高价值矿床复杂空区条件下“三柱”回收方案研究

代建清，吴贤振

(1.江西理工大学, 江西 赣州市 341000； 2.四川鑫源矿业有限责任公司, 四川 白玉县 627150)

高价值矿床复杂空区条件下“三柱”回收方案研究

代建清1 ,2，吴贤振1

(1.江西理工大学, 江西 赣州市 341000； 2.四川鑫源矿业有限责任公司, 四川 白玉县 627150)

呷村银多金属矿为急倾斜的多层矿体，留矿法回采后留下大量价值高的矿柱和未经处理的采空区，上部中段的采空区在地压作用下已塌透到地表，造成大量高价值矿柱回收困难。为充分利用矿产资源，结合三柱(顶、底、间柱)赋存的实际条件，对银铜矿、独立铅锌矿的三柱进行了调查分类，通过技术、经济分析针对不同类别的矿柱选择了不同的回收方法。结果表明，针对复杂空区条件下的三柱，需要在掌握矿柱品位、周边空区状况的情况下，综合协调使用多种不同回采方法，才能有序保障三柱的安全经济回收。

矿柱回采；采矿方法；充填；崩落

呷村银多金属矿矿体赋存特征是以迭瓦式矿脉群的形式存在，下盘银铅锌铜主矿体与上盘独立铅锌矿体间距近。矿体连续性较好、厚度中等以上，在采用浅孔留矿法回采后，采场留下了比例较大的顶底柱、间柱，形成了大量未经处理的采空区。目前已回采采场主要分布于4050中段、4100中段、4160中段、4200中段，其中4200 m及以上中段除个别采场的间柱没有回收，顶柱和底柱已经回收完毕。

随着生产的进一步进行，受开采深度、地压的影响，4100 m中段及以上中段的大部分采空区顶底柱已垮塌，多个中段采空区已垮通，且大多数空区垮透至地表。采空区的大量垮塌、地压的明显显现，已对4050及4050以下中段的安全生产造成严重影响。

1 存在的问题

矿山采用的采矿方法为留矿法，采后空区没有处理，上部中段存在大量的三柱与空区。前期采场回采时，没有实测数据，对空区的情况不清，加上银铜矿、铅锌矿为多层、急倾斜矿体，采后的空区呈板框框架式分布。加上上部中段距离地表较近，在多中段生产后，上部中段的采空区出现大范围塌陷，并塌透到地表，采空区情况更为复杂。

随着开采的进一步进行，矿山可采资源量逐步减少，主要可采对象转变成采场矿柱的矿山越来越多[1￣18]。由于受空区垮塌、情况不清、底部结构损坏、应力集中等因素的影响，三柱回收难度大，损失、贫化高。由于三柱矿量在保有储量中占有比例大，品位高，因此需要针对三柱具体情况，选择安全合理的回采方案，实现资源安全利用，增加经济效益[1￣5]。

2 井下三柱分布及类别

2.1 三柱分布

为选择合适的三柱回收方法，对井下4200，4160，4100，4050中段的采空区及三柱情况进行调查，各中段三柱及空区分布现状为：

(1) 4200中段：所有采场均与地表塌透，没有空区存在。2线以北顶柱与间柱整体塌落，没有具备回收条件的矿柱。

(2) 4160 m中段：银铜矿采场的基本情况为底部结构出现不同程度的损毁，间柱暂时完好，采场顶柱垮塌与露天坑连通，银铜矿没有空区存在。独立铅锌矿4线～3线为现今4160 m中段主要供矿地段，共有14个独立铅锌矿采场。3线～7线区域内有3113，3218两个采场，3218采场透地表，但间柱和底部结构还在。5线～7线主运输巷整体塌陷至4111#KF，脉外运输巷由于地压作用，发生严重变形，危险系数大，暂时无法通行。4线以北三柱矿量较小，主巷塌陷，残存部分窄小矿体。

