李海港 李仕杰 鄭小龍 劉周超 閆 雷

（1.江西省安全科學研究院，江西南昌330103；2.江西省安全生產(chǎn)科學技術研究中心，江西南昌330103；3.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西贛州341000）

贛南是我國乃至世界著名的黑鎢礦產(chǎn)地，黑鎢產(chǎn)量占到我國總產(chǎn)量的90%以上，區(qū)域內(nèi)集中了10余座大型鎢礦山及20 余座小型鎢礦山，其中絕大部分鎢礦山為具有數(shù)十年開采歷史的老礦山，由于贛南鎢礦的賦存條件特點以及原有開采技術條件限制，留下了大量未處理的復雜地下采空區(qū)以及未能開采完全的殘留礦石［1-3］。據(jù)不完全統(tǒng)計，贛南大吉山鎢礦、漂塘鎢礦、蕩坪鎢礦、盤古山鎢礦、鐵山垅鎢礦、西華山鎢礦等礦山形成的采空區(qū)總量達3 640萬m3，已充填空區(qū)量1 274 萬m3，剩余采空區(qū)總量為2 366 萬m3，殘留礦石及低品位資源金屬總量約10萬t［4-5］。在當前礦產(chǎn)資源日益緊缺的情況下，如果能充分回收這部分遺留的殘礦，則意味著目前礦山可采礦量會大大增加，與此同時，以上大部分礦山逐漸步入深部開采，隨著開采中段向下延伸，遺留空區(qū)使得回采條件更加復雜、惡劣，礦柱變形破壞，相鄰采場和巷道維護困難，空區(qū)坍塌和巖移，致使下一中段回采困難，空區(qū)積水造成突水隱患等，導致大量殘礦無法回收，這類空區(qū)隱患與殘礦回采的矛盾亟待解決［6-7］。

采礦領域一般認為，資源開采與采空區(qū)屬于一組矛盾的組合，深部資源開采過程中不可避免地會產(chǎn)生采空區(qū)，而采空區(qū)的出現(xiàn)又會威脅到資源開采的安全性，如何協(xié)調(diào)處理好采空區(qū)與資源開采的關系是礦山安全生產(chǎn)領域亟待解決的重要難題［8］。2009年陳慶發(fā)教授基于A.H.Ansoff 提出的“協(xié)同”理念［9-10］，針對采空區(qū)隱患資源開采條件提出了“協(xié)同開采”的理念，并明確闡述了“協(xié)同開采”定義及其技術體系［11-12］。自此，“協(xié)同開采”理念得到迅速發(fā)展，不少學者相繼提出了大量協(xié)同開采技術，極大地豐富了我國采礦技術體系［13］。孫會熙等［14］針對礦山存在的資源開發(fā)規(guī)劃不明確與采空區(qū)隱患威脅問題，提出了對于資源分區(qū)開采的協(xié)同開采優(yōu)化方案，協(xié)同處理了空區(qū)隱患問題，并實現(xiàn)了礦產(chǎn)資源的高效回收；張海磊等［15］針對高埋深采空區(qū)群及存在的巖爆顯現(xiàn)問題，結合高濃度膏體充填工藝與地壓監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了隱患資源與空區(qū)協(xié)同處理的協(xié)同開采；聶興信等［16］針對礦體復雜多變的賦存條件，提出了深孔分段空場上向嗣后充填協(xié)同采礦法，并結合數(shù)值模擬與工業(yè)試驗對該方法的適用性進行了論證；陳陽等［17］結合數(shù)值模擬方法對比分析了不同崩落法與充填法協(xié)同開采方案的可行性，對協(xié)同開采方案進行了優(yōu)選?！皡f(xié)同開采”理念的實質(zhì)就是通過一定手段和方法解決處理礦山系統(tǒng)運轉過程中存在的矛盾與沖突，實現(xiàn)礦山系統(tǒng)運轉的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)，從而達到隱患處理與資源高效安全生產(chǎn)的目的。不同協(xié)同開采方案往往針對不同礦山系統(tǒng)或不同的矛盾組合，對于贛南鎢礦山而言，礦體賦存條件復雜，脈幅平均為0.3 ～0.4 m，最寬達6 ～8 m，礦脈間距一般在10 m 左右，導致采空區(qū)形態(tài)差異大，且贛南主要鎢礦的開采已有近百年歷史，部分老采空區(qū)位置難以探明，地壓顯現(xiàn)較為嚴重。如何利用現(xiàn)有技術手段協(xié)同解決贛南鎢礦山采空區(qū)隱患治理與殘礦資源開采兩大難題具有非常重要的工程實踐意義。

