冬瓜山铜矿采空区分布特征及充填治理方案设计

张 保 刘允秋 孙丽军

(1.铜陵有色金属集团控股有限公司冬瓜山铜矿；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)

1 矿山概况

冬瓜山铜矿井下开采分为新区(冬瓜山矿区)和老区(狮子山矿区)。目前，新区主要开采冬瓜山矿段，老矿区主要开采原狮子山铜矿的大团山、老鸦岭和桦树坡矿段。老区最早开采的浅部东狮子山和西狮子山矿段已分别于2001年7月和2002年上半年回采结束，形成了数百万立方米的特大空区，目前已全部采用尾砂充填法进行了治理。

老鸦岭矿床为缓倾斜薄矿体，主要采用浅孔空场法开采。该矿段-340 m中段以上已全部采完，-390，-520 m中段正在回采。目前，该矿段的实际生产能力为300 t/d，预计2018年回采结束。大团山矿段是老区生产的主力，目前-580 m中段以上基本回采结束，并实施了充填，现正对-580 m以下中段进行回采，实际生产能力约2 000 t/d。大团山矿体沿走向可分为5个盘区，-670 m中段以上主要采用深孔和中深孔阶段矿房嗣后充填采矿法，现正处于大规模回采阶段。桦树坡矿段2003年初建成投产，其-520 m中段已回采结束，目前正在回采-580～-670 m中段，已形成了700～800 t/d的生产能力，-670 m中段以下正在进行深部勘探。

老区采矿作业中段主要集中于-730 m中段以上，矿石从-390，-460，-520，-580，-670 m水平进入老区矿石溜井后，在-875 m水平通过电机车运输、卸载进入冬瓜山矿石提升系统。目前，全矿有-390，-520，-580，-670，-730，-760，-790，-850，-875，-1 000 m等主要生产中段(图1)。

图1 冬瓜山各矿段空间关系示意

矿山综合贫化率为14%，综合损失率为15%，其中，新区综合贫化率为10%，综合损失率为15%，采场综合生产能力为1 500 t/d。大团山矿段采用垂直深孔落矿阶段矿房法、分段落矿阶段矿房法和浅孔采矿法生产，老鸦岭矿段采矿方法以浅孔房柱法和浅孔留矿法为主[1-3]，桦树坡矿段采用垂直深孔落矿阶段矿房法、分段落矿阶段矿房法和浅孔房柱法开采。中深孔落矿采场崩矿量4.5 t/m，堑沟受矿，无轨设备出矿，单个采场生产能力为600 t/d，漏斗受矿，电耙出矿，单个采场生产能力为240 t/d；大直径深孔落矿采场崩矿量25 t/m，堑沟受矿，无轨设备出矿，单个采场生产能力为1 000 t/d；少量浅孔采矿采场，单个采场的生产能力为50～80 t/d。为适应似层状缓倾斜矿体厚度变化大的特点，冬瓜山矿段采用阶段空场嗣后充填法开采。

2 采空区分布特征

2.1 东、西狮子山矿段

东、西狮子山矿段于1966年7月建成投产，初期采用房柱法开采，20世纪70年代开始开采盲矿体，采用顶板不崩落、采空区下暂留矿石垫层的阶段崩落法开采[4]。采场结构参数为阶段高度40 m，采场垂直于矿体走向布置，沿走向每12.5 m划分1个采场，底部结构由电耙道和放矿漏斗组成。电耙道设置于底部结构正中，两侧每隔6 m布置1对漏斗，下设沿走向的聚矿巷道，聚矿巷道中布置溜井。底部结构高8 m，底柱上为切割层，切割层以上分3层硐室凿岩。由切割层开始，第1层凿岩硐室沿走向布置，第2、3层凿岩硐室垂直于矿体走向布置。凿岩工作在硐室内进行，采用6A-100型钻机钻凿垂直上向的扇形中深孔，排距2.0 m，采用多排同段爆破方式。