(3) 4100 m中段：三柱与空区以银铜矿采场为主，银铜矿体一共布置有11个采场，采场底柱高12 m，顶柱多数与上中段垮透，因此4100中段银铜矿采场只有间柱和底柱。独立铅锌矿房数为4个，矿房回采结束，三柱完好，空区敞空存在。

(4) 4050 m及以下中段：4050 m中段仅在Cu1主矿体有8个采场，采后留下了间柱、顶柱，其中51108，51106采场的顶柱已垮塌连通上中段，并已透至地表，其余采场的顶柱、间柱、底柱完好。4050 m以下中段没有采场。

2.2 各中段三柱实际分类

根据三柱和空区赋存实际情况，结合采空区垮塌等现场条件，银铜矿、独立铅锌矿的三柱均可以分为两大类：一是两侧垮满废石的三柱；二是空区敞空条件下的三柱。

在矿柱两侧的空区垮满废石的情况下，采场的顶柱已经垮塌、底柱可以随未垮的下中段顶柱一起回收，这种情况下的三柱回收实际上只有两侧垮满废石的间柱回收。

结合矿山开采实际情况，各中段银铜矿、独立铅锌矿三柱的实际分类如下：

(1) 4200中段：银铜矿3线以北为两侧垮满废石并出露地表的间柱，3线以南为两侧垮满废石没有出露地表的间柱；铅锌矿为两侧垮满废石并出露地表的间柱。

(2) 4160中段：银铜矿9线～3线为两侧垮满废石的间柱，3线～1线目前为空区敞空条件下的三柱；1线～8线为两侧垮满废石的间柱；铅锌矿3线～0线为空区敞空条件下的三柱，0线～4线为两侧垮满废石的间柱，4线～6线为空区敞空条件下的三柱。

(3) 4100中段：银铜矿11线～9线为空区敞空条件下的三柱，9线～3线为两侧垮满废石的间柱，3线～1线目前为空区敞空条件下的三柱，1线～8线为两侧垮满废石的间柱。铅锌矿1线～4线为空区敞空条件下的三柱。

(4) 4050中段：银铜矿11线～4线为空区敞空条件下的三柱，4线～8线为两侧垮满废石的间柱。铅锌矿无采场。

3 三柱回收方法

3.1 两侧垮满废石的银铜矿间柱回收方案

针对两侧垮满废石的间柱，由于间柱两侧、顶部均为松散体，采用不同方法回采时主要面临以下几个问题[3,19￣20]：

(1) 空场法回采这类矿柱存在安全性极差、损失率大、可操作性差等问题[4,17]。

(2) 充填法回采间柱，仍需在顶部的垮落矿岩之间留有无法再回收的顶柱，采场综合损失率仍然偏大，但贫化率低。

(3) 崩落法回采。充填系统形成前，由于间柱顶部、两侧都为垮落的松散矿岩，为崩落法回采形成了较好的覆盖岩层，采用崩落法由上往下回采，间柱可以不留护壁全部崩落，人员在凿岩巷道内作业，其安全性较好，可操作性高。但崩落法回采主要存在贫化率高，出矿难度大等问题。

通过以上分析，间柱两侧垮满废石，采用空场法需要在间柱两侧各留设3 m护壁，但即使留设护壁，回采时由于受两侧松散体的挤压，作业安全性极差，同时损失率极大，因此空场法完全不适合回采两侧垮满废石的间柱。充填法中，可行的方法主要有上向水平分层充填采矿法和上向进路充填采矿法。崩落法中，可以用阶段深孔崩落法或者中深孔分层崩落法进行回收，但由于间柱宽度一般为8～10 m，阶段深孔崩落法爆破后只能放出下部的小部分矿石，之后间柱两侧的废石便直接切断了矿石流动通道，导致上部大部分矿石无法放出，损失率至少为70%～80%，因此崩落法中可行的主要方法是分层崩落法。

