充填体下水平矿柱开采技术研究

董凯程,吴春平,冯盼学

(北京矿冶研究总院,北京 100070)

井下残留矿柱的开采技术条件极为复杂，是当今采矿技术的一大难题[1-3]。目前，许多矿山在回收残矿资源时，常常因为遇到技术或经济上的困难，而达不到预期的效果。国内外矿山针对充填体下水平矿柱开采开展了一系列研究工作，在实际生产中取得了一定的效果。凤凰山铜矿、金川二矿区采用多种手段从对水平矿柱稳定性进行分析、监测入手，研究合理的采矿方法回采水平矿柱[4-6]。国外金属矿山应用房柱法回采比较多，在矿柱回采方面，前苏联、加拿大、美国、墨西哥、日本等国采矿科技工作者开展了很多有益的工作，也取得了许多宝贵经验。加拿大哈德孙湾矿冶公司的罗德矿采用高应力锚索支撑的圆木假顶护顶，回收顶柱，且作业环境十分安全[7]；因此，开展充填体下水平矿柱开采技术研究，解决水平矿柱开采过程中的关键技术问题，对于充分回收有用资源、保证经济持续发展以及提高矿山企业经济、社会效益均具有十分重要的意义。

1 工程概况

某铜矿1#矿体水平矿柱顶板标高为-384m，底板标高为-392m，现未进行开采。水平矿柱回采范围从9#P至12#R，矿量约64万t，矿石平均体重3.47t/m3，矿石含铜平均品位1.148%，含铁平均品位41.127%。水平矿柱-384m以上矿体已开采完毕并进行充填，矿柱直接顶板为胶结充填体，灰砂比为1∶4，厚度6～10m不等，部分为上部采场遗留堑沟底部结构。-392m以下采场采用自下而上的回采顺序，现矿房已回采到-392m并进行尾砂胶结充填。矿柱回采工作正在进行，其中9#P采场已上采到-396m水平，4#P至12#P已上采到-392m。

2 开采顺序研究

采场稳定与矿山整体稳定性是密切相关的，开采顺序是保障水平矿柱及矿山稳定的关键因素[8-9]。水平矿柱上部矿体已开采完毕并已进行充填，下部一步骤采场已上采至水平矿柱底板。由于水平矿柱下部一步骤采场充填难以保证充分接顶，且充填体力学性质远远低于矿体，因此随着下部矿体的上采，水平矿柱应力集中现象愈加明显[10]，开采过程中水平矿柱应力集中带来的安全问题需要高度重视。因此水平矿柱开采过要与矿柱采取协同开采的方式，避免开采过程中由于应力集中带来的安全隐患。

9#P到4#R水平矿柱由两翼向中间后退式开采，矿柱采用自下而上、自两翼向中间后退式开采的方式。先回采矿房采场上部水平矿柱，空区采用尾砂胶结充填；其次回采水平矿柱以下矿柱采场，空区采用废石或尾砂非胶结充填；最后回采矿柱采场上部水平矿柱，也可以采取深孔—中深孔联合采矿方式同时回采矿柱与水平矿柱。6#P到12#R矿房矿柱均已上采至水平矿柱底板，水平矿柱采取由6#P向12#R依次顺序开采的方式，采空区均采用尾砂胶结充填。采用该回采顺序水平矿柱与后续回采矿柱在空间上始终保持形成一个原岩实体框架结构，不留孤立水平矿柱单独回采，有效解决水平矿柱下部充填体未充分接顶带来的应力集中问题，有利于水平矿柱及矿区的整体稳定性。

