特大空区矿柱群分区协同开采技术研究与应用

2015-02-23林卫星周爱民宋嘉栋欧任泽柳小胜

采矿技术 2015年2期

林卫星，周爱民，宋嘉栋，欧任泽，柳小胜

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012;2.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙 410012;)

0 前言

我国金属矿山由于受当时的矿业开发政策和开采技术的影响，遗留了大量的采空区，受采空区影响的金属矿产资源量巨大，占到矿山资源总量的30%～35%。

矿柱成群存在，地下空区形态错综复杂，内部情况不明，且多层重叠、相互关联，形成了一种复杂的三维网状结构。传统工艺回采这类矿体，将空区处理与矿柱回采按两道相对独立的工序实施，第一步处理空区，第二步回采矿柱。常规的矿柱回采工艺均为小规模作业，需要进行多次爆破作业才能完成矿柱回采。由于受一次开采和二次应力集中的影响，导致遗留矿体破碎不稳定，容易垮塌。在处理空区和多次回采作业过程中使矿柱稳定性进一步变差，因而矿柱回采过程中频繁地发生塌陷事故，危及人员与设备安全;并且回采工艺复杂、成本高、开采效率低、规模小。如柿竹园多金属矿与三道庄钼矿的地下采空区达360万m3和1800万m3，受空区影响的矿石量达2935万t和6200万t。自本世纪初分别采用地下方式和露天方式开采矿柱资源以来，一直受到安全隐患困扰，生产过程中频繁发生事故，至2006年分别发生了11次和38次重大空区塌陷事故，造成数人伤亡和设备损失，导致矿山生产效率低下，生产能力不到设计规模50%，使矿山陷入无矿可采和不能维持正常生产的局面。因此，受空区影响的矿体，其回采的安全条件极差、隐患相当大，使这类矿体成为极度难采资源，部分矿体难以开采成为呆滞资源，使我国可开采的金属矿产资源保有量大打折扣，经济价值超过2000亿元。

因此，如何有效提高资源回收率，消除空区安全隐患，降低我国矿山生产事故率，实现复杂空区处理与高危空区条件下矿柱资源的安全高效开采是需要解决的重大技术问题。针对我国大量空区环境下矿柱资源开采条件极差、安全隐患大和开采效率低等技术瓶颈，长沙矿山研究院有限责任公司基于协同理论，开发了特大空区矿柱群立体分区协同开采技术，该技术针对空区环境下的矿柱群，根据矿柱稳定性及其工艺实施条件的相关性进行协同分区，对分区内不同状态的多个矿柱进行协同回采，对矿柱回采和空区处理实行协同作业，使分区内多个矿柱的回采与多个空区的处理通过一次爆破作业完成，实现大规模强化开采和高效率作业。协同强化开采有效消除了空区处理、拉槽与回采作业过程中的安全隐患，具有安全、高效、大产能、低成本和充分回收矿柱资源的优势，从根本上解决了高危矿柱的回采技术难题。

1 主要技术突破

(1)一道工序同步完成空区处理与矿柱回采的协同开采理论。协同开采理论以协同效应和协作同步为基础，根据地下采空区及其矿柱的结构力学体系模型划分采区，采区内按爆破阻力大小来匹配炸药量并布置不同孔径的混合深孔，通过立体分区深孔控制爆破技术系统，将多层地下空区处理与多层矿柱回采集中在一个步骤安全、高效、协同完成，有效消除安全隐患，保证作业安全。

(2)协同开采立体分区模型。应用数学集合、灰关联理论和岩体结构力学，建立空区群与矿柱数值模型，以实现空区处理与矿柱回采协作同步为目标，采用优势因素和低关联度为界面划分空区群与矿柱群的结构力学体系，将特大型空区群与矿柱群划分为独立的采区，为互相联系互相制约的空区群与矿柱群的分区协同回采提供理论依据。

(3)混合孔径差别抵抗线深孔控制开采技术。在回采单元内，根据采空区顶板厚度情况、爆破自由面的形态特征及炮孔抵抗线的大小来匹配爆破能量，布置不同孔径的混合深孔，在爆破分区内采用最小爆破阻量比逐孔起爆，达到所需爆破能量和应供爆破能量的平衡，解决了不规则自由面、形状复杂、安全条件差的空区处理与矿柱回采的技术难题。

(4)等比错位立体分区控制回采技术。根据确定好的一次性回采区，按爆破矿体体积及所需补偿空间的比例，以及爆破自由面与毫秒微差雷管排列顺序的关系，再将回采区分解成补偿空间和爆破自由面相对独立的各爆区，各爆区呈三维立体错位布置，爆破体积与补偿空间相匹配，解决了进行单个矿柱回采与空区处理破坏空区群和矿柱群构成的结构力学体系而产生“多米勒”效应地压灾害问题。

(5)深孔协同开采控制爆破技术系统。采用控制爆破数字优化技术、深孔强拉槽爆破技术、深孔聚能爆破技术、多临空面自拉槽挤压大量崩矿技术、多向组合双线同径微差起爆技术、大面积逐孔控制爆破技术，解决了地下空区群与矿柱群形态复杂，爆破抵抗线差别大;地下临空面多，不能实施挤压爆破;一次处理多层空区，炮孔深度大，无足够侧向爆破自由;爆破规模大，爆区面积大，炮孔数量多的条件下，空区处理与矿柱回采爆破效果差的技术难题，实现深孔处理地下采空区的同时回采矿柱。

