何曉武，韋 峰，毛建華

（1.廣西華錫礦業(yè)公司銅坑礦業(yè)分公司，廣西河池 547207；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410012）

錫多金屬礦是國家戰(zhàn)略資源，由于歷史原因造成前期開發(fā)過度，許多礦山空區(qū)處理滯后，資源消耗過快，余下資源顯得非常寶貴。鑒于我國現(xiàn)階段礦山實(shí)際情況，只有在安全環(huán)保的前提下，進(jìn)行資源高效回收和綜合利用，才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。尤其在有中國“錫都”之稱的廣西大廠礦區(qū)，因多年開采環(huán)境影響，復(fù)雜采空區(qū)治理與承壓礦柱安全回采是資源全面回收與實(shí)現(xiàn)礦山穩(wěn)定發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵。其中，作為銅坑礦主要生產(chǎn)資源的92號(hào)礦體，為緩傾斜特別厚大的錫鉛鋅等多金屬礦，已開采20余年，目前保留的礦柱礦石資源達(dá)千多萬噸。由于前期采用“組合式崩落法”進(jìn)行大規(guī)模開采，形成復(fù)雜的采空區(qū)，其中部分與上部91號(hào)礦體及細(xì)脈帶礦體采區(qū)連通，崩落至地表，形成較大范圍塌陷坑。由于前期采空區(qū)地壓活動(dòng)，積壓礦柱礦量難以開采［1］，為考慮地表保護(hù)和資源全面回收，近年逐步將崩落法轉(zhuǎn)為充填法開采。在充填法轉(zhuǎn)換的過渡期，需實(shí)行空區(qū)治理優(yōu)化與礦柱協(xié)同開采，以維持生產(chǎn)的穩(wěn)定。

相關(guān)研究表明，當(dāng)?shù)V山開采后期或轉(zhuǎn)入深部開采，在采空區(qū)長期未充填的情況下，常導(dǎo)致地壓危害加劇，并有突發(fā)較大范圍沖擊地壓的可能，造成對(duì)礦山安全和可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重影響。因此，國內(nèi)外礦山為提高礦石資源回采率，防止采空區(qū)垮塌沖擊和地表塌陷引起進(jìn)一步破壞，將無底柱或有底柱分段崩落法轉(zhuǎn)換為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，或?qū)⒎侄慰請(qǐng)龇ê头恐ǖ绒D(zhuǎn)變?yōu)樯舷蛩椒謱映涮罘ɑ蜻M(jìn)路充填法等。特別是針對(duì)我國礦山普遍存在前期開采中形成的采空區(qū)群，采用合理的空區(qū)治理方案，對(duì)采空區(qū)實(shí)行膠結(jié)充填，可以有效維護(hù)礦柱及圍巖穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)安全回采。

為了實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展，并保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，需對(duì)多年來形成復(fù)雜的空區(qū)采取充填治理。近年來，國內(nèi)外對(duì)充填法開采相關(guān)研究已取得長足進(jìn)展，其中主要的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在合理的回采方案、充填結(jié)構(gòu)和充填順序的優(yōu)化、有效的地壓控制和地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面。20世紀(jì)80、90年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)上述問題進(jìn)行了普遍探索。為了有效地通過充填采空區(qū)消除地壓危害，同時(shí)對(duì)礦柱實(shí)行支撐和保護(hù)，實(shí)現(xiàn)礦石資源的優(yōu)化回采，近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了不斷探索和深入研究，包括：胡偉等采用極限分析法和頂板初次來壓計(jì)算法，推導(dǎo)出不同條件下回采頂柱時(shí)的頂板安全厚度計(jì)算公式［2］；吳偉東等采用物質(zhì)描述增量有限元方法，模擬分析不同條件下巖體內(nèi)所出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力，為安全采礦提供技術(shù)依據(jù)。國外學(xué)者也對(duì)回采中頂板控制進(jìn)行了相關(guān)研究，如采用Passaris等數(shù)值方法對(duì)頂板變形進(jìn)行模擬。國內(nèi)長沙礦山研究院等科研院所針對(duì)復(fù)雜礦體充填法開采和地壓監(jiān)控研究，在眾多礦山進(jìn)行了技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用。針對(duì)92號(hào)礦體開采后期開采安全條件差的情況，對(duì)余下資源的回采逐漸過渡為充填法，由充填體支撐采場(chǎng)圍巖，通過優(yōu)化充填和礦柱回采方案，可在有效控制井下地壓活動(dòng)的同時(shí)，抑制地表下沉，為礦山綠色發(fā)展創(chuàng)造安全技術(shù)條件。