鑒于此，本研究以贛南某典型鎢礦采場殘留礦體為例，基于“協(xié)同開采”理念，以三維精細探測為基礎，以采空區(qū)微震實時監(jiān)測為手段，協(xié)同應用空區(qū)封閉、充填空區(qū)等方法，在空區(qū)隱患處理的同時實現(xiàn)殘礦安全開采，形成空區(qū)隱患治理與殘礦安全回采的協(xié)同作業(yè)關鍵技術，以期為贛南鎢礦資源安全高效開發(fā)提供理論依據(jù)和工程借鑒。

1 空區(qū)治理與殘礦回采的協(xié)同關鍵技術

“協(xié)同開采”理念的基本內(nèi)涵是根據(jù)礦山系統(tǒng)實際運轉工作面臨的不良隱患因素或系統(tǒng)負效應（如采空區(qū)、圍巖失穩(wěn)、突水突泥等隱患因素），以現(xiàn)有技術手段（包括巖層控制、災害控制、實時安全監(jiān)測等技術）減小或弱化不良隱患因素帶來的影響，從而實現(xiàn)資源開采與隱患處理的雙贏［11-12］。

對于贛南鎢礦而言，受其賦存條件影響，采空區(qū)總量巨大，形態(tài)各異，難已探明，地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象顯著，同時限于以往的開采技術手段，大量殘留礦體未開采完全，殘礦資源開發(fā)問題亟待解決。殘礦資源開采與采空區(qū)隱患的協(xié)同作業(yè)是擺在工程技術人員面前的重大難題。由此，引入“協(xié)同開采”理念，以三維精細探測為基礎，利用三維精細探測技術，探明復雜空區(qū)三維信息，為殘礦回采技術方案設計提供基礎資料；以采空區(qū)微震實時監(jiān)測為手段，在整個回采階段對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性和礦柱應力進行實時監(jiān)測，因地適宜設計殘礦回采方案；采用充填空區(qū)或崩落圍巖等方法，在空區(qū)隱患處理的同時實現(xiàn)殘礦安全回采，形成了空區(qū)隱患治理與殘礦安全回采的協(xié)同作業(yè)關鍵技術（圖1）。

2 工程概況

2.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

礦區(qū)位于西華山—楊眉寺復背斜次一級褶皺南段，以山嶺地形為主，北高南低，最低標高320 m，高差657 m，礦體賦存標高為200～750 m。礦床有細脈帶型和大脈型兩類，以前者為主，主要礦化面積1.2 km2，共有16 條礦帶。礦區(qū)地層為中上寒武系，巖性為變質(zhì)含礫粗砂巖、變質(zhì)中粒砂巖、變質(zhì)細砂巖和砂質(zhì)板巖。礦區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，有EW 向、NE—NNE 向和NW 向，規(guī)模都不大，對礦體破壞較小。礦區(qū)內(nèi)主要控礦構造有近EW向的F5、F6斷層，NW向的F2斷層和NE 向的F3斷層，其中最重要的斷層是F2，該斷層走向48°，傾向138°，傾角54°，破碎帶寬0.5～1 m。該4組斷層形成的菱形區(qū)段為礦體的主要賦存區(qū)。

2.2 礦山資源開采現(xiàn)狀

根據(jù)礦體的賦存形態(tài)，礦山主要采用淺孔留礦法、階段礦房法、全面法等空場采礦方法進行開采，不可避免地產(chǎn)生了形態(tài)復雜各異的采空區(qū)。礦體為脈狀雁行陣列式產(chǎn)出，其采空區(qū)也多呈現(xiàn)長寬比、高寬比均較大的脈狀展布。采空區(qū)地壓隱患嚴重，受采空區(qū)隱患影響，礦山的采礦損失率普遍超過40%，在當前礦產(chǎn)資源日益緊缺的情況下，如果能充分回收這部分遺留的殘礦，對于充分回收寶貴的礦產(chǎn)資源、延長礦山服務年限、增加礦山經(jīng)濟效益都具有十分重要的現(xiàn)實意義。

礦山針對厚大礦脈、薄礦脈分別采用階段礦房法和淺孔留礦法開采。對采用階段礦房法（大采）開采的厚大礦脈而言，其殘礦類型包括頂柱、間柱、底柱及存窿礦等，對于采用淺孔留礦法或全面法（小采）開采的薄礦脈而言，其殘礦類型包括頂柱、間柱等。大采形成的殘礦周邊可能會出現(xiàn)采空區(qū)冒落貫通地表的現(xiàn)象，小采形成的殘礦一般都較獨立，并且受爆破方式影響，大采采場的殘礦一般比小采采場的殘礦更不規(guī)則，形態(tài)更復雜，殘礦量也更大。

