顶底板均不稳固的古采区残矿回收实践研究

张海磊，焦满岱，陈小平，郭生茂，刘吉祥，周健强

(1.西北矿冶研究院，甘肃 白银 730900；2.甘肃省深井高效开采与灾变控制工程实验室，甘肃 白银 730900；3.兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730099)

矿业是人类除农业外最早从事的生产活动，我国有大量先民们从事矿业生产活动而遗留的踪迹和实物。如湖北铜录山铜矿等很多具有几百年甚至几千年历史的古矿资源，时至今日仍在大规模开采中，正如我国现代地质学先驱章鸿钊先生在《古矿录·序》一文中所指：“虽古之法固异乎今之法，而今之矿实犹是古之矿也……，其中今人所未知，而古人先知之得之，仍有待于后人之竟其功者，正复何限。又安知古人所留遗以待后人者，非即为今日起跛振蹶之大用乎？”[1-2]。

受限于古代技术水平，古人采矿通常具有采富弃贫、采厚弃薄、采易弃难等特点，导致矿体完整性被破坏、采空区赋存特征复杂多变。古采区安全问题是目前开采古矿资源面临的难题之一，各地矿山在实践中总结了很多解决的方法和思路，如云南省昭通市毛坪铅锌矿[3-5]采用混凝土假底干式充填法和钢绳柔性假底干式充填法，分别治理了厚大矿体采空区和小矿体采空区，并采用分条进路自然崩落法回采古采区厚大伏槽矿；湖南省新邵县龙山金锑矿[6-12]在分析清末老窿残矿赋存特征后，提出了多种防治水方案，采用脉外平巷加穿脉群自然崩落采矿法实现了老窿残矿的安全高效开采，并特别优化了浮选工艺，实现了资源综合回收；陕西省柞水县银矿[13-15]通过将泥化塌落废石自然沉降固结充填古采空区后，用上向分层干式充填法回采古采区的上盘矿体；山东省招远市大河金矿[16]采用先胶结充填法回采残留矿柱，后尾砂充填法回采下盘贫矿体的间隔防震工艺，实现了古采区残留矿柱及下盘贫矿体的安全开采。由此可见，各种形式的充填法是回收古采区残矿时的首选，其次为崩落法，能够有效治理采空区的安全隐患。

小秦岭地区是我国金、银等贵金属产地之一，矿产资源开发利用历史可追溯至仰韶文化时期。区域内商洛市银硐子银多金属矿在生产探矿过程中遇到大量明清古采区，该矿为国内典型的顶底板均不稳固的低品位倾斜中厚矿体，古采区的影响使得开采技术条件更为复杂。在此背景下，开展顶底板均不稳固的古采区剩余矿体回收工作十分重要。

1 矿山生产概况

银硐子银多金属矿位于南秦岭地槽华力西褶皱带内，近东西走向单斜构造，属层控类沉积变质型多金属矿床，矿体赋存于中泥盆统大西沟统的千枚岩中，呈似层状产出，倾角为35°～40°，厚度为1.12～16.38 m，为倾斜中厚矿体；矿体上盘围岩为绢云母化千枚岩，下盘为炭化千枚岩，片理节理发育，均为不稳固岩体[17-18]。

矿山设计采矿方法为预切顶分段分条沿走向连续推进采矿法开采，该方法将矿块沿走向布置，阶段内沿倾向划分3个分段，分段内沿走向划分5个分条，以分条为独立回采单元，沿走向后退式连续回采[19-20]。该方法将切顶、护顶、放顶工作完美结合，在顶底板均不稳固的倾斜中厚矿体开采方面具有巨大的优越性，但工序复杂、采切工程量大，因此实际生产中仅在矿体厚大且品位较高区域使用，其他薄矿体、低品位矿体及深部矿体主要采用各种形式的分层干式充填采矿法开采[17-18]。矿山1 210 m中段、1 170 m中段生产探矿期间，在62线～72线间连续10多条探矿穿脉均遇到古采区。为保证矿山经济效益和下部中段安全开采，需尽快回收古采区剩余矿体，消除空区隐患。

2 古采区开采技术条件

矿区具有悠久的金银等贵金属开发历史，据《陕西通志》记载：“明天启元年，朝廷召商官采，时拥采掘工千三百余人，年产优银万余两……，掘矿洞八，五里以上者三……”，至今仍可在矿区地表见到大量明清采矿遗迹。

