某矿山采空区治理及残矿回收方案研究

李月先 刘允秋

(1.南京水利科学研究院；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)



某矿山采空区治理及残矿回收方案研究

李月先1刘允秋2,3,4

(1.南京水利科学研究院；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

为消除某矿山采空区隐患并对残矿进行安全、高效、合理回收，运用CMS三维激光探测系统测量采空区，采用崩落法和充填法成功治理采空区约21 632 m3；通过SKZ-120A潜孔钻机依次对顶柱、间柱进行中深孔爆破，回采残矿量9万余t，在保证安全的条件下，取得了较好的社会和经济效益。

采空区 CMS 残矿回收 中深孔爆破 崩落法

长期以来，由于我国矿业的粗放式开发，部分矿山企业采富弃贫，乱采乱挖，久而久之造成井下不规则难处理采空区以及大量矿石丢弃难以回采。某矿区由于未按照规划三级矿量有序回采，并且未及时处理井下采空区，导致残留矿石无法采出，目前部分采空区已出现了不同程度垮塌，为了防止采空区进一步垮塌造成大面积冒落，充分有效开发利用资源，制定了一套完整空区处理及残矿回收方案。

1 矿区概况

某矿区位于扬子准地台，下扬子台褶带，溧水火山盆地东北部，爱景山—癞痢山环形断裂构造的北部，夏家边—韩胡村复活火山穹隆的东北缘。软弱夹层于矿体附近较发育，矿体因品位及高岭土化强弱，其抗压强度差异较大，平均为317～495 kg/cm2，属半坚硬岩石。目前矿区分-30，-70，-110，-150 m 4个中段开采，不同中段采矿法及采场参数不尽相同，具体见表1。

表1 各中段采场布置数及采矿方法

2 采空区概况

2.1 采空区探测

常用的地下采空区物理探测方法包括高密度电阻率法、地震映象法、探地雷达法和激光法等[1],本次采用激光法空区探测系统CMS对-110 m未垮塌的3个空区进行探测，实测所得3个空区剖面及平面见图1、图2。

图1 404～406采场空区纵剖面

图2 404～406采场空区平面

根据实测三维图得出-110 m中段404～406采场空区基本参数(表2)，-110 m以上实际采空区体积约21 632 m3。

表2 -110 m中段404～406采场空区基本参数

从实际探测和现场调查情况可见，原开采形成的采空区的间柱、顶柱形态不规则，但残留矿量较多，有较大回收利用价值。

目前,-30 m中段的7个空区(其中2个空区用分段崩落法开采)、-70 m的7个空区(其中2个空区用分段崩落法开采)已经局部垮塌，且垮塌处与露天坑底贯通。-110 m的6个空区中，401～403空区已发生了一定程度的坍塌，404～406空区未见坍塌。

-30 m中段201～204采场脉外运输巷垮塌，根据采矿实测图和现场可进入区域的调查情况，200采场仅进行了局部拉底，采场面积为37.6 m2；201采场面积为258.9 m2，最宽8.1 m，最长36.4 m；202采场面积为108.7 m2，最宽5 m，最长24 m；203采场面积为100.6 m2，最宽6.3 m，最长20.6 m；204没有正规开采，但进行了局部浅采出矿；205采场面积为77.11 m2，最宽4.8 m，最长15 m；206采场仅进行了拉底作业，未采矿；208采场面积为57.31 m2，最宽4 m，最长15 m。

-70 m中段采场出矿口全部充满，现场采场间柱完好，根据采矿实测图，301采场面积为125.8 m2，最宽5 m，最长128 m；302采场面积为132.7 m2，最宽4.9 m，最长42.5 m；303采场面积为140.1 m2，最宽4.8 m，最长43.6 m；304采场面积为237.3 m2，最宽9.4 m，最长30.9 m；305采场长23.17 m，采场北端进行了拉底、落矿(10 m高)，已经冒落，仅施工一条出矿进路；306、307采场采用分段崩落法开采，围岩垮塌，没有采空区。301～305采场间柱分别宽5.8，8.4，20.8，9.1 m。

-110 m中段下盘沿脉巷部分完好，其中404～406采场仅局部垮塌，根据采矿实测图和现场可进入区域的调查情况，401采场采用小分段崩落法，已崩落充填；402采场面积为220 m2，最宽7 m，最长38 m；403采场面积为287 m2，最宽9 m，最长35 m；404采场面积为253 m2，最宽7 m，最长32 m；405采场面积为235 m2，最宽7 m，最长35 m；406采场面积为168 m2，最宽5.8 m，最长30 m；402～404采场间柱分别宽5.4，5.8 m。