考慮到上述因素，本研究以贛南某典型鎢礦+448～+388 m 中段的31132 采場（大采）殘留礦體作為研究對象，原礦體以脈帶狀產(chǎn)出，礦體傾角85°～89°，平均寬度為14.8 m，采用分段鑿巖階段出礦空場采礦法開采［18］。采場東西向布置，采場平均長度為43 m，高度為61.1 m，平均采幅為15.3 m，分4 個鑿巖分段，各分段高度延用西邊39112 礦塊采場布置形式，控制在9.7～12.9 m 不等。因11#線穿脈為分區(qū)總回風巷，需要保護，且+448 m 與+388 m 中段東西錯位，因此留設了10 m寬的間柱。

3 采空區(qū)三維精細探測及建模技術

3.1 實體模型構建

采空區(qū)幾何特性以及與礦塊的空間關系對于殘礦回采意義重大，采用三維精細探測技術對采空區(qū)進行有效探測，建立相應的三維模型可直觀展示采空區(qū)位置形態(tài)，同時三維建模結果可有效指導殘礦回采方案設計。本研究以三維精細探測技術為基礎，采用國內(nèi)生產(chǎn)的blss 三維掃描系統(tǒng)對+448～+388 m 中段的31132 采場采空區(qū)形態(tài)進行探測，并結合3Dmine 軟件，構建了+448～+388 m 中段礦塊采場、各分段井巷及采空區(qū)等模型（圖2）［14］。在所建模型的基礎上進一步分析采空區(qū)空間形態(tài)及其幾何特征，同時，通過多次采空區(qū)掃描建?？捎行Ч浪悴蓤龃媪俊⒊龅V量以及分析爆破作業(yè)完成程度，為下一步殘礦回采方案設計提供充足的基礎資料。

3.2 殘礦資源估計

本研究采空區(qū)3D 激光掃描測量采用“分次掃測、整體拼接”方案，分次掃描結果不僅可對采空區(qū)變化情況進行有效測定，并且通過對比分次掃描的采空區(qū)體積量變化可對殘礦量進行估計。首先為驗證殘礦資源估計的準確性，對比3次掃描的采空區(qū)體積與實際月開采礦量變化情況，將第1次掃測采空區(qū)體積換算成礦量59 960 t，采場存礦量為14 510 t；第2 次掃測前進行一次頂部放頂，礦量為12 350 t（設計崩礦量），第2次掃描時采場存礦量為18 437 t。根據(jù)放頂?shù)V量以及第1 次、第2 次掃描期間存礦量變化情況可得兩次掃描期間出礦量為8 423 t，第2次掃測采空區(qū)體積換算成礦量為52 037 t，兩次采空區(qū)形態(tài)變化量為7 923 t，由超爆量等因素引起的誤差量約500 t；第3 次掃測采空區(qū)體積換算成礦量為67 381 t，兩次采空區(qū)形態(tài)變化量為15 344 t，不考慮31132 礦塊采場與周邊采場之間夾石層垮透增加混入量情況的誤差量約3 000 t。由上述結果可以驗證殘礦資源估計的可行性。

根據(jù)礦山生產(chǎn)資料對礦量進行估算，31132礦塊采場設計頂柱回采量為19 970 t，設計底柱回采量為13 155 t。通過礦體三維模型進行布爾運算，可以精確計算殘礦量。通過三維激光掃描得到采空區(qū)頂板有較大起伏，經(jīng)計算可得31132礦塊采場實際頂柱回采量為18 945 t，實際底柱回采量為15 482 t，整體估算量誤差小于10%。采場三維激光掃描技術為快速測定采場存窿量、分析出礦量提供了一種新的方法，為下一步制定殘礦回采方案提供了基礎條件。

4 采空區(qū)實時微震監(jiān)測

4.1 微震系統(tǒng)概述及現(xiàn)場布設情況

對于贛南鎢礦殘礦資源回采工作而言，采空區(qū)結構穩(wěn)定性問題是影響回采工作有序進行的關鍵一環(huán)。微震技術的基本原理與聲發(fā)射技術監(jiān)測原理類似，都是采集巖石受力破壞過程的聲能信號（微震波信號），通過對采集的聲能信號進行分析從而對監(jiān)測區(qū)域結構的穩(wěn)定程度及安全性進行評價，達到穩(wěn)定性實時監(jiān)測的目的［19-20］。本研究針對31132 采場建立了IMS 微震監(jiān)測系統(tǒng)，于采空區(qū)周邊布置了2 臺4通道數(shù)據(jù)采集分站和8 個單向微震檢波器，+388 m中段微震檢波器布設如圖3 所示。上述8 個微震檢波器形成了一個立體的監(jiān)測臺網(wǎng)，將采場包圍在中心，使該系統(tǒng)能夠精確定位到采場內(nèi)發(fā)生的微震事件，從而準確掌握殘礦回采過程中采場內(nèi)巖體活動情況，對回采工作中巖體穩(wěn)定性進行實時監(jiān)測。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及可視化

