复杂空区群条件下矿柱安全回收技术研究

刘 也

（锡林郭勒盟山金阿尔哈达矿业有限公司，内蒙古 锡林郭勒 026323）

金属矿山的分布比较松散，矿山内矿体的分布不够集中，开采时的设备分布和开采地点均具备较低的集约化水平，很多金属矿山的开采技术落后，每个开采的步骤都有可能面临开采时存在的安全隐患。为了开采方便，前期施工会留下很多采空区、矿柱、矿体资源。采空区之间会有会不少矿物资源的残矿[1]。如果能够对于这些残矿资源加以回收，会带来很大的利润，但是人们意识到，残矿资源的开采过程会很复杂，很多采矿设备没有用武之地，残矿开采也有一定的危险性，需要仔细研究开采可行性和实际回收技术等，再实现安全生产。

1 空区群残矿现状及回收前提

（1）某金属矿开采现状。金属矿的开采具有一定的难度，早期的金属矿有很多采用的是无底柱开采法，使用浅孔留矿，将整个金属矿开采区划分为不同的层级。一般分层采用自上而下的方法，比如5个中段分层等。这种金属矿的采空区设计比较复杂，开采时的难度不小，而且分步骤的工期很有可能会延长开采总周期，对于中段主矿体开采带来了难度。对于矿区开采的不同段加以控制，会发现主矿体的开采同时，还会留下大量矿柱，这些矿柱的保留主要参考实际位置和安全性需要，但是有时候会有大量高品位的矿柱和矿床遗留在开采区的采空区[2]。当采矿区的第一轮开采结束，就需要考虑矿柱的矿体回收，某金属矿的三段中段遗留矿柱总量高达139万t，采空区面积大约为50万平方米。更重要的是，由于地下采空区的存在，对于地表建筑移动和地基稳定程度等也会有不同程度的影响，从而使关键建筑物面临裂缝甚至移位等后续问题。

（2）残矿回收的前提条件。金属矿的采空区群存在复杂性，其稳定性受到很多因素的影响，开采工作人员必须要理解并考虑空区处理和矿柱回收中的综合分析结果。每个采空区群都有特定的赋存状态、稳固状态等，只有符合矿柱开采技术条件的采空区群，才能够满足矿区后期生产的需要，并且在回收矿柱资源的时候，理解支护结构的变化规律，预测地表结构的变化情况。采空区群工作人员需要结合矿区后期生产的结果，分析采空区的矿柱的回收可能，制定相对权威的回收预判模拟模型。从而能够使得整个回收矿柱的过程更加具有高效性，全程回收工作内容需要结合矿山现状和当地地质条件的变化进行，使其具备可行性和高回收性。

2 空区群残矿回收的技术指标

（1）矿床的整体特征。残矿回收矿区的整体特征是研究回收过程的基础，某金属矿区北部地区矿带21号、25号矿体是整个研究的重点区域，矿体的控制长度为500m左右，延伸深度可达300m，矿体厚度能够达到15m～55m，平均厚度为约22m。矿区的整体厚度为中等水平，但是由于金属矿内的铁元素、锌元素伴生，并有锰元素等资源，使得开采的难度加大。通过事先勘探，该金属矿区的残矿资源品位水平较高，锌品位为大约8.5%，TFe的平均品位为35%。金属残矿的矿体性状呈现出中部开采区域最厚实的特点，两头的资源分布则呈现出比较稀薄的分布特点，分支逐渐稀薄，并且能够在倾向151°角度和倾角倾斜达到90°左右的时候，实现矿体埋藏量的富集。经过勘探和数据模拟，可以基本判断该金属矿的矿体埋藏标高约为889m～750m左右，这种定位可以给矿工开采残矿给予较为精准的参考，并且能够为开采工作提供主体工作范围。