1 工程概況

銅坑礦三大主要礦體細(xì)脈帶、91號(hào)和92號(hào)礦體呈立體重疊分布，上部為傾角較陡的細(xì)脈帶礦體，中部為緩傾斜91號(hào)礦體，下部為緩傾斜92號(hào)礦體。細(xì)脈帶礦體和91號(hào)礦體已開采完畢，92號(hào)礦體為銅坑礦目前的主采礦體。92號(hào)礦體主要為似層狀網(wǎng)脈浸染型礦體，其近南北傾向及東西方向分布均接近1 km，屬世界罕見的巨型錫礦體，圍巖主要為寬條帶灰?guī)r、泥灰?guī)r及部分硅質(zhì)巖，開采技術(shù)條件非常復(fù)雜。

92號(hào)礦體前期開采主要采取崩落法，崩落一定范圍的覆蓋巖層，其余大部分為分段空?qǐng)龇ㄋ煤髲U石充填，大規(guī)模開采時(shí)其地壓問題將變得更加突出，繼續(xù)采用崩落法難以維持目前生產(chǎn)規(guī)模，而且可能造成環(huán)境的影響。由于前期采空區(qū)充填物大多為廢石充填料和覆巖崩落后形成的松散體，礦柱受壓非常破碎，如果不對(duì)空區(qū)進(jìn)行治理，回采難以繼續(xù)。92號(hào)礦體后期開采現(xiàn)存主要問題：（1）井下大范圍開采引起地壓活動(dòng)頻繁，地壓危害日趨嚴(yán)重，采礦技術(shù)條件惡化，安全風(fēng)險(xiǎn)大增；（2）崩落法采礦損失、貧化高，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，原初步設(shè)計(jì)部分采用崩落法和留連續(xù)礦柱空?qǐng)龇ǎ陂_采后期承壓礦柱礦石資源嚴(yán)重積壓，三級(jí)礦量不足，采礦生產(chǎn)組織困難；（3）大范圍采動(dòng)引起巖層移動(dòng)危及地表，前期在92號(hào)礦體一、二、三盤區(qū)采用崩落法回采形成塌陷坑，引起地表硫化礦局部發(fā)火和冒煙，影響環(huán)境治理和礦區(qū)穩(wěn)定。

解決上述問題的技術(shù)關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)采礦方法由崩落法向充填法轉(zhuǎn)變。因此進(jìn)行92號(hào)礦體崩落轉(zhuǎn)充填法研究，優(yōu)化充填和礦柱回采方案具有重要意義。在充填法逐步實(shí)施的過渡期，進(jìn)行采空區(qū)優(yōu)化充填與礦柱協(xié)同開采，不僅可以有效解決92號(hào)礦體開采引起的地壓災(zāi)害隱患問題，而且將解決礦柱回采中遇到的損失貧化偏高和三級(jí)礦量不足等技術(shù)難題。

2 崩落轉(zhuǎn)充填的協(xié)同采礦方法

過渡期采空區(qū)治理與礦柱協(xié)同回采的主要技術(shù)思路在于：通過對(duì)92號(hào)分盤區(qū)開采的單元礦塊和礦柱有序回采，在前期相關(guān)研究［3～5］的基礎(chǔ)上，采取空區(qū)充填與礦柱回采協(xié)同開采［6］的方法，優(yōu)化充填順序，從礦山生產(chǎn)實(shí)際條件出發(fā)，采取最佳的充填和回采方案，提高回采率，避免事故災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)采礦作業(yè)的本質(zhì)安全，從而順利實(shí)施資源全面回收。通過相關(guān)技術(shù)研究，制定了優(yōu)化充填和開采順序的安全回采基本方案：