从生产探矿结果可知，古采区分布于62线～72线间13号主矿体中部品位最高处，走向长275 m；由地表延伸至1 190 m水平，垂高90 m；倾角与矿体倾向一致，斜长62～119 m，高1.5～3.0 m，并有多层重叠现象。推测古人采用脉内斜坡道开拓方式和留不规则矿柱的全面采矿方法，即从矿体品位最高部位地表露头处沿矿体倾向掘进一条倾角约30°，断面规格约1.8 m×1.8 m的方形脉内斜坡道，以脉内斜坡道为开拓运输、人行通风和爆破自由面，人工铁钎凿岩、黑火药落矿方式沿走向全面推进，视品位高低控制采高1.5～4.5 m，留不规则矿柱支护采空区，局部采用木支护加固。但由于年代久远，支护方式早已失效，采空区内已被坍塌矿石堆满。 古采区位于矿体中部，上盘剩余矿体厚4～7 m，下盘剩余矿体厚6～8 m，下盘矿体品位略高于上盘矿体；残矿资源量约86.16万t，平均品位为银172 g/t、铜0.62%。古采区结构具体详见图1。

图1 古采区结构示意图Fig.1 Schematic diagram of ancient mining area

3 古采区剩余矿体回收总体方案

根据采矿技术条件，结合矿山现有技术能力，确定古采区剩余矿体回收总体回采方案为下盘矿体与上盘矿体分采合出连续采矿法，分两步回采古采区剩余矿体。首先，在下盘拉底平巷内向古采区下盘剩余矿体钻凿扇形中深孔，采用抛掷爆破方式将古采区下盘剩余矿体崩入古采区内；其次，在上盘凿岩硐室向古采区上盘剩余矿体内钻凿扇形中深孔，崩落上盘剩余矿体和一部分上盘围岩覆盖在下盘崩落矿石上；再次，采用截止品位出矿方式，将崩落上盘围岩废石永久留在采空区内；最后，采用沿走向后退式连续回采方式，下盘矿体回采工作超前于上盘矿体10～20 m。

该方案充分利用矿山正常开采时预切顶分段分条沿走向连续推进采矿法的采准切割系统，大大减少了采切工程量，也避免了残矿回收与正常开采工作之间的互相干扰；残矿回收各项工作均在巷道或硐室中进行，人员无需进入采空区，安全性好；古采区上盘剩余矿体、下盘剩余矿体均可沿走向连续回采，生产效率高。

4 关键工艺与具体实施效果

下盘矿体与上盘矿体分采合出连续采矿法的核心工艺技术有采准切割工程、下盘矿体回采、上盘矿体回采与放顶等。

4.1 采准切割工程

下盘矿体与上盘矿体分采合出连续采矿法矿块沿走向布置，长50 m，矿块高40 m，划分为3个分段。主要采准切割工程布置如图2所示。

图2 下盘矿体与上盘矿体分采合出连续采矿法采切工程Fig.2 Diagram of stope preparation and cutting engineering

要求古采区剩余矿体回收工作充分利用矿山正常开采时预切顶分段分条沿走向连续推进采矿法的开拓系统，将原凿岩上山改造成下盘斜溜井并在下盘斜溜井铺设钢板。在各分段矿体下盘矿体围岩界限处掘进沿走向的凿岩拉底平巷，并于原各分段电耙道联通；在矿岩上盘围岩中掘进沿走向的上盘残矿回采巷道，沿上盘残矿回采巷道每隔10 m通过联络道向矿体上盘矿体围岩界限处掘进上盘凿岩硐室，上盘凿岩硐室距离古采区须大于5 m。由凿岩拉底平巷向下盘剩余矿体中每隔10 m掘进切割井，扇形中深孔拉槽形成5 m宽切割槽，拉槽炮孔参数为最小抵抗线W=1.2 m，孔底距a=2.2 m，孔径φ=60 mm。