根据上述分析，两侧跨满废石的银铜矿间柱，可行的回收方法主要有上向水平分层充填采矿法(方案Ⅰ)、上向进路充填采矿法(方案Ⅱ)、分层崩落法(方案Ⅲ)。

由于方案Ⅱ是以掘进巷道的方式进行回采，凿岩爆破成本高，采后需要高强度胶结充填，充填成本高，使得整体回采成本比方案Ⅰ高，经计算的吨矿净利润高于方案Ⅲ，加之回采充填工艺复杂、操作难度大，因此在采用充填法时，推荐采用方案Ⅰ回采两侧垮满废石的银铜矿间柱。方案Ⅰ与方案Ⅲ相比，方案Ⅰ的采切工程量小、采矿贫化率低，经计算的吨矿净利润高于方案Ⅲ，方案Ⅰ安全性稍差的问题可以通过技术、安全措施进行控制，因此方案Ⅰ整体上优于方案Ⅲ。

结合矿山实际情况，由于充填系统主管路从4100中段进入井下，充填4160中段需要将主管路接入4200中段，并且需要泵送，对充填系统的要求极高，加上4200中段目前巷道挤压变形严重，到2017年下半年以后基本不具备安全进入的条件，因此4160中段的银铜矿间柱不适合采用充填法回采。

综合以上实际情况，确定4160及以上中段的银铜矿间柱采用分层崩落法回采，4100中段两侧垮满废石的银铜矿间柱采用上向水平分层充填采矿法回采。

3.2 空区敞空条件下银铜矿三柱回收方案

4050中段以上银铜矿采场顶柱都已垮塌，只有4050中段银铜矿采场空区还敞空存在。4050中段银铜矿空区及三柱特征为：空场长42 m，宽为矿体厚度8～15 m，采场间柱宽8～12 m，采高35 m；采场顶柱为10 m，与4100中段底柱连为一个整体，厚度为22 m。

针对4050中段空区敞空条件下的银铜矿三柱回收及空区处理，需要回收的主要有间柱、顶柱和底柱，由于顶柱和上中段底柱为一体，因此将顶柱和底柱统一考虑，即主要考虑间柱和顶底柱回收问题。

对于4050中段的银铜矿间柱，技术上可行的回收方案主要有空场条件下中深孔直接崩落法、充填后上向分层充填采矿法、充填后上向进路充填采矿法，但由于4050中段的银铜矿体间柱品位高、整体顶柱厚度大，崩落法回收贫化、损失率大，还会造成上中段进一步塌陷，不推荐采用。而上向进路充填采矿法采用进路式回采，落矿效率低，充填成本高，采矿工艺复杂。因此，通过技术经济对比分析，推荐在空区充填后采用上向分层充填采矿法回收间柱[3,19￣22]。

对于4050中段的顶底柱，技术上可行的回收方案主要有空场条件下中深孔直接崩落法、充填后上向水平分层充填采矿法、充填后上向进路充填采矿法，崩落法回收贫化、损失指标差，采空区直接底部的3～5 m矿体无法采用上向水平分层法回采，上向进路充填法工艺复杂。因此，需综合两种采矿方法对不同位置的顶底柱进行协同回采，即：利用上向进路充填采矿法采场宽度小，安全性好的特点回采采空区底部2～3 m永久顶底柱下部的顶底柱；利用上向水平分层充填采矿法比上向进路充填法生产能力大、成本低的特点，回采空区下部6 m外的顶柱[22￣23]。

3.3 两侧垮满废石的铅锌间柱回收方案

两侧跨满废石的独立铅锌间柱，可行的回收方法主要有上向水平分层充填采矿法(方案Ⅰ)、上向进路充填采矿法(方案Ⅱ)、分层崩落法(方案Ⅲ)，其经济对比(品位按铅锌间柱平均品位)见表1。