1.采場(chǎng)布置。按照前期初步設(shè)計(jì)，92號(hào)礦體已形成分盤區(qū)開采的格局：盤區(qū)礦柱沿南北方向勘探線布置，間隔為90～100 m，盤區(qū)內(nèi)礦塊劃分為礦房礦柱，沿走向布置。前期對(duì)于91號(hào)礦體和92號(hào)礦體重疊區(qū)采用組合式崩落法，即采用空?qǐng)龇ê捅缆浞▋煞N相結(jié)合的采礦方法，先空?qǐng)龊蟊缆洌粚?duì)于92號(hào)礦體邊部的非重疊區(qū)域采用留連續(xù)礦柱空?qǐng)龇?。根?jù)初步設(shè)計(jì)及后來技術(shù)改造設(shè)計(jì)，參照銅坑礦91號(hào)礦體開采的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，及國內(nèi)同類礦山類比，確定92號(hào)礦塊回采布置：礦房寬25 m、礦房長度70～80 m，礦房高度為10～60 m，盤區(qū)礦柱寬度為20～25 m。

2.采礦方法改進(jìn)。目前按照礦山開采技術(shù)條件將92號(hào)礦體主要采礦方法轉(zhuǎn)換為充填法：無底柱（有底柱）分段崩落法轉(zhuǎn)換為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ā⑸舷蛩椒謱映涮罘ɑ蛏舷蛩竭M(jìn)路充填法。

分段鑿巖階段出礦嗣后充填法的典型剖面如圖1所示。

圖1 分段鑿巖階段出礦嗣后充填法示意圖

分段鑿巖階段出礦嗣后充填法和分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，其主要?yōu)點(diǎn)是采礦成本較低，生產(chǎn)能力大，目前可以繼續(xù)在較完整礦段實(shí)施回采；對(duì)于破碎礦柱回采，要求周邊充填體強(qiáng)度高，因此需要先對(duì)周圍空區(qū)膠結(jié)充填。鑒于充填能力的匹配問題，需要根據(jù)礦山條件優(yōu)化充填順序，加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵區(qū)域的地壓控制，逐步過渡到以機(jī)械化盤區(qū)上向水平分層充填法或進(jìn)路充填法等采礦方法。

3.采空區(qū)處理。基于92號(hào)礦體崩落轉(zhuǎn)充填法區(qū)域存在大量采空區(qū)中主要為垮落散體的實(shí)際情況，采空區(qū)處理的基本方法為：關(guān)鍵地段實(shí)行充填和廢石回填；部分實(shí)行強(qiáng)制崩落圍巖或誘導(dǎo)自然崩落，再根據(jù)需要實(shí)施膠結(jié)充填?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，在過渡期，對(duì)以前只進(jìn)行采空區(qū)嗣后充填廢石的采場(chǎng)，重要地段采用全尾砂膠結(jié)充填，可實(shí)現(xiàn)破碎礦體及承壓礦柱安全回采。

4.頂板管理。相關(guān)研究表明，開采期間92號(hào)礦體上方與老采區(qū)的頂板圍巖在當(dāng)隔離層厚度為15～20 m時(shí)是比較安全且合理的，當(dāng)厚度小于15 m時(shí)，需采取較小跨度分步開采充填或進(jìn)路充填回采。

5.回采順序。對(duì)崩落轉(zhuǎn)充填法研究范圍礦段的開采順序進(jìn)行了分析研究。研究結(jié)果表明：充填法開采的礦段在水平方向上的開采順序以由西往東回采最優(yōu)，從中間往兩端回采次之；而垂直方向上則從下往上開采更為合適。

6.優(yōu)化充填開采與地壓監(jiān)控。由于92號(hào)礦體多年來采用劃分礦房、房間礦柱和盤區(qū)礦柱三步驟開采方式，形成了大量復(fù)雜采空區(qū)，大量礦柱受高應(yīng)力破壞變得相當(dāng)破碎。對(duì)破碎礦柱的回采以及采空區(qū)附近殘留礦石資源回采，需要先進(jìn)行空區(qū)充填治理。鑒于崩落轉(zhuǎn)充填法礦段開采地壓特點(diǎn)，針對(duì)過渡期開采可能存在的地壓問題，針對(duì)大面積開采后頂板和高大空區(qū)可能造成的危險(xiǎn)隱患，通過數(shù)值模擬等手段對(duì)可能的開展各種回采方案的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分預(yù)計(jì)，對(duì)92號(hào)礦體崩落轉(zhuǎn)充填法開采后地壓活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警，并采取防患措施。