-150 m中段下盘沿脉巷完好，基本按照设计开采，目前501未采；502～504完成了采矿，502采场面积为230 m2，最宽6.8 m，最长33 m；503采场面积为335.7 m2，最宽9.6 m，最长35 m；504采场面积为328 m2，最宽9.8 m，最长33.2 m；505采场仅进行了拉底和少量采矿作业；506未采矿。502～505采场间柱分别宽6.5，7.3，5.8 m。

2.2 采空区类型划分

本次采空区处理范围为-150 m以上已经形成的采空区，根据矿山提供的基础资料、现场调研和开采情况，采空区体积(面积)整体不大，但赋存状态极为复杂，根据对空区的可控程度，可以划分为以下2种状态：

(1)可知采空区(A类)，包括未塌陷的可见采空区和已经塌陷但有资料记载空区形态的不可见采空区，如-110 m中段的404～406、-150 m中段的502～504等采空区。

(2)不明采空区(B类)，包括可看到的已经塌陷或资料记载中显示某处存在采空区但之前空区形态及分布状况均不明确的采空区，如-70 m以上的已坍塌采空区。

2.3 采空区稳定性分析

目前矿山空区除了-110 m水平404～406空区未垮塌外,其他空区均已发生不同程度的垮塌，根据对这些坍塌空区的调查分析，可判断这种垮塌是因矿体(空区)附近软弱夹层发育,极不稳固矿体上盘高岭土化晶屑凝灰岩体破碎、松软且蚀变作用强烈所致，而-110 m中段3个未垮落空区所留顶柱均完好，可认为在空区岩体垮冒时，开采过程中所留5 m厚顶柱能够承受围岩垮塌的冲击和垮塌后覆岩的自重而保持稳定。目前-110 m水平3个未垮落空区的整体赋存环境与其他空区相近，空区宽度、暴露面积、实际体积比其他空区都相对还要大，只是此处405采场上部有直达地表的夹石未采动，且上下盘岩体(特别是上盘岩体)相对较好而处于暂时稳定状态，但下部-150 m矿体的继续开采扰动可能打破这种平衡状态，因此，采用胶结充填法有效处理-150 m中段现有空区，确保深部开采安全。

3 采空区治理

采空区处理方法有充填、隔离、永久矿柱支撑、崩落围岩和综合处理等。本次采用分中段崩落围岩充填矿房-分段崩落阶段出矿方式回采矿柱-分阶段分层次综合措施处理空区。

-110 m中段404～406空区基本完好，采用分中段崩落和阶段崩落2种方式，-110 m顶柱按井下生产现状依次崩落回收。

为了在空区处理的同时，充分回收残留矿体，将-150 m以上分成3个阶段和3个层次，即-70 m以上作为第一个回采阶段和回采层次，-110 m以上作为第二个回采阶段和回采层次，-150 m以上作为第三个回采阶段和回采层次。上阶段崩落的残留矿体可在下阶段进行部分回收。

本次空区从上至下处理：

(1)对-110 m水平405空区进行充填后回采206采场，出矿可以通过溜井放矿至-70 m水平，然后回采305采场。206和305采场回采结束后，由北向南后退式崩落-70 m以上之前未垮塌的矿柱，使-33 m以上之前自然崩落的岩体自行向下冒落，充填采空区。此时-70 m以上的空区内将被废石和矿石混合充填，原矿柱处的矿石集中堆置。由于-70 m中段采空区垮塌严重，采场围岩稳固性差，该中段及以上崩落和垮塌的矿石在-70 m 水平原出矿巷道批量出矿，第二、第三步骤处理过程中适量回收，当第二步骤实施后，可确保-70 m 以上空区被废石充填。

(2)按-150 m以下矿体充填法回采方式，先对已形成的-150 m水平采空区进行胶结充填，然后自北向南依次崩落401、402、403、404、406采场顶柱，确认每个采场被矿石和废石充填满后，崩落两两空区的间柱，此时由于矿房被废石充填满，矿柱仅承受上覆松散矿岩重量，因此矿柱较采场顶柱崩落前的受力状况好很多，矿柱通过在中段采用中深孔无底柱阶段崩落(或分段崩落阶段出矿方式)，从上盘至下盘以2～3 m的崩矿步距后退逐渐崩落回采矿柱(分段崩落时，上分段要超前下分段)，此时相当于无底柱崩落法的高端壁放矿，尽可能多地回收矿石，该阶段在回收-110 m矿柱矿量的同时，还可回收第一层崩落或自然垮塌的矿量。

