锡矿山锑矿保安矿柱安全开采技术研究与应用

唐湘华

(锡矿山闪星锑业有限责任公司，湖南冷水江 417500)

锡矿山闪星锑业有限责任公司锑矿在储量、产量、质量上均列世界前茅，素有“世界锑都”之称，但经过长期大规模开采，矿产资源已日趋枯竭。近年来，随着开采向纵深发展，矿体呈尖灭趋势，地质品位逐渐降低已引起矿山出矿品位下降。为了稳定现有生产水平，该公司与科研院所和学校合作，走产学研相结合的道路，开展了保安矿柱采矿方法试验研究，以充分开采工业和民用建筑与河床下压覆的保安矿柱，以实现企业经济效益、社会效益、环境效益的统一，促进矿产资源的合理开发利用，提高企业的可持续发展能力。

1 概述

锡矿山闪星锑业有限责任公司辖南矿和采选厂两座矿山，南矿主采飞水岩矿床，设计生产能力为1 000 t/d。采选厂主采童家院矿床，设计生产能力为500 t/d。锡矿山锑矿田属低温热液、以充填为主伴随交代的硫化锑矿床。矿床赋存于厚层页岩之下的硅化灰岩中，呈缓倾斜似层状产出，矿床技术条件比较简单，矿井开拓方式为上盘竖井、斜井联合开拓。南区中段高度为36 m，北区中段高度为30 m。

锡矿山锑矿田正规的地质勘探始于1956年，由于当时历史条件的限制，许多工业和民用建筑物建设在矿体之上，工业和民用建筑与河床压覆了大量的保安矿柱，锡矿山锑矿田现存的保安矿柱主要是工业和民用建筑与河床下压覆的保安矿柱，各类保安矿柱矿石量300.30万t，锑金属量8.08万t，占现有总储量的30%。保安矿柱矿量是根据地勘储量计算范围内的建(构)筑物和河床需要保护程度和地勘资料圈定计算。尚未开采完毕的保安矿柱有飞水岩矿床的南炼厂保安矿柱、南矿办公室保安矿柱、一号竖井保安矿柱、飞水岩河床三中段以上保安矿柱、老矿山矿床的五窿道保安矿柱。各类保安矿柱矿量统计见表1。

表1 保安矿柱矿量统计表

2 采矿方法与工艺

2.1 矿床开采技术条件

锡矿山锑矿田包括老矿山、童家院、飞水岩及物华等四个工业矿床，主要矿体均赋存在厚110 m钙质页岩之下的佘田桥组中段石灰岩的硅化灰岩中，产状为缓倾斜。由于此段灰岩夹有多层黑色页岩起到次屏盖层的作用，矿体也具有多层性，其形态、产状和规模也有差异。第一号矿层中的矿体，呈似层状产出，品位富，厚度变化稳定，一般为2～3 m，延长数十米至数百米。第二号矿层中的矿体，也多呈似层状，但在边部、下部则呈扁豆体或不规则囊状体产出，厚1～30 m，一般7～8 m，延长数十米至数百米。第三号矿层中的矿体，有似层状，也有呈不规则的透镜体和矿囊，但在西部断裂F75、F3侧羽状裂隙发育的地段，各似层状、透镜状、矿囊状产出的矿体往往相互融合，组成以上述断裂带中炭质页岩和页岩为顶板，倾角较陡、沿断裂带走向延伸的又厚又富的矿体。

矿体上覆顶板为厚层或夹层页岩，f=3～4。赋存矿体的硅化灰岩，f=10～20，一般致密坚硬，稳固性好，但在断层附近，岩溶(空洞)发育，岩石破碎呈半胶结状态，赋存矿体部位还存在层间破碎带和矿石的溶蚀空洞，而且上覆为钙质页岩与泥晶灰岩互层的软弱层，稳定性差，易发生板状坍塌冒落等工程问题，属中等类型岩体。

2.2 采矿方法

在充分研究保安矿柱赋存条件和考虑地表建筑物需要绝对保证安全的前提下，设计选择安全、高效的人工壁柱房柱法(胶结充填法)开采。采用人工壁柱房柱法具有较大的安全可靠性，过去已采用该采矿方法成功开采南矿七中段河床保安矿柱，其采矿方法的特点就是矿块垂直矿体走向布置，每个矿块划分为矿壁和矿房，宽度均为8 m，先采矿壁，用胶结充填料充填采空区以代替原生矿柱支撑采场顶板，然后再采矿房，采空区嗣后一次胶结充填。

2.3 回采工艺

回采工艺分两步骤，高分层(最大高度10 m)采矿，采后一次充填。该法具有采场生产能力大、劳动生产率较高、矿石贫化损失率低、能保护地表等特点。根据本区开采技术特点、安全技术要求和矿山现有生产条件，其回采工艺如下。

2.3.1 凿岩爆破

回采分拉底和挑顶两阶段，均采用浅孔落矿。使用YT－27型钻机钻凿炮孔，孔径42 mm，孔深2.0 m左右;拉底时排距0.6～0.8 m，孔距1.0～1.2 m;挑顶时上向分层(2.5 m左右)回采，排距0.8～1.0 m，孔距1.2～1.4 m。采用乳化炸药爆破，非电导爆管一次起爆。