本研究微震監(jiān)測周期為2015—2017年，在進行微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析時，剔除了微震監(jiān)測系統(tǒng)受傳感器通信線路砸斷、系統(tǒng)時間不同步、傳感器連接盒電路板燒毀等因素影響的數(shù)據(jù)。圖4 為31132 礦塊微震監(jiān)測區(qū)域示意圖。表1 中統(tǒng)計了該區(qū)域監(jiān)測周期內(nèi)記錄到的事件。由表1 可以看出采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，為后續(xù)處理分析奠定了基礎。

圖5 表示的是監(jiān)測周期內(nèi)觸發(fā)傳感器數(shù)目大于4的微震事件分布情況，球體的顏色代表事件發(fā)生的時間，球體尺寸與事件震級數(shù)呈正相關，即球體越大，表明事件的震級越大。由圖5 可以看出：事件位于+448 m 中段和+388 m 中段，尤其在+388 m 中段與采空區(qū)底部之間較為集中。采礦活動使得礦柱或者上下盤圍巖受力狀態(tài)發(fā)生改變，應力重新分布，導致微震事件數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢，底部結構微震事件數(shù)增多，說明底部巖體結構穩(wěn)定性波動性較大，需要增強底部結構的錨噴網(wǎng)支護。

5 殘礦協(xié)同回采

本研究以“協(xié)同開采”理念為基礎，結合采空區(qū)精細探測與三維建模技術與微震實時安全監(jiān)測技術，根據(jù)31132 礦塊的賦存特點，因地制宜設計了頂柱、底柱、間柱分步開采的回采方案，同時為了盡可能保證殘礦回采工作的安全性，根據(jù)頂柱、間柱開采中存在的空區(qū)隱患，協(xié)同應用空區(qū)封閉、膠結充填等方法對空區(qū)進行有效治理，實現(xiàn)空區(qū)隱患處理與殘礦資源回收的有機統(tǒng)一。

5.1 頂柱回采技術

根據(jù)掃描得到的采空區(qū)邊界圖及頂柱回采標準方案圖，開展了31132 礦塊采場頂柱回采設計研究。為保護+448 m 中段11#線回風巷，本研究只針對31132 礦塊采場東部頂板回采進行設計。針對頂柱實際形態(tài)結構特征，確定頂柱回采采用兩側間柱中施工放頂硐室，并鉆鑿深孔炮孔進行壓頂?shù)姆桨?，如圖6（a）所示。

頂柱工業(yè)試驗中，放頂硐室一側由采準天井、采準天井聯(lián)道進入，另一側由+448 m 中段向下施工硐室天井進入，在兩側的放頂硐室內(nèi)對向施工深孔炮孔，各控制一半的頂柱。深孔孔口呈“馬蜂窩”形態(tài)，孔口炮孔密度大，孔底炮孔密度小。深孔施工采用礦山自有的KQJ-100B 立柱式潛孔鉆機，鉆鑿炮孔直徑為100 mm，孔底距為2.5 m，實際裝藥量為3 060 kg，整體爆破效果良好，局部出現(xiàn)少量大塊，并且31132 采場與31131 采場之間的夾石出現(xiàn)了部分垮塌。由圖6（b）可清楚發(fā)現(xiàn)礦房爆破之后的實際采空區(qū)界線，與礦山根據(jù)采準及爆破設計資料劃定的采空區(qū)界線之間存在明顯誤差，平均超出3.5 m 的距離（如圖6（b）中的陰影部分），這部分可能由礦石超爆、邊壁垮落等因素造成。放頂結束后，對+448 m 中段13#線主巷進行了水泥墻全封閉，嚴禁人員及設備進入。同時在下部+394 m 水平電耙道進行電耙出礦，礦石由電耙耙到溜井下放至388 m 中段，通過有軌電車運輸至坑口。31132 采場西部頂板待有條件之后再進行回采。