表1 两侧跨满废石的铅锌间柱回收经济对比

由表1可知，对于铅锌品位为6.6%的间柱，采用方案Ⅰ上向水平分层充填采矿法回采的经济效益比方案Ⅱ、方案Ⅲ好，因此在这种情况下选择采用上向水平分层充填采矿法。

3.4 空区敞空条件下的独立铅锌三柱回收方案

对于采场敞空，三柱完好的独立铅锌间柱回收，可行的技术方案主要有：空场条件下中深孔直接崩落法(方案Ⅰ)、充填后上向水平分层充填采矿法(方案Ⅱ)、充填后上向进路充填采矿法(方案Ⅲ)、充填后分段空场嗣后充填采矿法(方案Ⅳ)，其经济对比见表2[3,19￣20]。

表2 空区敞空条件下独立铅锌三柱回收经济对比

由表2可知，当Pb地质品位为2.60%、Zn地质品位为4.06%、Ag地质品位为27.5g/t时，各方案每吨矿石的净利润分别为：30.9、42、-5.8、40.7元，可知在不考虑两侧采空区充填费用的情况下方案Ⅱ(充填后上向分层充填采矿法)的盈利能力更强，推荐采用方案Ⅱ。方案Ⅰ与方案Ⅱ、Ⅳ相比，其每吨矿石少盈利11元、9.8元，因此，如果两侧采空区充填时，间柱原矿摊销充填费用高于11元/t时，推荐采用方案Ⅰ(空场条件下中深孔直接崩落法)回收独立铅锌间柱。结合矿山实际情况，确定回收方案以空场条件下中深孔直接崩落法为主。

对于独立铅锌矿顶底柱，由于间柱回收方案对比时，中深孔直接崩落法优于其他充填方法，而采用中深孔崩落间柱时，必须与顶底柱一起崩落，中深孔崩落顶底柱的成本明显低于充填采矿法，因此，推荐采用中深孔崩落的方式与间柱一起回收顶底柱[23￣24]。

4 结 论

针对矿山采用留矿法回采留下的大量采空区及高品位三柱情况，结合空区赋存及垮塌等实际情况，对三柱进行了分类，并针对不同分类、不同条件下的三柱回收方案进行了技术经济对比，优选出适合矿山生产实际的、技术经济最优的方案。具体结论如下：

(1) 将银铜矿、独立铅锌矿的三柱分别划分为两侧垮满废石的间柱、空区敞空条件下的三柱，并结合具体生产实际情况对4200、4160、4100及4050中段的三柱进行了具体的分类。

(2) 对于两侧跨满废石的银铜矿间柱，通过方案对比，确定4160及以上中段的银铜矿间柱采用分层崩落法回采，4100中段两侧垮满废石的银铜矿间柱采用上向水平分层充填采矿法回采。

(3) 对于空区敞空条件下的银铜矿间柱，推荐在空区充填后采用上向分层充填采矿法回收间柱。对于空区敞空条件下的银铜矿顶底柱，利用上向进路充填回采采空区底部2～3 m永久顶底柱下部的顶底柱；利用上向水平分层充填采矿法回采空区下部6 m外的顶柱。

(4) 对于两侧跨满废石的独立铅锌矿间柱，当品位不低于平均品位6.6%时，采用上向水平分层充填采矿法回采的经济效益好，因此在这种情况下选择采用上向水平分层充填采矿法。

(5) 对于空区敞空条件下的独立铅锌矿间柱，确定回收方案以空场条件下中深孔直接崩落法为主。对于独立铅锌矿的顶底柱，采用与间柱一起中深孔崩落的方式回收。

(6) 通过不同情况的三柱回收方法选择，可知在针对复杂空区条件下的三柱，首先需要在掌握矿柱品位、周边空区状况的情况下，综合协调使用多种不同回采方法，并加强技术与现场管理，才能有序保障三柱的安全经济回收。

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代建清(1972-)，男，山东安丘人，主要从事矿山技术及管理工作，Email:2467041446@qq.com。