2.3.2 矿石运搬

采场矿石运搬使用28～30 kW的电耙将矿石耙入采场漏斗或进入耙矿道，再经电耙转至采区矿仓，然后在平巷用3t电机车牵引0.7 m3固定式矿车装车再转运至主矿仓。

2.3.3 采场顶板管理

各分层矿体直接顶板均为页岩，由于页岩稳固性差，在回采时容易掉落。为确保采场顶板安全，减少矿石的损失与贫化，当回采较厚矿体(D3S2－15和D3S2－7)时，顶板留0.8～1.0 m厚的护顶矿层，确保不破坏顶板页岩;当回采较薄矿体(D3S2－13、D3S2－11、D3S2－9)时，采场宽度减少至6 m，为提高矿石回采率，顶板不留护顶矿层，使用快硬水泥卷辐杆支护采场顶板。锚杆长度为1.8 m，支护网度1.0×1.0 m2，锚杆安装与采矿同步进行，锚杆安装方向基本上垂直岩层，每次爆破前采场顶板未安装锚杆的面积不超过6 m2(距工作面长度为1.0 m)，爆破后不超过18 m2。

2.3.4 采场充填

回采后的采场空区采用胶结充填。采场充填密闭使用红砖砌筑，胶结充填采场密闭墙体断面厚度0.24 m。一个采场的充填密闭全部做好后才分次进行充填。胶结充填材料水泥、分级尾砂和碎石的配比为1∶3∶6或1∶4∶5，水泥用量180 ～200 kg/m3，水灰比一般大于1.5，混凝土单轴抗压强度为2～4 MPa。

胶结充填的水泥尾砂浆经地表充填站制备后用砂浆泵加压输送或自流进入采场，碎石使用选矿场手选废石经破碎运送到地面料仓，再由矿车经充填道送入采场。

选厂尾砂由水隔离泵管路输送到地表充填站，经Φ300 mm水力旋流器分级后直接送入尾砂充填采场。

3 采场顶板的监测与施工安全技术措施

3.1 采场顶板的监测

采场顶板的监测除采用人工检查外，还应用光、电、声、机四类数十种测试仪器和研究设备进行测试，直接用于顶板监控测试的仪器有弹簧沉降器、挂顶压力计、橡胶垫、裂缝计、对顶观测器、脱层仪、顶板测力计、顶板压力仪、地音仪、杆柱量测器、水准仪、经纬仪等。

测试内容包括:顶板的沉降、平移、压力、磁电势、高频等;矿柱的承压状况、应力变化、周围巷道特别是巷道顶板岩变。

观测网布置，一般是沿矿层走向布设主轴线，每隔50～150 m垂直于主轴线布设短轴线。巷道测点应布在顶板轴线部位和两壁的中部，矿柱测点应布设在侧向中部和距采场顶板0.5～0.8 m部位，采场顶板点一般固定或布在杆柱尾端处;基点一定要布设在基岩很稳定且能通视的地方。采场顶板的监测周期为1周。

3.2 施工安全技术措施

为实现安全、有效回采保安矿柱，在施工中应实施下列安全技术措施:

1.严格执行各分层矿体先下后上的原则。各分层矿体回采采取先下后上的回采顺序，即在垂直面上先回采 D3S2－15层矿体，后回采 D3S2－13～ D3S2－9层矿体，再回采 D3S2－7层矿体。

2.坚持强采、强出、强充的“三强”措施，尽量缩短采场空场时间。采场一经开采，做到采、出、充连续作业，不得中途无故停止作业。

3.严格控制采场空场个数。区域内采、出、充同时作业的采场不得超过5个。一般情况下，在采完第二个采场并准备回采第三个采场前，必须充填好第一个采场。

4.特别重要的构筑物，如南炼厂冶炼炉房下方全部实行胶结充填外，上分层回采时，应在沿倾向的中间分段部位留一条4～6 m宽的连续矿壁，以提高井下采空区的整体支撑力，减少下沉值，增大安全可靠性。

5.加强充填生产、技术管理，确保充填质量。严格按 1∶3∶6或 1∶4∶5配比进行胶结充填作业，保证胶结充填体强度达2～4 MPa，采空区充填切实保证充分接顶。

6.对距地表小于30 m(局部范围)矿体的回采，除采空区全部采取胶结充填外，只许一个采场空场，即已采采场充填好后再新开另一个采场。

7.加强地压岩移预测预报工作。按照地压岩移监测工作制度，定期对采场、观测站进行区内岩体声发射情况的监测，定期对井下和地表岩移观测线进行岩体中和地表岩移情况的观测，并根据观测结果及时进行综合分析，指导井下生产。

4 结论

1.安全开采保安矿柱，可最大限度地回收矿产资源，促进矿产资源的合理开发利用，提高企业的可持续发展。

2.保安矿柱采用人工壁柱法(胶结充填法)开采，矿壁和矿房回采后均采用较高标号的胶结充填料充填处理采空区，切实保证充填接顶，可保证采空区不冒落，地表不沉降变形。

3.保安矿柱开采必须严格控制空场面积，定期开展地压岩移观测预报工作，以防止出现突发性、灾害性的地压活动，以保证地表建筑物的安全。

［1］ 周爱民.有色矿山采矿技术新进展［J］.采矿技术，2006，(3):1 －7，48.

［2］ 祝禄发.人工壁柱房柱法采场地压的发展及控制［J］.金属矿山，1994，(12):26 －29.

［3］ 曾永志，潘谨，祝禄发.块石胶结充填采矿法的研究与应用［J］.采矿技术，2012，12(6):3 －4.

［4］ 杨小平，祝禄发，于水.重要建(构)筑物下保安矿柱开采试验研究［J］.采矿技术，2012，12(5):7－8.

［5］ 王洋，易志清，祝禄发.尾矿似膏体胶结充填采矿法的研究与应用［J］.湖南有色金属，2013，29(1):7－9.