深部铜矿盲矿体回收与采空区处理方案

高志荣张　亭李军民赵　云

（1.西北矿冶研究院，甘肃白银，730900；2.白银有色集团股份有限公司深部矿业公司，甘肃白银，730900）

1　项目背景

深部矿业公司结合折腰山矿区西部矿床的地质特征、矿体赋存规律，以及围岩蚀变特征，在2、3号主矿体下盘沿脉巷以北148 m处发现一处高品位盲矿体。矿方在1 573 m水平沿975行线开掘运输巷，利用浅孔留矿法对矿体进行了回采，已回采至1 585 m水平。根据回采情况及矿体赋存状态，该矿体有进一步增大的可能。

2　盲矿体开采简介

2.1　矿体赋存特征

盲矿体主要为浸染状铜矿，赋存于石英角斑凝灰岩中，呈中厚或厚层状产出，硬度系数f=8～10，颜色呈灰色、灰褐色和绿色，矿石中金属矿物主要为黄铁矿和黄铜矿。

根据地质勘探报告，结合回采情况，初步推断矿体赋存于西部采区960～1 000行勘探线1 585～1 475 m标高，走向NW75°，倾向SW，倾角70°～75°，平均厚度6 m，走向长36 m，倾向延深110 m。

2.2　上下盘围岩性质

盲矿体上下盘围岩均为石英角斑凝灰岩，硬度系数f=8～10，与矿石硬度系数相当，片理构造非常发育。围岩与矿体的界线呈渐变关系，走向同矿体走向近似平行。矿岩总体稳固性均属于中上等稳固水平。

2.3　采空区赋存状态

矿方利用浅孔留矿法将1 573 m水平以上部分矿体进行了回收，在1 573～1 585 m标高之间形成面积约408 m2的采空区，中部留有一个长15.4 m，宽2.5 m的间柱。

后期由于采空区北部和南部围岩矿化带内仍有一定品位，存在利用价值，故沿采空区边界又对部分矿化带进行了回收，同时对中部遗留的间柱也进行了回收，致使采空区面积扩大至557 m2，采空区赋存状态见图1。

根据盲矿体赋存状态及勘探线剖面图，1 535 m（三中段）以上全部回采结束后，将形成21 650 m3的采空区。

2.4　资源/储量

根据《盲矿体地质勘探总结报告》，结合1 573 m水平的回采情况，推断1 535 m（三中段）以上保有地质储量约为5.97万t，平均品位1.04%，铜金属量620.40 t。

3　总体方案

盲矿体的开采对完成产量任务、提高出矿品位具有重要意义，同时盲矿体位于运输巷道的下盘，其开采势必影响矿山安全。为此，制定总体方案时既要充分回收矿产资源，又要保证采矿活动的安全，将盲矿体开采造成的影响降到最小。

基于以上原则，本次在制定盲矿体回采方案的同时，通过理论计算分析，制定了采空区处理方案。

3.1　盲矿体回收方案

根据矿体赋存状况，结合开采技术条件和回收原则，盲矿体回收总体方案为分层中孔凿岩落矿、底部堑沟集中出矿[1]。

根据主矿体分层划分原则，将盲矿体划分为1 561 m、1 548 m和1 535 m 3个分层。1 561 m和1 548 m分层采用由东向西中深孔后退式回采[1]，落矿后本分层只运出一部分，其余留在采场，在1 535 m中段通过底部堑沟集中运出。1 535 m中段设计堑沟式底部结构，集中出矿，由东向西后退式回采。3个分层回采时形成正台阶，各台阶相距3～6 m。

3.2　采空区处理方案

采空区处理的实质是缓和岩体应力集中的程度，转移应力集中的部位，或使应力达到新的相对平衡，以达到控制和管理地压[2]的目的。

盲矿体1535m水平以上回采后将形成21 650 m3的采空区，采空区的存在，破坏了岩体的静态平衡，使空区周围的岩体应力产生变化，影响采矿活动安全[3]。根据盲矿体回采后形成的采空区赋存状态，结合硐室爆破处理地下矿山采空区的特点，经论证推荐该矿体采空区处理方案为硐室爆破强制崩落上盘围岩[4]。

在1 573 m分层的上盘位置，开掘一联络道与爆破硐室相连，1 535 m以上矿体全部采完后，在硐室内装一定数量的炸药同时起爆。单个硐室爆破崩落散体量约5 000～8 000 m3，根据采空区赋存大小，取废石缓冲垫层为采空区高度的1/3，约需要散体岩量6 850 m3，因此，只需一个爆破硐室就可满足采空区处理的要求。