3 關(guān)鍵區(qū)段充填順序優(yōu)化

92號(hào)礦體從東往西劃分七個(gè)盤區(qū)，西側(cè)有一、三、五、七盤區(qū)，東部有二、四、六盤區(qū)。其中，四、六盤區(qū)前期部分采場(chǎng)進(jìn)行了充填，主要為廢石充填和部分崩落回填。由于前期采礦留下的采空區(qū)非常復(fù)雜，開采承壓礦柱時(shí)，邊部應(yīng)力集中地段可能因壓力增大帶來礦柱破碎等、頂板突發(fā)性垮落沖擊等危害。對(duì)此，開展回采方案的數(shù)值模擬分析，對(duì)92號(hào)礦體崩落轉(zhuǎn)充填法開采后的圍巖應(yīng)力和位移進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此提出優(yōu)化的開采與充填方案。首先針對(duì)關(guān)鍵區(qū)域回采與充填進(jìn)行模擬分析，采用三維有限元3D-σ等軟件對(duì)五盤區(qū)北及二、四、六盤區(qū)不同開采順序模擬效果分析比較結(jié)果，優(yōu)選方案為先充填四盤區(qū)與五盤區(qū)采空區(qū)，然后再回采二、四、六盤區(qū)北部礦體。

在上述基礎(chǔ)上，對(duì)四盤區(qū)等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行充填方案優(yōu)化。至2018年，由于四盤區(qū)T411-T412、T413等采場(chǎng)未充填引起地壓活動(dòng)，在四盤區(qū)及周邊盤區(qū)有較多采空未充填接頂?shù)那闆r下，影響采場(chǎng)及盤區(qū)礦柱回采。

根據(jù)相關(guān)研究成果，前期未進(jìn)行膠結(jié)充填的采空區(qū)附近礦柱嚴(yán)重破壞，部分地段影響到地表移動(dòng)。由于92號(hào)礦體東部對(duì)應(yīng)地表有水塘，需要采用膠結(jié)充填法，嚴(yán)格控制巖層移動(dòng)的影響；在西南區(qū)采用崩落法，但因地表崩落可能引起有硫化礦自燃產(chǎn)生煙氣危害，需要限制崩落范圍。

對(duì)各充填方案的模擬分析結(jié)果表明，由于充填順序的不同，所顯現(xiàn)的應(yīng)力變化、沉降位移的量值等都有所不同，例如：在未充填的情況下208＃線T608位移達(dá)3.5 cm；若采取四盤區(qū)中心區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行膠結(jié)充填方案，充填后最大位移值比不充填有所減少，應(yīng)力狀況得到改善，緩解了圍巖高應(yīng)力集中破壞的現(xiàn)象，說明充填體對(duì)控制巖層的移動(dòng)起到了很大作用，如圖2所示。

根據(jù)充填順序的模擬結(jié)果，提出了關(guān)鍵區(qū)域的充填優(yōu)化方案：優(yōu)先采用尾砂膠結(jié)充填四盤區(qū)T414、T415、T406、T407、T417，以及六盤區(qū)北部等采場(chǎng)，并對(duì)204＃線、201＃線盤區(qū)柱附近的采空區(qū)進(jìn)行充填處理。

按照優(yōu)化充填方案，2018年以來加強(qiáng)了對(duì)關(guān)鍵區(qū)域采空區(qū)充填治理，2019年至2020年的膠結(jié)充填量達(dá)到53萬m3，并且對(duì)地表塌陷坑進(jìn)行了相應(yīng)的回填治理。由于對(duì)四、六盤區(qū)等關(guān)鍵地段進(jìn)行了尾砂膠結(jié)充填，大大減少了地壓活動(dòng)危害，為盤區(qū)礦柱的回采提供了穩(wěn)定的環(huán)境。

4 充填優(yōu)化與礦柱協(xié)同開采效果

銅坑礦92號(hào)礦體主要開采區(qū)域采取全尾砂膠結(jié)充填，生產(chǎn)實(shí)際中最大效率地利用目前充填系統(tǒng)，根據(jù)充填實(shí)施情況布局回采單元，實(shí)行空區(qū)治理與礦柱協(xié)同開采。通過優(yōu)化充填順序與充填體結(jié)構(gòu)，應(yīng)力狀態(tài)得到有效改善，并有效抑制了巖體位移，實(shí)行礦山環(huán)境的保護(hù)。

