万林海,罗 佳

(1．江西省修水香炉山钨业有限责任公司, 江西 九江市 332400;2．长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南 长沙 410012)

0 引 言

香炉山钨业有限责任公司为我国大型白钨企业,钨矿床具有储量大、倾角缓、矿体厚度大、钨品位高、矿体及顶底板围岩稳固、连续性好、矿岩含水率低、工程及水文地质条件比较简单、开采技术条件较好等特点。

矿山采用地下方式开采,按照勘探线划分盘区,0~16勘探线划分为东部采区,16~24线划分为西部采区[1-3]。本研究的对象是香炉山钨矿东区残矿,由于前期采用非正规的全面房柱法回采矿体,采后空区未充填,造成大多矿柱难以回采,矿石损失率大,采空区暴露面积大,在空场下运输、通行给矿山井下安全生产带来了较大的隐患。另外,井下众多的采空区形成了相互贯通的状况,多采场、工作面同时作业,串风和污风串流的现象比较普遍。鉴于以上情况,需开展相关采矿方法的研究改善生产现状,治理采空区,并尽可能回采空区内残留的大量矿石资源。

1 开采技术条件

矿石稳固性较好,裂隙断层一般不发育,f＞12,体重3．17 t/m3,平均松散系数为1．6,不结块,不自燃[4-5]。顶底板围岩多属于未风化的钙硅角岩和细粒花岗岩,节理不发育,岩石较完整稳固,f＞8~12,体重2．8 t/m3,平均松散系数为1．6,围岩与矿体界面清楚。地表有民舍及庙宇需要保护,地表不允许陷落。东部采区0~16线间矿体平缓,倾角10°~15°,厚度起伏不大,多小于20 m。香炉山钨矿东部采区采用平硐开拓,铲运机装载,汽车运输,所用的采矿方法基本上为留不规则点柱、条柱的全面法,采空区跨度10~30 m不等,井下矿柱分布不均,部分顶板暴露面积过大,矿体回采多沿底板掘进,许多采空区顶部矿体残留,残矿回采难度极大。

东部采区开采历史悠久,开采顺序凌乱无序,导致采空区规模宏大,且极其复杂[6-8]。东区采空区累计体积超过300万m3,总暴露面积超过25万m2,采空区形态非常不规则,采空区相互贯通、重叠,形成了复杂的井下开采环境。空区内矿柱不规则林立,大多以不规则的点柱、底板矿、顶板矿、条柱、楼板矿和边角矿体的形式存在,其回采难度非常大。东区残矿资源量巨大,初步统计,东区的点柱矿量达360万t,顶、底板矿及边角矿量达540万t,总保有矿量超过900万t。东区残矿以高品位矿为主,是矿山下一步生产的重点。

2 残矿回采采矿方法选择

由于井下复杂的采空区环境,残矿开采条件较差,需根据不同的残矿类型,选择合理的采矿方法。由于采用空场法继续回采有可能出现大面积坍塌,导致整个矿山资源报废,而采用崩落法回采会导致地表水位下降、地表道观损毁、贫化损失率大以及作业安全性难以保障,因此针对矿山现有情况,东区残矿回采只能采用充填法[9]。

根据东部矿体、矿柱的开采技术条件、赋存情况及工程现状,综合现有矿山采矿工艺技术,主要有以下几种采矿方法:超前充填空场嗣后充填采矿法、垂直分条两步骤胶结充填采矿法、上向水平分层充填采矿法[10]。

2．1 超前充填空场嗣后充填采矿法

超前充填空场嗣后充填采矿法先对采空区进行充填治理,胶结充填采空区,并充分充填接顶,然后再回采矿柱,采用充填体支撑顶板管理地压,形成矿柱回采的安全条件;矿柱采用浅孔落矿工艺回采,回采完毕后充填采空区。超前充填空场嗣后充填采矿法主要用来回采采空区内的点柱、顶板矿和底板矿,典型方案见图1。

回采前充填:回采前需将回采区域范围内的空区进行胶结充填,并充分接顶,达到安全条件后再回采矿柱。

图1 超前充填空场嗣后充填采矿法

回采顺序:在回采区域留有点柱、顶板矿和底板矿时,当点柱采下矿石能作为回采顶板的平台时,回采顺序为先采点柱,后采顶板矿,最后回采底板矿;当点柱采下矿石不能作为回采顶板的平台时,回采顺序为先采点柱,后采底板矿,经充填之后再回采顶板矿。