4.2 下盘矿体回采

分段切割槽形成后，可开展本分段下盘剩余矿体回采工作。下盘矿体回采炮孔布置详见图3。在分段凿岩拉底平巷内向本分段下盘剩余矿体钻凿上向扇形中深孔，以切割槽为自由面，采用抛掷爆破方式将下盘剩余矿体崩入古采区内。采用正交试验对下盘矿体回采炮孔参数进行了优选，得到结果为最小抵抗线W=1.2 m，孔底距a=1.8～2.2 m，孔径φ=60 mm。为提高爆破质量和出矿效率并减少矿石损失，要求炮孔排面倾角为90°，边孔倾角不小于45°，各排边孔应大致保持在一个平面上,炮孔不能穿透古采区底板。采用孔口正向起爆方式，多排同段微差爆破，同段最大药量控制在200 kg以内。

图3 古采区下盘剩余矿体回采炮孔示意图Fig.3 Diagram of blast hole in the floor ore body

4.3 上盘矿体回采与放顶

上盘矿体回采工作可与下盘矿体回采工作同时进行，但上盘矿体回采工作须滞后于下盘矿体10～20 m。在上盘凿岩硐室向古采区上盘剩余矿体内钻凿上盘矿体回采扇形中深孔，向上盘围岩钻凿放顶扇形中深孔，上盘矿体回采炮孔孔底距a=1.5 m，放顶炮孔孔底距a=2.5～3.0 m。仍然采用孔口正向起爆方式，多排同段微差爆破，崩落上盘剩余矿体和一部分上盘围岩覆盖在下盘崩落矿石上。上盘矿体回采与放顶炮孔布置详见图4。

图4 古采区上盘剩余矿体回采与放顶炮孔示意图Fig.4 Diagram of blast hole in the roof ore body

放顶结束后进行大量出矿，采空区内从下到上依次为古采区坍塌矿石、下盘拉槽崩落矿体、下盘回采崩落矿体、上盘回采崩落矿体和废石覆盖层，采用截止品位放矿方式将矿石由电耙道经斜溜井放出，崩落上盘围岩废石永久留在采空区内。由于矿石块度较大，电耙道内需设置二次破碎装置，在斜溜井底部安装振动放矿机。

4.4 试验采场具体实施情况

选择1 170 m中段69线～71线采场作为试验采场，古采区位于该采场矿体中部，由地表延伸至1 190 m水平。试验采场1 190 m水平以上共探明有古采区内坍塌矿石5 946 t、古采区上下盘剩余矿体17 295 t，设计采用下盘矿体与上盘矿体分采合出连续采矿法回采古采区剩余矿体，划分1 190 m、1 200 m两个分段，分段高度10 m；1 170～1 175 m水平矿体留为底柱，1 175 m分段矿体采用预切顶分段分条沿走向连续推进采矿法正常回采，分段高度15 m，矿石量14 121 t。试验期间，1 170 m中段69线～71线采场实际采出正常矿石12 045 t，矿石回收率85.3%；采出古采区上下盘剩余矿体13 352 t，矿石回收率77.2%；采出古采区内坍塌矿石5 946 t，矿石回收率100%。上盘矿体与上盘矿体分采合出连续采矿法在试验期间创造经济价值181万元，应用效果极好，可推广到1 170 m中段61线～69线等其他4个相似采场。

5 结 论

1) 由于古人采矿具有“采深较浅”“采富弃贫”“采大弃小”的特点，古采区问题多出现在矿山生产前期首采主矿体内，这一时期的矿山人力、财力、物力资源最为困难，此时，回收古采区剩余矿体资源并处理采空区对保证矿山经济效益和安全开采具有重要现实意义。上盘矿体与上盘矿体分采合出连续采矿法采用先回采下盘剩余矿体、后回采上盘剩余矿体并放顶处理采空区的回采方式实现了古采区剩余矿体的安全、高效、连续回收，且具有采切量小、工艺简单的优点，具有一定的推广价值。

2) 国内有学者已应用三维激光自动扫描技术对采空区进行精密探测，建立三维可视化模型指导采空区残矿回采方案设计，并评价残矿回采工作的安全性[21]。由于技术力量薄弱，加之古采区规模不大，本文仅凭人工经验开展古采区探测、残采方案制定与安全评价等工作，是本文的不足。

3) 矿体实际赋存条件往往有品位不均、厚薄不匀、大小不一及开采条件难易不同等许多复杂特点，开采过程中要充分贯彻“贫富兼采、厚薄兼采、大小兼采、难易兼采”的原则[22]，避免造成矿产资源浪费，并做好采空区处理工作，毋使后人复哀今人。