3 采矿方法研究

3.1 上向中深孔空场嗣后充填采矿法

采场垂直矿体走向布置，宽度为15m，厚度为12m，长度为矿体厚度。采场中间布置一条凿岩巷道，位于-392m标高。相邻采场布置出矿联络道，在出矿联络道内布置出矿进路至回采采场。切割槽位于采场端部(或中部)，在凿岩巷道内利用YGZ90钻机打上向扇形中深孔，孔径Φ60m，孔底距1.8m，排距1.4m。新鲜风流由下盘运输巷进入凿岩巷道，洗刷工作面后，污风经上盘回风巷排至回风井。矿石采用铲运机由出矿进路、出矿联络道运至矿石溜井，爆破全部结束后利用遥控铲运机回收采场内残留矿石。采空区采用全尾砂胶结充填，灰砂比为1∶4。(图1)

图1 上向中深孔空场嗣后充填采矿法

3.2 下向深孔空场嗣后充填采矿法

采场垂直矿体走向布置，宽度为15m，厚度为8m，长度为矿体厚度。相邻采场内布置单侧出矿联络道，出矿联络道内施工出矿进路至采场。在水平矿柱上部充填体(或堑沟矿柱)内打凿岩巷道，切割槽位于采场端部(或中部)，在凿岩巷道内打下向扇形深孔，孔径Φ100m，孔底距2.2m，排距2.0m。通风及出矿方式与上向中深孔空场嗣后充填采矿方法相同(图2)。

图2 下向深孔空场嗣后充填采矿法

3.3 上向进路充填采矿法

采场宽度为5m，分层高度为4m。回采时先回采中间进路，然后再回采两边进路。采场两端各施工一条脉外混合井，高度约12m。井底标高-396m，井口标高-384m。混合井从-384m安装人梯向下到达各个分层，回采时混合井上部作行人通风用，下部做溜矿用。作业人员从混合井进入到第一分层作业，采用手持式浅孔凿岩机打孔，孔径Φ36mm。爆破矿石通过电耙耙至混合井溜至-396m，由汽车运至脉外溜井。第一分层采完后进行胶结充填，充填体灰砂比为1∶4。首采分层从矿体上盘向下盘倾斜，坡度为5%左右。第二分层回采结束采用尾砂胶结充填，灰砂比为1∶4，充填体要与顶板充分接顶。采场通风主要借助压抽结合的局部通风方式，爆破过后进入作业面前要对炮烟浓度进行检测，防止炮烟中毒事故发生(图3)。

4 采矿方法选择

研究制定的三种采矿方法各有优缺点，上向中深孔控场嗣后充填采矿法和下向深孔空场嗣后充填采矿法均是利用凿岩巷道打中深孔或者深孔落矿，铲运机出矿采矿效率很高。缺点是：充填体表面强度相对较低铲运机行走困难；采场尺寸较大顶板相对较难控制，顶板充填体易垮落造成贫化。采用上向进路充填法开采，采场端部施工混合井作为作业人员进入采场的通道以及溜矿井，采切工程量小，作业灵活。采场进路尺寸较小，不会发生较大的地压活动。采用浅孔落矿，能够很好的控制采场边界，贫损率低。缺点是：难以应用大规模机械设备，采矿效率较低。

图3 上向进路充填采矿法

综合对比分析三种采矿方法的优缺点，建议水平矿柱采用上向进路充填法回采。回采过程中要合理控制采场尺寸，必要时对顶板和边帮进行支护。采场爆破后要加强通风，防止炮烟中毒事故的发生。

5 结论与建议

通过对国内外水平矿柱开采技术研究现状调研，对水平矿柱回采顺序、采矿方法进行研究，得出的结论与建议如下：

1)水平矿柱在回采顺序上与下部矿柱协同开采，水平矿柱由两翼向中间后退式开采，矿柱采用自下而上、自两翼向中间后退式开采的方式。

2)综合比较三种采矿方法优缺点，建议水平矿柱采用上向进路充填采矿法回采。

3)水平矿柱开采要加强稳定性分析及地压灾害监测，掌握水平矿柱地压活动规律，保障回采安全。

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[5]赵其祯，郭慧高，张海军，等．特大型水平矿柱稳定性数字模拟[J]．有色金属:矿山部分，2008，60(3)：28-31．

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