凿岩爆破:采用YT-27、YT-28或7655型凿岩机,以充填后露在外面的点柱一侧为作业面,钻凿似水平炮孔,炮孔直径为42 mm,炮孔深度3~4 m,炮孔排拒0．8~1．2 m,采用2＃岩石乳化炸药,导爆管雷管起爆。

采场通风:新鲜风流自平硐、井下运输巷道进入作业面,清洗工作面后污风经井下运输巷、现有风井排出至地表。

顶板管理:经充分通风后人员进入作业面,清理松石,经撬毛作业仍不能保障安全时,可采用喷射混凝土或锚杆进行支护,确保安全后再进行后续作业。

采场出矿:采用铲运机装矿、汽车运输的方式。回采点柱时,采下矿石大部分留在空区内,作为继续上采的平台,待回采结束后再大量出矿。

采场充填:回采结束后,需要对空区进行充填,充填前需在充填区域架设充填挡墙,铺设充填管路、滤水管等。充填采用全尾砂胶结充填,充填强度为0．8~1．0 MPa。

2．2 垂直分条两步骤充填采矿法

针对采空区内完整性较好的条状矿体,设计采用垂直分条两步骤充填采矿法,该方法将条状矿体按照一定的宽度分为多个采场,先采一步骤采场,然后充填采空区,再回采二步骤采场,二步骤采场开采完毕,最后充填采空区。

垂直分条两步骤充填采矿法主要用来回采较大的条状矿体,矿石回采率高,贫化损失小,典型方案见图2。一步骤、二步骤采场宽度均为8 m,采场长度20~30 m,采场内不留底柱、间柱。回采时,在回采矿体厚度小于10~12 m时,一次性回采后再充填,在回采矿体厚度大于12 m时,采用高分段,分段高度7~8 m,下部分段回采经胶结充填后,留设1．5 m的空间作为继续上采的平台。

矿体回采采用浅孔落矿工艺,铲运机出矿,与超前充填空场嗣后充填采矿法回采工艺基本一致。

采场充填:一步骤采场回采结束后,立即进行充填,一步骤采场充填体强度为1．0~1．2 MPa,待充填体养护至要求强度后,再回采二步骤采场,二步骤采场充填体强度要求为0．5 MPa。

图2 垂直分条两步骤充填采矿法

2．3 上向水平分层充填采矿法

该方案首先要对采空区进行充填治理,通过充填采空区形成作业平台,回采顶板矿体。采用分层回采,分层充填的方式回采矿体。上向水平分层充填采矿法典型方案见图3。回采时,分层高度一般为3~4 m,在顶板跨度小于8~10 m时,可采用5~6 m的高分层,分层采场矿石出完后,立即充填,充填后留下2 m左右的作业空间。

回采工艺采用浅孔落矿工艺,本方法充分利用矿山采空区高度不一致,采空区底板形成台阶状的特点,随着回采的进行,由上一台阶进入采场内进行作业,并运输矿石。落矿作业在充填体上进行,下部充填体强度要求达到0．5~0．8 MPa,浇面层充填体强度要求达到1．5~2．0 MPa。

图3 上向水平分层充填采矿法

3 残矿回采采矿方法评述

3．1 采矿方法技术经济分析

通过对超前充填空场嗣后充填采矿法、垂直分条两步骤充填采矿法以及上向水平分层充填采矿法进行经济分析,各采矿方法技术经济比较如表1所示。

表1 各采矿方法技术经济比较

3．2 采矿方法综合分析

超前充填空场嗣后充填采矿法主要用于空区内留下的点柱、部分顶板及底板矿的回采,采切工程量小,安全性好,点柱回采时由于充填体的混入导致贫化率较顶板高,回采前需根据现场实际情况圈定合适的区域,建立充填挡墙后进行充填,达到安全条件后回采周边点柱、顶柱及底柱。

垂直分条两步骤充填采矿法主要用于较完整的条柱、部分顶柱的回采。首先将回采的条柱或顶柱按照一定的采场宽度划分为两步骤采场,先回采一步骤采场,待充填后充填体达到足够强度时,再回采二步骤采场,该采矿方法采空区暴露面积小,生产施工安全,贫化损失率均可控制在10%以内。

上向水平分层充填采矿法主要用于部分顶板的回采。空区高度大时,回采前需充填下部空区,充填后充填体与顶板之间留2 m左右的作业空间,根据顶板跨度大小确定分层高度,在顶板跨度较小时可采用高分层,该采矿方法采空区高度较小,作业安全性好。