西狮子山矿段的主矿体(Ⅱ#～Ⅴ#矿体)彼此靠近，矿体倾角55°～75°，走向长314 m，-40 m以上采用房柱法开采，至1975年形成了约23万m3的采空区，顶板未自行冒落。1997—2000年对17#矿柱进行了有计划的部分回采。该矿段最低开采水平为-280 m，已于2002年底闭坑。东狮子山矿段的矿体赋存条件与西狮子山矿段类似，采矿方法也与西狮子山矿段一致，生产能力为200 t/d。东狮子山矿段主要开采对象为Ⅶ#矿体，在其上部有小空区存在，距地表较近。东狮子山矿段最低开采水平为-190 m，已于2001年7月底闭坑。

东、西狮子山矿段开采完毕后，形成了大量采空区。其中，东狮子山采空区主要赋存于43#～47#线，埋深70～-190 m，有部分空区直通地表，空区总体积达101.64万m3；西狮子山矿段盲采空区较大且分布较集中，最大的采空区体积约230万m3，埋深50～-220 m[5]。

2.2 大团山矿段

大团山矿段主要分为-490，-520，-565，-580 m 等生产中段。目前，冬瓜山铜矿出矿水平主要为-670 m中段。-580 m中段以上依次划分为5个盘区，盘区的最大暴露面积为10 000～11 000 m2，顶板最大斜长跨度不超过150 m，作为盘区划分依据。盘区之间留有盘区间柱，盘区内采场连续回采，采场间不留矿柱。Ⅲ#、Ⅳ#、Ⅴ#盘区采用下向大直径深孔阶段空场嗣后采矿法生产，Ⅰ#、Ⅱ#盘区采用分段空场法生产，中深孔落矿，底部结构采用堑沟形式，在出矿进路中采用2 m3电动铲运机出矿。当1个盘区内采场全部开采完毕后，适时进行微胶和尾胶充填采空区。Ⅰ#、Ⅱ#盘区在-490 m水平布置出矿巷道和受矿堑沟，凿岩硐室设为2层，Ⅰ#盘区1层硐室上坡12.5%，标高-475.8～-469.4 m，Ⅱ#盘区1层硐室位于-475.8 m水平，2个盘区的2层硐室均于-460 m(约-458.0 m)中段。Ⅲ#盘区底部结构布置于-527 m水平，凿岩层分别布置于-520，-490，-460 m等水平。-580 m中段的Ⅳ#、Ⅴ#盘区底部结构布置于-565 m 水平，凿岩层分别布置于-520，-490，-460 m 等水平。目前，Ⅰ#、Ⅱ#、III#、Ⅳ#、Ⅴ#盘区，23#、35#矿柱均已开采完毕并进行了全尾砂微胶充填。截至2017年6月，大团山矿段开采后形成的采空区体积如表1所示。

表1 大团山矿段采空区分布及体积

2.3 老鸦岭矿段

老鸦岭矿段-280 m中段以上矿体已于2005年底全部回采结束，-310 m中段也将回采完毕，生产能力为100 t/d。目前，该矿段已进入深部开采，生产主要集中于-390 m中段，开采主矿体D-1及次矿体G-1等矿体，规划生产能力250 t/d[6]。该矿段采空区分布于-40～-520 m中段-4#～-14#线，跨度不大，截至2017年6月，除了-190～-22 m 标高的部分采空区进行了胶结或尾砂充填外，其余采空区分布及体积如表2所示。

