基于采矿环境再造的缓倾斜极薄矿体残留矿柱回采技术及应用

侯国权 叶尔江•多力达西 郭利杰 崔松 陈新

摘要：某钨矿采用全面采矿法开采，造成大量矿柱资源难以有效回收。提出利用采矿环境再造技术进行点柱回采。根据矿山采空区点柱的赋存情况划分矿块，在底部结构及矿块边界位置施工充填挡墙，整体充填采空区，改变采空区应力状态。充填体养护期达到要求后，从底柱位置先开挖充填体，遇到矿柱时，依旧按照切割上山的规格掘进，直到切割上山和上中段巷道貫通后，再以后退式对未回采完的矿柱进行刷帮回收，取得了较好的矿柱资源回收效果。

关键词：采矿环境再造;矿柱回采;采空区;充填体;资源回收

中图分类号：TD853文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1001-1277（2021）10-0035-03doi：10.11792/hj20211007

引 言

采用空场采矿法开采的地下矿山经过长年开采，残存了大量的采空区，而且采空区规律性较差，相邻矿房之间没有预留间柱，相邻的采空区及相邻中段的采空区基本已相互贯通形成采空区联合体，存在较大安全隐患，同时矿柱难以开采也造成大量矿产资源的浪费[1-2]。

地下矿山开采过程中对应力、结构等采矿环境的改变是造成残矿资源难以回收的重要原因，在这种情况下传统的采矿工艺无法达到理想的资源回收效果[3]。因此，中国工程院院士古德生教授创造性地提出“采矿环境再造”概念，为矿柱等残矿资源的回收提供了思路[4-5]。通过重塑地下采矿空间环境，为矿体回收提供一个新的回采平台。例如：通过充填的方式使采空区实现应力平衡就是有效的采矿环境再造方法[6-8]。

江西某钨矿生产能力为60万t/a，竖井+盲斜井联合开拓，矿体平均倾角20°，矿脉厚度0.3～0.8 m。由于采用全面采矿法开采，导致地下采空区中遗留的点柱回收率只有50 %左右。因此，矿山亟需采用采矿环境再造技术对采空区进行治理，同时回收点柱资源。

1 工程背景

1.1 矿体赋存条件

该钨矿矿脉条数多，矿化面积较大，主矿脉规模也较大，工业矿脉平均延长342 m、最大800 m，平均延深240 m、最大540 m，平均脉厚0.24 m、最大1.05 m，矿体倾角10°～40°。

1.2 开采技术条件

矿区地处低山丘陵区，有地表水分布，矿体含水性较弱，矿坑涌水量不大，矿区水文地质条件属中等类型。矿区地层为寒武系中下统浅变质岩系，岩石致密、稳定性较好、强度高，无不良工程地质现象，工程地质条件简单。本区地震活动极少，基本烈度Ⅲ～Ⅳ级;矿区地表水和地下水属淡水，pH值6～7，属弱酸性—中性，水质良好，矿区地质环境简单。综上所述，该矿山开采技术条件属于中等。

1.3 矿柱形成情况

根据矿体赋存条件，该矿山矿体属于缓倾斜矿体，矿体围岩较坚固，矿石不结块、不自燃、无地热及放射性。矿山采用全面采矿法开采，根据矿山的采矿工艺，采空区内留有大量的不规则点柱，点柱规格为4 m×4 m，点柱间的跨度基本小于10 m，矿柱间暴露的采空区顶板面积小于100 m2，围岩较稳定。通过现场勘查，采空区内的矿柱基本未出现片帮、剪切破坏等现象，顶板也未出现冒落、沉降等现象，采空区的稳定性较好。

2 采矿环境再造矿柱回采

2.1 回采方案

首先将采空区划分为矿块，标记矿柱的位置，然后封闭采空区进行充填，改变矿柱的受力状态，实现采矿环境再造，待充填体养护满足要求后，按照矿柱的位置，从底柱位置开掘切割上山与上中段贯通后采用后退式回采。

2.2 回采工艺

1）采场结构参数。根据矿山开采现状和矿柱的赋存条件，将采空区划分为矿块，矿块长度50～80 m。

2）采矿环境再造。矿体为缓倾斜极薄矿体，为避免矿柱资源的浪费，根据采空区点柱的赋存情况，划分矿块，在底部结构及矿块边界位置施工充填挡墙，整体充填采空区，重塑采空区应力状态。

3）切割回采。待充填体完全固化，达到设计强度要求后，首先按照标记好的矿柱位置，从底柱方向掘进切割上山，切割上山布置在矿柱中心位置，切割上山规格2.0 m×1.8 m。从底柱位置先开挖充填体，遇到矿柱时，依旧按照切割上山的规格掘进，直到切割上山和上中段巷道贯通后，进行后退式回采，回采工艺见图1。

