選擇是否準確將直接影響封堵的質(zhì)量和效率。因此隔離墻厚度的選擇一般根據(jù)不同采空區(qū)的大小進行確定，而封堵點的選擇一般以與運輸通道相連的穿脈和各種聯(lián)絡通道為基準。

3.4大新錳礦采空區(qū)處理方法的選擇

廣西大新錳礦礦體采空區(qū)的處理既要保證施工的安全可靠性，又要具有技術上的可行性還要保證經(jīng)濟上的合理性，同時還要減小采空區(qū)處理措施對現(xiàn)有生產(chǎn)施工方式的影響。而大新錳礦南翼中東部礦段為急傾斜礦體，且處于有露天開采轉(zhuǎn)地下開采階段，礦體圍巖較為穩(wěn)固，地表壓力較小，開采深度較小，同時綜合考慮如今錳礦礦石的市場價格，可對礦體采空區(qū)進行封閉法處理。

對于部分礦房已經(jīng)存在采空區(qū)的情況，可對穿脈進行直接封堵；而對于較新的礦房可在開始進行回采作業(yè)時進行巖道以及聯(lián)絡道的段鑿同時修建封閉區(qū)域隔離墻，在回采作業(yè)完成之后在穿脈以及電耙道修建隔墻進行封堵形成礦體采空區(qū)封閉區(qū)域。

大新錳礦利用封閉法進行礦體采空區(qū)處理的方案，可在礦體采空區(qū)發(fā)生大面積塌陷事故時，避免瞬時的氣流沖擊波對井下施工人員的傷害以及對施工設備的損害，從而確保正常生產(chǎn)作業(yè)。與此同時，隔離墻的存在也可以避免施工人員誤入采空區(qū)危險區(qū)域發(fā)生意外，并且隔離墻的也可以作為風門，防止氣流紊亂，改善通風系統(tǒng)。

4 結 論

礦體進行開采作業(yè)的初級階段應首先根據(jù)礦區(qū)的實際情況，確定經(jīng)濟技術合理的礦體開采方案以及礦體采空區(qū)處理方案[8]。從而確保整個開采過程的安全可靠性和經(jīng)濟技術合理性，確保礦體開采經(jīng)濟效益的最大化。本文針對原有的錳礦礦體開采方法存在的問題，為保證礦體生產(chǎn)的安全連續(xù)性，重點介紹了在提高礦體回采率作業(yè)中有明顯優(yōu)勢的人工底柱和人工間柱法。對于礦體開采導致采空區(qū)的問題，本文也詳細介紹了崩落法、充填法以及封閉法三種礦體采空區(qū)處理方法，并區(qū)分了三種處理方式的主要區(qū)別和使用條件，最后以廣西大新錳礦為例，大新錳礦的實際情況進行了大新錳礦采空區(qū)處理方法的具體確定。為錳礦礦體的開采方案的確定和礦體采空區(qū)處理方式的選擇提供了一定的參考依據(jù)。

[1] 于潤滄. 采礦工程師手冊[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2009.

[2] 陳友東, 唐有德, 姚香. 類框架結構采空區(qū)處理新技術的研究與實踐[J]. 有色金屬(礦山部分), 2002, 54(6): 4-7.

[3] 依力漢. 對現(xiàn)有條件下礦柱回采和采空區(qū)處理探討[J]. 新疆有色金屬, 2004(2): 12-15.

[4] 徐江, 崔棟梁, 陳琪. 金屬礦山采空區(qū)處理方法綜述[J]. 黑龍江冶金, 2007(4): 35-37.

[5] 王湘桂, 唐開元. 礦山充填采礦法綜述[J]. 礦業(yè)快報, 2008(12): 1-5.

[6] 魏曉明, 李長洪, 張立新. 急傾斜厚大礦體采礦方法的選擇[J]. 金屬礦山, 2014(4): 31-34.

[7] 李坤蒙, 李光輝, 徐帥, 等. 急傾斜薄礦脈無底柱分段崩落法結構參數(shù)優(yōu)化[J]. 金屬礦山, 2014(7): 1-6.

[8] 周崇仁. 礦柱回采與空區(qū)處理[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1989.

AnAnalysisofMiningandGoafTreatmentMethodforSteepandMedium-thickOrebody

SHI Shuaikang, SHEN Luyao

(HeFeiUniversityofTechnology,Anhui,Hefei242000,China)

This paper takes Guangxi manganese as an example to introduce the mining method, as is mainly used in steep thick orebody mining. It has obvious advantages in increasing the recovery rate of artificial bottom column and artificial pillar scheme. At the same time, combined with the actual situation of manganese mine goaf, we have also analyzed three kinds of goaf and we have also picked Guangxi Mn-ore as an example to the actual situation of ore mining area with selection methods of air. The work is of certain guiding significance for the determination of the mining scheme of manganese ore-bodies.

Manganese ore; Steep medium thick orebody; Mining method; Goaf treatment method

2017-07-19

師帥康(1997-)，男，河南洛寧人，本科，研究方向：機械設計制造及其自動化，手機：13053233256，E-mail：12389868@qq.com.

TD861.2

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.025