4　盲矿体采场结构参数计算

4.1　顶柱安全厚度

假定采空区顶板是两端固定的板梁[5]，计算时将其简化为平面结构力学问题，并取单位宽度进行计算。

最大弯矩Mmax出现在两固定端，大小为：

根据力学模型得到弯矩支应力大小为：

式中,Mmax为弯矩，N·m；q为外界均布载荷，kN/m2；Ln为空区跨度，取29.43 m；p为梁自重均布载荷，kN/m2；W为阻力矩，N·m；b为梁宽，m；h为空区顶板厚度，m。

顶柱安全厚度h推导计算公式为：

计算得：h≥5.50 m，即顶柱安全厚度为5.5 m。

4.2　顶板最大允许跨度

（1）岩体与岩石之间换算的折减系数K可由下式确定。

式中，Kr为岩体完整性系数，取0.6；a为系数，取0.02；t为空区暴露时间，取1。

计算得：K=0.588。

（2）顶板极限跨度计算。利用模型法计算顶板跨度。

式中，γ为上覆岩层容重，N/m3；H为上覆岩层厚度，m；lmax为空区跨度，m；σc为顶板岩体的抗拉强度，MPa。

考虑上覆岩层高度H对拉应力集中系数k的影响[6]，令，式中，H=170 m，k=70，γ=26 460 N/m3，σc=K×7.64 MPa=4.49 MPa。

计算得：lmax=48.08 m，顶板最大允许跨度为48 m。

4.3　采场矿柱宽度

采场矿柱宽度Hn为：

式中，A为矿房宽度，m；H为上覆岩层厚度，m；σ为矿柱抗压极限强度，MPa；k为安全系数，k＝1.2～3；h为矿体厚度，m；γ为上覆岩石密度，t/m3；γ1为矿石密度，t/m3。

计算得：Hn=5.76 m，确定采场矿柱宽度为6 m。

综上所述，盲矿体1 535 m中段以上规模较小，矿体走向长度小于最大允许跨度48 m，空区顶部和四周均为实体，围岩稳固性较好，故不留顶柱和间柱。

5　工程设计

5.1　盲矿体回收工程设计

盲矿体回收工程设计主要针对1 535 m中段以上，其中1 573 m水平已经回采结束，1 561 m水平3条凿岩巷道也已全部施工完成，本次只对1 548 m和1 535 m水平工程进行设计。

（1）1 561 m水平分层。施工了3条东西向凿岩巷道，规格为3.0 m×3.0 m三心拱。在中间巷道最东部施工1条切割天井，规格为2.0 m×3.0 m方型，其下部为切割平巷。凿岩巷道内采用垂直上向中深孔，排距为1.2m，孔底距为1.8～2.2 m，边孔角45°，3条凿岩巷道采幅分别为6.5、10和8.1 m。

（2）1 548 m水平分层。在矿体下盘施工1条凿岩巷道，规格为3.0 m×3.0 m三心拱，在矿体东部施工1条切割平巷，规格为3.0 m×3.0 m三心拱，在切割平巷南段布置1条切割天井，规格为2.0 m×3.0 m方型，形成宽度为9.0 m切割槽，后在凿岩巷道内布置垂直上向中深孔，排距为1.2 m，孔底距为1.8～2.2 m，边孔角5°，采幅为20 m。具体见图2。

（3）1 535 m中段。本水平为底部结构，从原火药库西北角施工1条运输平巷至1 000行线，沿此行线方向向北施工至矿体。在矿体内及下盘位置分别施工1条凿岩巷道和1条脉外运输巷，2条巷道相距10 m，在凿岩巷道和脉外运输巷之间以45°方向施工出矿横巷使之贯通，出矿横巷间距8 m。在凿岩巷道东部施工切割平巷，在切割平巷南端施工切割天井，规格为2.0 m×3.0 m方型，巷道规格均为3.0 m×3.0 m三心拱。

切割槽宽度约6 m，凿岩巷道内布置垂直上向中深孔，排距为1.2 m，孔底距为1.8～2.2 m，边孔角45°，采幅约16.1 m。具体见图3。

5.2　采空区处理工程设计

根据采空区处理方案，在1 573 m水平运输巷道旁，距采空区约18 m处布置1个爆破硐室，规格为2.0 m×2.0 m×2.0 m，通过硐室外联络道、硐室平巷与运输巷相连，具体见图4、图5。

6　投资估算及效益分析

本次工程包括1 548 m水平、1 535 m水平采准工程和1 573 m水平采空区处理工程，共计3 094 m3，预计工程投入124万元。

本方案共回收1 535 m中段以上矿石7.67万t（包括1 573 m水平采空区内遗留的1.7万t），平均品位1.04%，贫化率、损失率按8%和10%计算，可采出矿石量7.50万t，采出品位0.96%，潜在经济价值1 705万元。

7　结　语

针对盲矿体和采空区的赋存状态，制定了矿体回收和空区处理的总体方案，根据理论计算、分析，科学、合理的设计了盲矿体回收工程和采空区处理工程，通过投资估算和效益分析，开采盲矿体具有较好的经济效益。