4）通风。采场充填作业前，先按划分的切割上山位置沿矿柱预埋1条通风管贯通顶底柱，形成贯通风流。

2.3 采场充填参数

充填体的稳定性是确保采矿顺利进行的关键因素，生产过程中对充填体进行取样，并测试其抗压强度，结果见表1。

2021年第10期/第42卷采矿工程采矿工程黄 金

从充填系统取样测试结果来看，水泥用量对充填体抗压强度起到了至关重要的作用，当水泥用量较大时，充填体具有较好的胶结性能，充填体抗压强度也更高。当灰砂比为1∶8，充填料浆浓度≥60 %时，龄期3 d抗压强度能达到1.00 MPa，龄期7 d抗压强度为1.00～1.69 MPa，龄期28 d抗压强度普遍大于2.00 MPa。灰砂比为1∶20，充填料浆浓度≥60 %时，龄期28 d抗压强度为0.30～0.50 MPa。结合采矿工艺，采场所需的充填体抗压强度为0.40 MPa。因此，可以优选的充填参数为：充填料浆浓度65 %～68 %，灰砂比1∶12～1∶20。

3 工业试验

试验采场的开采技术条件为矿体倾角约26°，矿体厚度约0.3 m，矿体的地质品位约2.0 %。

3.1 回采工艺

试验采场长约50 m，宽为矿块倾向长度（采场边界不规则，约40～45 m），首先将采场封闭进行充填作业，充填配比参数为：灰砂比1∶20，充填料浆浓度66 %～68 %;待充填体养护28 d后开始回采作业。首先按照标记好的矿柱位置，从底柱方向掘进切割上山，切割上山布置在矿柱中心位置，切割上山规格为2.0 m×1.8 m。从底柱位置先开挖充填体，遇到矿柱时，依旧按照切割上山的规格掘进，直到切割上山和上中段巷道贯通后采用后退式回采矿柱。采用YT28型气腿式凿岩机，刷帮爆破;充填体包裹的矿体，需要先以掏槽形式形成爆破补偿空间。采场工业试验回采见图2。

3.2 主要技術经济指标

工业试验证明，本文提出的采矿环境再造技术能够有效地实现采空区矿柱的安全高效回收。经计算，试验采场采出矿石量2 262 t，充填采矿直接成本总计约28.5万元，单个采场节约成本约94.6万元，主要技术经济指标见表2。

4 结 语

针对缓倾斜极薄矿体开采后采空区矿柱回收面临的作业安全风险大、传统采矿工艺无法应用的问题，通过对全面采矿法开采后遗留的采空区进行胶结充填，重构采矿环境空间，改变了采空区应力状态，避免了采矿作业人员在采空区内作业。通过工业试验验证，取得了良好的技术经济指标，实现了矿山点柱资源的安全高效回采。

[参 考 文 献]

[1] 侯国权，刘光生，樊川，等.缓倾斜极薄矿体全面法开采残留点柱回采方案及稳定性分析研究[J].中国矿业，2018，27（10）：117-121.

[2] 万林海.香炉山钨矿东部采区点柱回采方案探讨[J].矿业工程，2021，19（1）：20-23.

[3] 周科平，高峰，古德生.采矿环境再造与矿业发展新思路[J].中国矿业，2007，16（4）：34-36.

[4] 周科平，朱和玲，高峰.采矿环境再造地下人工结构稳定性综合方法研究与应用[J].岩石力学与工程学报，2012，31（7）：1 429-1 436.

[5] 周科平，陈庆发，胡建华.地下铝土矿采矿环境再造连续采矿理念[J].广西大学学报（自然科学版），2008，33（2）：168-172.

[6] 陈庆发，周科平.低标号充填体对采矿环境结构稳定性作用机制研究[J].岩土力学，2010，31（9）：2 811-2 816.

[7] 郭利杰，杨小聪.尾矿和废石综合利用技术[M].北京：化学工业出版社，2018.

[8] 樊川，杨小聪，郭利杰，等.充填体包裹下矿岩点柱强度力学性能研究[J].有色金属工程，2019，9（11）：85-93.

Technology to recover pillars remaining from gently inclined extremely

thin ore body extraction based on mining environment reengineering and its application

Hou Guoquan1，2，Yeerjiang Duolidaxi3，Guo Lijie1，2，Cui Song1，2，Chen Xin4

（1.BGRIMM Technology Group;

2.National Center for International Joint Research on Green Metal Mining;

3.Altay Regional Emergency Management Bureau;

4.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：A tungsten mine uses breast stoping method，leaving a large amount of pillar resources that are difficult to recover.In light of that，the paper proposed mining environment reengineering technology to recover point pillar.Based on the occurrence status of point pillar in goafs，the ore blocks are divided，retaining walls are constructed at the bottom structure and ore block boundary to fill the goaf as a whole and change the stress status of the goaf.When the curing period of the filling body is due，the filling body is first excavated from the bottom pillar position.If the ore pillar is encountered，the excavation still conforms to the standards of cut uphill until the cut uphill is through with the upper middle section roadway and the ore pillars yet to recover are recovered by wall brushing in retreat ways.The technology has achieved good effect of ore pillar recovery.

Keywords：mining environment reengineering;ore pillar recovery;goaf;filling body;resources recovery