5.2 底柱回采

針對底柱實際形態(tài)結構特征，確定底柱回采方案為利用388 m 中段運輸穿脈鉆鑿上向中深孔，并補充相應的出礦沿脈、裝礦進路，以形成完整的出礦、運輸系統(tǒng)。具體回采方案如圖7（a）所示。Ⅲ主2沿脈巷需施工上向中深孔，以端部切槽為指向，通過后退式分次爆破完成底柱的回采工作。為保證出礦順利進行，需增加出礦沿脈與裝礦進路，即形成底部塹溝出礦結構。由于采場處于大量出礦階段，因此底柱回采工作暫不實施。待采場頂板回采結束后，存窿礦與底柱崩落礦石一并回采，回采結束后可采用尾砂膠結充填，為間柱回采創(chuàng)造條件。31132 采場底柱回采剖面如圖7（b）所示。

底柱回采工業(yè)試驗中，采用YGZ-90 圓盤式中深孔鉆機進行中深孔施工，鉆鑿炮孔直徑為60 mm，孔底距為2.0 m，排距為1.5 m，以端部切槽為自由面及補償空間進行后退式分次爆破，將塹溝內(nèi)殘留的存窿礦石與底柱一同放出，以回收上部存窿礦石及底柱礦石。

5.3 間柱回采

根據(jù)間柱實際形態(tài)與結構，經(jīng)分析論證，開采東區(qū)低品位礦體時，由于該區(qū)礦體處于中西部已開采區(qū)域的錯動范圍內(nèi)，為保證回采安全，采用了全尾砂膠結充填的采礦工藝，回采前首先對下部中段采空區(qū)進行有效充填。目前礦山正在進行充填站建設，土建工程基本完成，下一步將進行充填設備安裝及充填管道鋪設等。

由于間柱西部為39112 礦塊，已結束回采，頂部已崩透至地表，由現(xiàn)場調(diào)查結果可知，該區(qū)垮落體部分已經(jīng)壓實固結，東部為31132 礦塊采空區(qū)，回采前需對該區(qū)進行全尾砂膠結充填，考慮到需保護上部的分區(qū)總回風巷，預留10 m 頂柱作為永久損失。下部間柱采用分段充填法進行回采，回采順序為豎直方向從下而上，平面方向由礦體邊界向采準天井進行后退式回采。具體回采方案如圖8所示。

中深孔施工采用礦山自有的YGZ-90 圓盤式中深孔鉆機，鉆鑿炮孔直徑為60 mm，孔底距為2.0 m，排距為1.5 m，以端部切槽為自由面及補償空間進行后退式分次爆破。分段鑿巖爆破出礦完成之后，對該分段進行充填，充填完成之后進入上一分段的循環(huán)中。各分段鑿巖及充填過程如圖9所示。

本研究開展了31132 礦塊采場殘礦回采工業(yè)試驗，對31132 礦塊采場東部頂板進行了放頂，崩礦量8 110 t，爆破效果良好，在此基礎上輔以空區(qū)隔離等手段對空區(qū)進行了治理，確保了回采工作安全有序進行；完成了底柱上向中深孔施工，但由于采場處于大量出礦階段，底柱回采工作暫不實施，待采場頂板回采結束后，存窿礦與底柱崩落礦石一起回采?；夭山Y束后可采用尾砂膠結充填，為間柱回采創(chuàng)造條件。

6 結 論

（1）針對贛南鎢礦存在形態(tài)復雜的采空區(qū)，以采空區(qū)三維精細探測技術為基礎，精細化構建了包括礦塊、采空區(qū)、底部結構工程、頂部硐室工程等在內(nèi)的整體地質(zhì)模型，通過多次復合精細化掃描得到的采空區(qū)模型，精確得到殘礦量與殘礦形態(tài)，為殘礦回采方案制定提供了基礎資料。

（2）以殘礦回采工業(yè)試驗為依托，建立了IMS 微震監(jiān)測系統(tǒng)，對31132礦塊采場的采空區(qū)穩(wěn)定性進行了監(jiān)測，通過實時數(shù)據(jù)采集分析，有效指導了31132礦塊采場殘礦的安全回采。

（3）結合贛南鎢礦山殘礦的賦存特點，以+448～388 m 中段的31132 采場殘留礦體為例，系統(tǒng)制定了殘礦回采（頂柱、底柱、間柱）與空區(qū)治理（空區(qū)封閉、膠結充填）的協(xié)同開采技術方案，并開展了頂柱回采工業(yè)試驗，試驗結果證明了殘礦協(xié)同開采技術方案的可行性，可對贛南地區(qū)鎢礦資源回采提供一定的參考。