表2 老鸦岭矿段采空区分布及体积

2.4 桦树坡矿段

桦树坡矿段规划生产能力为700 t/d，截至目前，共布置有-460，-520，-580，-610，-640，-670 m 等中段。目前，-520 m中段已全部开采完毕，-610，-640，-670 m中段正在进行回采。该矿段-580 m中段以上主要采用中深孔分段空场法回采，采场垂直于矿体走向布置，间距15 m，底柱高度6 m，分段高度10～12 m，采用φ60 mm中深孔落矿，天井加中深孔爆破的方式形成切割槽，漏斗电耙出矿，在矿体较薄处采用浅孔房柱法回采，部分采场回采后形成的采空区正在进行充填。该矿段-580 m 中段以下采用人工矿柱盘区空场嗣后充填采矿法，采用铲运机出矿，中深孔或φ165 mm大孔落矿，中深孔落矿采用天井加中深孔爆破方式形成切割槽，大孔落矿采用中深孔拉底，大孔拉槽[7]。该矿段已开采的中段较少，形成的空区体积小，截至目前，共形成了40.73万m3采空区。采空区主要分布于31#A～33#线，采空区沿矿体走向跨度为60 m，垂直走向跨度为60～90 m，顶板暴露面积为6 600 m2。30#A、31#2个中深孔采场最终采空区顶板暴露面积为1 900 m2，其余房柱法浅孔采场顶板暴露面积一般为450 m2。

2.5 冬瓜山矿段

目前，冬瓜山矿段布置有-670，-730，-790，-850 m等中段。44#～58#线盘区内的一步骤、二步骤回采已基本完毕， 42#～58#线区一步骤、二步骤回采资源消耗比重大，截至2016年6月，两者合计资源消耗已达到75%。三步骤矿量占冬瓜山矿床资源总量的比重约20%，该部分将构成资源的良好补充。该矿段采用阶段空场嗣后充填法生产，基本处于采充平衡状态，故不存在采空区。

3 采空区充填方案

冬瓜山铜矿充填制备站共设置有6套独立的充填系统，该系统于2007年1月26日投入生产，单个系统制备能力为2 000 m3/d。充填管路从矿山充填站引出，从地表经由充填管路(6路)沿充填井到达-280 m 中段，充填管路在-280 m中段分支成为充填管路(4路)和充填管路(2路)。充填管路(2路)在-280 m中段沿团山盲竖井可到达-390，-430，-520 m中段。充填管路(2路)在-390 m中段沿充填钻孔可到达-460，-580 m中段。充填管路(2路)在-280 m中段沿充填井可直接到达 -670，-730 m 中段。总体上，目前充填管路铺设可覆盖冬瓜山铜矿老区和新区井下所有采空区。井下采空区由井巷工程相通，在进行全尾砂充填前须将井下采空区与其相通的且正在使用的井巷设施进行隔离，即对需要充填的采空区进行封闭[8]。选厂尾矿经过充填站，沿充填管道充填至井下采空区，由于充填料浆需要滤水，因此充填挡墙内需埋设滤水管，采空区充填体内的水经过滤水管排出。

根据现场调查并结合本研究试验分析，团山矿段和桦树坡矿段可采用灰砂比1∶6尾砂胶结充填和灰砂比1∶15尾砂微胶充填法治理采空区，老鸦岭矿段宜全部采用灰砂比1∶15尾砂微胶充填法治理采空区，冬瓜山矿段宜采用灰砂比1∶6尾砂胶结充填和1∶15尾砂微胶充填法，也可与矸石充填法相结合治理采空区。

4 建 议

(1)目前冬瓜山铜矿老区采空区数量较大，随着时间推移，采空区稳定性将有所下降。因此，应对采空区及时进行充填治理。受部分空区出现顶板垮落的影响，IV#盘区空区顶板已无法进行稳定性监测(监测仪器随顶板垮落)，故应加快该盘区空区充填，若受现场生产现状制约，短时间内空区无法充填，可在-460 m水平东侧新掘进的主沿脉巷中新增2～3个监测点，以便对IV#、V#盘区地压进行有效监测。

(2)对于年度地压监测报告中监测点读数活跃且变化幅度大的区域首先进行充填，及时消除隐患，如大团山矿段1#空区已存在多年，距副井较近，需及时进行充填治理。