圖2 優(yōu)化充填的四盤區(qū)南北剖面最大主應(yīng)力云圖

為了利于充填體穩(wěn)定性和周圍礦柱回采，除了優(yōu)化充填和回采順序，對(duì)具體采區(qū)充填設(shè)計(jì)合理的充填體結(jié)構(gòu)?；诔涮铙w承載機(jī)理研究成果，對(duì)充填順序及充填體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。當(dāng)采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法，以及回采礦房充填后需要對(duì)礦柱進(jìn)行回采，因此四、六盤區(qū)等采場(chǎng)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求達(dá)到2.0～2.5 MPa。

根據(jù)采空區(qū)由下往上，對(duì)充填體的強(qiáng)度要求也不同，通過合理分配充填體強(qiáng)度要求，從而滿足采空區(qū)充填體整體的強(qiáng)度要求。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果顯示，灰砂比1∶6、濃度 72% 時(shí)，充填體強(qiáng)度值較高。為了便于頂?shù)字幕厥?，空區(qū)底部和最上方的充填體灰砂比設(shè)計(jì)為1∶4；為節(jié)約成本，厚大的充填體中間部分灰砂比降低至1∶8，可以滿足充填體自立和礦柱回采的要求。各分層灰砂比、分層高度如圖3所示。

近年來，通過優(yōu)化充填順序，有效實(shí)現(xiàn)了地壓控制。對(duì)充填治理前后巖移和地壓活動(dòng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采取優(yōu)化方案進(jìn)行采空區(qū)充填后，地壓活動(dòng)趨向緩和，實(shí)際效果與理論分析基本一致。

對(duì)地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，至2020年地表塌陷區(qū)“三帶”范圍在緩慢向外發(fā)展。位于崩落區(qū)邊部的自北向南布置測(cè)點(diǎn)1?！?＃點(diǎn)的位移變化情況如圖4所示，結(jié)果顯示，通過在井下關(guān)鍵區(qū)域采取膠結(jié)充填，同時(shí)在地表結(jié)合煙氣治理工程用廢石等對(duì)塌陷坑進(jìn)行回填后，采區(qū)地壓活動(dòng)情況得到了緩和，2020年以來整體上相關(guān)區(qū)域趨向穩(wěn)定。

圖3 采空區(qū)分層充填結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 地表沉降監(jiān)測(cè)1＃～8＃測(cè)點(diǎn)下沉曲線圖

銅坑礦近年來加強(qiáng)了全尾砂膠結(jié)系統(tǒng)建設(shè)，進(jìn)行了全尾砂充填相關(guān)研究［7］，完善了膠結(jié)充填系統(tǒng)，年充填能力達(dá)30萬m3以上［8］，從而為實(shí)施充填順序優(yōu)化和礦柱協(xié)同開采創(chuàng)造了條件。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)前期未充分充填的采空區(qū)，利用塊石膠結(jié)和全尾砂膠結(jié)充填，對(duì)采空區(qū)實(shí)施有序治理。92號(hào)礦體后期逐漸過渡到充填法開采，在回采四、六盤區(qū)北部礦塊及201＃線等礦柱過程中，取得良好的地壓控制效果，實(shí)現(xiàn)了大量礦石資源的安全高效回收。

5 結(jié) 論

鑒于崩落轉(zhuǎn)充填過渡期礦山開采條件的復(fù)雜性，為確保生產(chǎn)正常進(jìn)行，銅坑礦對(duì)采空區(qū)進(jìn)行優(yōu)化充填治理。通過對(duì)關(guān)鍵區(qū)段回采與充填步驟進(jìn)行模擬分析，研究合理的回采順序與最優(yōu)充填方案，對(duì)92號(hào)礦體關(guān)鍵區(qū)段優(yōu)先采用膠結(jié)充填，并采取優(yōu)化的充填體結(jié)構(gòu)，提高了盤區(qū)礦柱整體穩(wěn)定性，有效抑制大范圍頂板巖層的位移?；诘V山實(shí)際條件，將礦塊回采布局與充填能力匹配，實(shí)施優(yōu)化充填與高應(yīng)力礦柱協(xié)同開采，在充填能力有限的情況下，解決了承壓礦柱開采的技術(shù)難題，大大降低了礦山膠結(jié)充填成本，為礦山可持續(xù)發(fā)展提供保障。通過該項(xiàng)技術(shù)研究和礦山實(shí)踐與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多金屬礦石資源的科學(xué)合理開發(fā)利用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與安全環(huán)保效果。