(3)根据-150 m回采与-110 m以上残矿回收及空区处理进度，对501、505、506采场采用上向分层胶结充填法或空场嗣后充填法从北至南依次回采矿柱。

4 残矿回收

按照地质资料、生产探矿实测及空区调查资料估算，-70 m水平及以上残留矿量约9.9万t(含地表残矿2万t)，-110 m水平残留矿量约5万t，-150 m 中段502～504采场顶、间柱约3.2万t。根据残矿赋存情况及可采条件，实际可回收矿石量9万余t。-150 m以上残留矿量见表3。

4.1 顶柱崩落

通过矿柱回采时的原有天井，在-67 m水平布置凿岩硐室，硐室规格为3 m×3 m×2.2 m，在凿岩硐室内采用SKZ-120A型钻机钻凿水平深孔，孔径为100mm，孔底距为4.5m，顶板崩落只布置一排炮孔，每2个矿房和一个矿柱作为一个崩落单元，每个回采单元炮孔最长38 m，炮孔总长约274 m，-110 m 共3个回采单元，顶柱崩落深孔总量约822 m。

表3 -150 m 以上残留矿量估算 万t

4.2 间柱回采及工程布置

根据矿柱及上下盘岩体状况，矿柱可采用阶段凿岩阶段崩落和分段凿岩分段崩落2种方式，当矿岩条件不好时采用前者，反之采用后者。

阶段凿岩阶段崩落方案：矿柱回采充分利用-110 m 现有工程，在-110 m水平矿柱的穿脉内采用SKZ-120A型潜孔钻机钻凿中深孔，孔径为100 mm，排距为2 m，孔底距为4.5 m，按设计矿柱6 m宽计算，最大孔深40 m，每排炮孔总长度为145 m，每个间柱4排深孔，总长度约580 m，崩矿步距为2 m，每排炮孔崩落后均出矿至截止品位。由于矿柱回采时两边空区均被废石充填满，因此，矿柱回采前需在上盘布置切割井(2 m×2 m)。

分段凿岩分段崩落方案：充分利用矿柱回采时的联络道，每分层每排炮孔总长度约58 m，每个间柱分3层，每分层5排炮孔，炮孔总长度约870 m，崩落时上排超前下排3 m左右。可根据现场情况在每个分层进行出矿，这样有利于矿石回收和降低贫化，确保回采安全。

5 安全技术要求

(1)空区处理前，要将地表塌陷坑回填至18 m水平。

(2)本次空区处理分三阶段三层次处理，要严格按照从上至下的顺序进行崩落。第二阶段崩落前要完成-150 m 现有采空区的充填作业。-150 m中段底柱(-205 m中段顶柱以上部分)胶结隔离带要严格按充填开采设计留设和施工，确保回采安全。

(3)空区处理及矿体回采过程中要及时封闭所有与采空区相通的废弃井巷；加强人员现场巡视，及时了解采空区状态。加强地表陷落区及井下空区监测管理，设置醒目标志，防止人员误入采空区及陷落区，并对开采完成的废弃井巷及空区及时封堵。

(4)中深孔爆破时，应选用较大孔径的上向钻孔，尽快装药爆破。采用微差爆破，减少冲击波对周围的影响。

(5)建立井下、地表岩移监测网点，并设专人定期监测，做好详细监测记录，并及时分析监测结果，采取相应的安全措施。

(6)针对矿柱回采与空区处理工作的特点，要求本空区工程施工过程中都要有技术人员和安全人员跟踪指导、检查，特别在-110 m以上矿柱崩落期间，发现异常要立即撤出，待确定安全后方可继续作业。

6 结 语

结合矿山生产现状，开展空区探测、残矿调查等一系列工作，摸清了井下采空区现状和空区量、残矿量，制定了合理的空区治理措施及残矿回收方案，成功治理采空区约21 632 m3，消除深部矿体开采的安全隐患，改善矿山周边环境；综合回收矿石量9万余t，提高矿产资源综合利用水平，实现矿产资源循环经济，延长了矿山服务年限，提高了企业经济和社会效益。

2016-07-26)

李月先(1969—)，男，高级工程师，210000 江苏省南京市广州路223号。