（2）矿区采空区群的地表特征。对于金属矿区来说，残矿矿柱区域的地表稳固性相对较差，由于开采工作深入腹地，给整个金属矿的主要开采区带来了很多空腔，所以对于开采回收人员来说是一个挑战，如果既定的开采区域刚好是回收残矿的区域，那么开采区的地表建筑可能会面临地基不稳的问题。地下采矿和采空区的处理方法依托于矿区地表本身的开采现状，如果采空区群面积非常大，那么对于地表建筑的影响也会很大，关键时刻甚至需要拆除部分地表建筑。开采人员常常会针对踩空区的影响范围和程度实现实时监测，布置监测系统并实现24小时监控，监测地质状况，并分析矿区舷窗勘查数据。经过勘探，金属矿山的残矿数据可以被总结为不同矿段的分矿段数据，整个矿段分为6个生产中段，中段高度约为45m，矿柱的宽度达到约15m～25m，矿房宽度和矿柱一样[3]。勘察者观察矿段的不同特点，发现金属矿采场底部有残留的碎石、土块等，落脚困难，机器设备的放置位置不够灵活，残矿柱的形态也没有定势，样式比较复杂，大小不一、有的采空区整体面积不大，给开采者带来了更大的难度。反馈到地表之上，则需要进行地表建筑物群的搬迁，以保证矿柱回收后的地表稳定性不会对于地面建筑有影响。针对金属矿采空区群的废石处理，要求回采人员考虑矿柱宽度，考虑残留矿柱的成分，氧化带和其他地层的成分不同，采空区的暴露面积也会因为自然气候的变化有一定的变化，对于二、三中段采空区面积和体积的测算提示较大，暴露面积最大可达近1000m2，对于总体暴露面积的计算，预计可以达到18121m2，体积也提升至48653m3左右，据勘探数据进行采空区矿柱群及整体结构的模型模拟，可以得到面积统计的实际图形，并且实现动态的数据测算结果。具体如图所示。

图1 采空区实体模型

根据上图可以得知，金属矿矿区的地表平缓，矿区内的建筑已经都拆迁完成，对于矿柱采空区的影响不大，实现探矿井周边的分步骤开采，能够应对采空区开采需求，并且利用采空区上方的稳定地形实现矿区精粉的快速运输，建构运输主通道路径，提升回收开采的整体效率。

3 空区群残矿回收的技术方案

通过确定金属矿矿区的采空区空腔形态，回收工序应当采取更容易抑制采空区跨落的方式，一方面达到对于地表设施的保护，使得探矿井和竖井等能够稳固，并且利用支护手段，结合模拟探测手段，大程度地回收残矿资源。在对于矿山的实际情况进行勘探和处理后，利用采空区的处理技术条件，使用支护和充填相结合的方式，能够为采空区提供更好的回收开采条件。回收人员通过计算矿区内残留的矿柱距离和大致提及，确定采场的中间矿柱和顶矿柱，从而计算矿石总量。为了能够使得残矿资源的总量中80%的余量不被浪费，首先了解矿体资源留存宽度，实际勘测结果显示宽度为平均15m左右。

综合矿区实际采空区现状，制定回采处理方案，利用矿区内矿柱回收，对于不同的矿柱采用类似方案，同时为了保证回收矿柱的可行性，对于差异教大的矿柱要实行分层开采的方式[4]。对于前部区域的矿柱可以采用中深孔凿岩空场嗣后充填法，这种回采方案中结合了矿区原本的建筑物支撑，采用尾砂进行填充，保证地表建筑和地下环境的稳定性，然后采用上、下向中深度孔隙渐进的方式，使用空场嗣后充填法充填，回收区域更加稳固，回采工作也能够顺利进行。而对于金属矿区的后半部空区则要考虑充填空间太大，该部分采空区空腔比较肥大，考虑使用爆破补偿空间的方式，建立可回采区域的整体崩落嗣后充填法，该回采方案杜绝了地表塌陷的危险，而且能够利用探矿井下的关键位置进行踩空区的充填，矿区中整个中部采空区都可以采用这种充填方式，所有的深孔爆破补偿空间均具备相同的条件，区域性的整体崩落嗣后充填具有回采向柱的特性，可以在不发生较大位移的前提下进行实地回采工作。如下图所示。

图2 阶段空场嗣后充填法

采空区充填和矿柱回收应顺应采空区方向，采用由西向东或者由下至上的方式，充填过程应该避免充填逆向导致坍塌的情况。

4 结论

综上所述，对于矿区地表情况的勘查，结合地下采空区与的模拟空间指数，可以判断使用尾砂充填法和爆破充填法的可行性，对于空场嗣后充填法的使用，可以使得金属矿回收矿柱的总体技术方案更加具有可行性。考虑各个开采阶段的地表监测，实现分析比较和数据测算，对于不同的围岩硬度和覆岩厚度加以测量，最终能够减少矿柱回收中的沉降值。结合关键部位预留原岩矿柱的方法，保证地表和采空区的稳定性，为回收矿柱和运输精粉找到安全的生产环境。