某金矿充填体下顶底残柱开采技术实践*

邵 鹏

(国家开发银行青岛市分行)

为确保作业安全，矿山在开采过程中会留下一定数量的矿柱[1]。所留矿柱形式多样，按外形可分为圆形、方形、不规则形等，按连续性可分为间断和连续，按矿柱的作用可分为间柱、底柱、顶柱、保安矿柱等，按矿柱在矿块中的位置可分为充填体中、采空区中；按保留的时间可分为永久性矿柱和临时性矿柱。随着浅部资源的日益枯竭，为充分提高资源综合利用率，延长开采年限，实现资源的可持续开发，许多矿山除向地球深部获取资源外，还进行原采场残留资源的二次回收[2]。然而，残矿资源赋存条件复杂。尤其对于充填体下的残柱，由于充填体强度不一、成份复杂，且残柱产状极不规整，外加年代久远，原来井巷及矿山开采系统均受到不同程度的损毁，开采技术条件极为复杂[3-4]。矿体位于无人工假底的充填体下，开采过程中容易造成充填体的垮塌；部分采准工程需布置在充填体内，工程施工及支护要求高；残留矿体厚度不大且处于充填体环境下，难以实现低成本安全高效开采。因此，残矿开采方法与常规开采方法区别较大，如何安全高效回收残矿是矿山面临的难题[5]。

为此，在分析某金矿残柱赋存特征的基础上，结合矿山具体开采技术条件，提出充填体下顶底残柱开采技术，为类似工程条件下安全高效回采残矿资源提供经验和参考。

1 矿山基本情况

某金矿位于山东省莱州市，矿区处于胶东隆起区，沿控矿断裂形成大规模矿化蚀变带，蚀变岩型金矿体赋存其中，主要金属矿物为黄铁矿，矿体上盘为绢英化碎裂岩或绢英岩化花岗质碎裂岩，矿体下盘为黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩或黄铁绢英岩化碎裂岩。

该金矿在浅部采用点柱上向充填采矿法开采，采场沿矿体走向布置，长120 m，宽25 m，中段高50 m。随着上部矿体的回采结束，中段之间仍残留有很多的顶底矿柱，矿石品位较高，黄金储量可观。若采用常规方法则存在顶板充填体强度低、安全风险大等难题。

2 残柱赋存特征

矿区顶底残柱主要赋存于各中段充填体内。顶底残柱平均高3 m，矿石平均品位为7 g/t以上。采场中采用未经特殊处理的水泥尾砂胶结充填，其直接顶板为普通尾砂充填体，尾砂充填体几乎不存在强度，在矿柱开采中需要进行支护，以保持其稳定。

3 残柱开采技术

3.1 开采方法选择

残矿回采方法选择应遵循的一般原则：①确保工人施工安全；②尽量利用原有通风、运输及充填系统，以减少成本；③尽量减少采切工程量；④正确推断矿体走向及大体形态，必要时通过中深孔探矿；⑤注意探水和防水结合，防止突水事故。

该金矿除遵循一般原则外，还应考虑顶底残柱的产状特点、工程地质条件及装备水平等，如顶底柱周围均为松散的充填体，强度低，黏结性小；采场直接顶板稳固性差，结构松散，易风化冒落。因此，选择合适的回采方案时不仅要考虑顶板暴露面积和时间，同时要确保凿岩、爆破、出矿等工序均在已支护的巷道内安全作业。

根据残矿开采方法选择原则，结合该金矿顶底残柱开采技术条件，采用U型钢支架小进路充填采矿法进行开采，见图1。

图1 U型钢支架支护小进路充填采矿法

3.2 采场结构参数

根据顶底残柱水平厚度及矿房布置原则，矿块沿走向长100 m，厚20～30 m，高3 m。进路垂直走向布置，断面为2 m×2 m(宽×高)，为微拱形。

3.3 采切工程

矿块分2个盘区开采，自矿体下盘的分段运输平巷单元中心线下坡掘进联络巷道到达矿体，然后在脉内沿矿体走向掘进平巷到达盘区两端，自两端向中央逐条回采，并利用这一分段原有的运输系统出矿。进路掘进前，先向下开挖0.5 m高的尾砂,并采用挡板护帮，然后再凿岩爆破掘进，工作面采用局扇通风。

3.4 回采工艺

由矿体下盘向上盘采用进路式回采。采用7655型气腿式凿岩机凿岩(表1)，浅孔爆破，局扇通风。采场采用U型钢支架支护，在顶板不稳固地段适当加密U型钢支架。由于作业面狭小，采用人工手推车出矿。待矿体回采完毕后进行充填。

表1 7655型气腿式凿岩机参数

爆破参数计算如下：

(1)炮孔直径一般由凿岩设备确定，由表1可知，7655型气腿式凿岩机炮孔直径为34～42 mm，根据类似矿山，炮孔直径选取40 mm。

(2)最小抵抗线计算公式为

W=(25～30)d，

(1)

式中，d为孔径，mm。

计算得出W=1～1.2 m，取1 m。

(3)孔间距计算公式为

a=(1～1.5)W.

(2)

计算得出a=1～1.5 m,取1.2 m。

(4)排距根据经验一般取为0.8～1 m，取1 m。

(5)炮孔深度与矿体围岩性质及赋存状态有关，浅孔爆破孔深一般为1.5～4 m，取2.5 m。

(6)根据矿山炸药的使用情况，选择2#岩石炸药。单位炸药消耗量根据国内浅孔爆破炸药单耗量表(表2)选择。由于矿石坚固系数为6～8，选取炸药单耗为0.8 kg/m3。

表2 浅孔落矿炸药单位消耗量 kg/m3

3.5 采场支护

由于采场顶底残柱位于松散充填体中，采空区稳定性较差。因此，为保证采场作业安全，需在采场加强支护。采用U型钢支架支护，钢支架间距为1 m，U型钢支架上架设圆木，在进路两帮采用0.6 m 高的挡板护帮。为防止顶部充填体渗入回采工作面，并有利于安全作业，在回采进路的上边保留1～1.5 m护顶矿柱，其布置方式见图2。现场支护情况见图3。

图2 进路支护布置方式

图3 现场钢支架支护

3.6 充 填

进路回采完后，采用充填料处理采空区。架设充填管路,砌筑充填挡墙,安设泄水管，由矿山地表充填站制备的充填料浆进行充填。充填体灰砂比为1∶6，胶结材料为425#水泥，充填骨料为选矿厂产出的分级尾砂，料浆浓度为72%，流量为80 m3/h，流速为1.8～2 m/s。经过脱水养护后，即可进行相邻进路的回采作业。

3.7 工作组织

根据各工序作业效率，采场凿岩爆破时间为4 d，出矿支护时间为4 d，充填前准备时间为1 d，充填时间为3 d，充填后养护时间为7 d，故采矿循环周期为15 d。采场各工序具体循环周期见图4。

图4 采场各工序循环周期

4 技术经济指标

采用U型钢支架小进路充填采矿方法进行工业试验，取得较好的应用效果。具体技术经济指标见表3。

表3 技术经济指标

5 结 语

根据矿山充填体下顶底残柱开采技术特点，提出一种U型钢支架小进路充填采矿法，具有矿石回收率高、成本低、安全可靠等优点。由于矿体开采直接顶板为充填体，两帮为充填体或矿体，小进路充填采矿法能有效控制地压，同时采用U型钢支架及圆木联合支护，能有效保证充填体下顶底残柱开采顶板及两帮的稳定。U型钢支架小进路充填采矿法能成功实现充填体下顶底残柱的高效、安全、低成本开采，值得推广应用。