2 技术成果与工程转化

(1)河南栾川三道庄受到多层高危地下空区的影响，露天开采期间，地下空区曾出现多次垮塌，造成人员伤亡设备损失等事故，被众多知名专家一致认为是一座需要报废矿山。2008年开始，采在矿山进行立体分区协同开采技术成果转化，共处理空区264次，体积1065万m3，回收矿柱资源2000多万t，矿柱资源回采率达到95%以上，一次处理空区层数达5层，一次爆破最大孔深55 m，竖向一次拉槽30 m，矿山采矿规模由 5000 t/d提高到 30000 t/d。2009年中国有色金属工业协会组织专家鉴定评价认为:整体技术达到国际先进水平，其中深孔强拉槽爆破技术、深孔切割崩落技术达国际领先水平，项目荣获2010年湖南省科技进步一等奖。

(2)湖南柿竹园多金属矿地下开采时留下占矿段约60%的矿柱和360多万m3的采空区，使得矿山面临有矿不能采，无法继续生产经营的状况。2004年开始进行科技攻关，并于2006年以“特大空区环境下安全开采技术研究”为专题，列入“十一五”国家科技支撑计划课题(2006BAB02B05)。应用协同开采技术成果，2006年开始先后实施了总装药量为 308.8，506，821.3 t等大规模立体分区深孔控制回采爆破7次，爆破规模创世界纪录。至2012年底崩落矿石581.5万t，处理空区153.95万 m3，出矿规模由66万t/a扩大至150万t/a，实际崩矿能力可达300万t/a。2009年中国有色金属工业协会组织专家鉴定评价认为:该项目成功实施了当前国内外规模最大的地下中深孔爆破，整体技术达到国际先进水平。项目荣获2010年中国有色金属工业协会科技进步一等奖，获2011年湖南省科技进步二等奖，获2012年国家安全生产科技进步三等奖。

(3)河南南泥湖钼钨矿在露天开采境界内存在大量空区，面积40.6万 m2，体积426万 m3。2009年协同开采技术成果开始在南泥湖矿应用，成功处理空区体积346.5万 m3，回收矿柱资源236万 t。2011年河南省科技厅组织专家鉴定评价认为:露天强化开采与空区探测及其处理同步进行技术具有创新性，整体技术达到国际先进水平，项目荣获2013年中国有色金属工业协会科技进步一等奖。

3 对行业技术进步与产业发展的作用

(1)我国矿山采空区规模巨大，据调查统计采空区总体积已达43217.26万m3，并以每年2000～3000万m3的速度递增，采空区已成为矿山企业重要危险源之一，特大空区矿柱群分区协同开采技术可以有效消除空区安全隐患，保证作业安全，为企业安全持续稳定生产提供技术保障。

(2)国内的同类型矿产资源数量巨大，长期处于呆滞状态，一部分甚至处于报废状态，特大空区矿柱群立体分区协同开采技术成果的推广应用可以激活这些资源，有效地扩大了我国的可采金属矿产资源储量。

(3)特大空区矿柱群分区协同开采技术解决了我国大量空区环境下矿柱资源开采条件差、安全隐患大、开采效率低和成本高的重大技术瓶颈，消除矿山重大安全隐患，为我国巨量矿柱资源的高效开采提供了技术支撑。目前已建立了湖南柿竹园多金属矿、河南三道庄钼矿两座特大空区矿柱群立体分区协同开采示范矿山，同时南泥湖钼矿、大宝山铁矿、东沟钼矿等10多座大型矿山正在进行技术推广应用，技术成果进一步的推广应用将显著促进我国采矿技术的进步，有效提升采矿行业的整体技术水平。

4 结论

(1)特大空区矿柱群分区协同开采技术针对空区环境下的矿柱群，根据矿柱稳定性及其工艺实施条件的相关性进行协同分区，再将分区划分为爆区，按照作业安全、可靠和相互挤压原则，结合分区内空区和矿柱的状态条件，采用空间位置非线性(非连续)方法，合理调控爆区的凿岩工艺、爆破参数、起爆顺序和爆破方向，在一次回采工序中对爆区的拉槽与回采工序实施协同爆破，对分区内不同状态的多个矿柱进行协同回采，对矿柱回采和空区处理实行协同作业，使分区内多个矿柱的回采与多个空区的处理通过一次爆破作业完成，实现大规模强化开采和高效率作业。分区协同开采有效消除了空区处理、拉槽与回采作业过程中的安全隐患，具有安全、高效、大产能、低成本和充分回收矿柱资源的优势，从根本上解决了高危矿柱群的回采技术难题。

(2)技术成果已在柿竹园多金属矿、三道庄钼矿、龙宇南泥湖钼矿、获铬奇铜矿、丰山铜矿、东坪金矿、香炉山钨矿等十多座金属矿山推广应用，解决了矿柱群安全高效开采的技术难题;同时以柿竹园多金属矿为依托，建成了安全、高效井下开采高危矿柱群资源的示范矿山，成为世界上最大的钨、铋生产基地;以洛钼集团三道庄露天矿为依托，建成了安全、高效露天开采高危矿柱群资源的示范矿山，2012年河南栾川钼矿区被国土资源部列为我国首批空区处理与残矿回收示范基地及绿色矿山示范基地，目前成为亚洲最大的钼矿生产基地。

(3)矿柱群立体分区协同开采过程中，需要有采空区精确空间形态作为基础数据，同时还需要掌握矿柱群稳定性的变化情况，对可能发生的空区顶板岩体垮塌事件进行预测预报，以避免空区失稳灾害事故的发生，保障作业的安全。为此，复杂空区高精度探测与安全监测预警技术及其装备，尤其是装备和软件的国产化为下一步研究的重点。

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