劉 慧 趙麗軍 郝顯福，3 王忠泉，3

（1.西北礦冶研究院，甘肅白銀730900；2.甘肅廠壩有色金屬有限公司廠壩鉛鋅礦，甘肅隴南742500；3.甘肅省深井高效開采與災(zāi)變控制工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅白銀730900）

鋅礦資源是制造業(yè)的重要基礎(chǔ)原料，隨著易于開采的優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源日漸枯竭，礦產(chǎn)資源開采除了繼續(xù)向地層深部發(fā)展外，淺部殘礦資源的回收利用也得到越來越多的關(guān)注。由于井下殘礦回采安全性差、開采技術(shù)條件復(fù)雜，殘礦資源回收常常面臨諸多安全和技術(shù)難題［1-3］。因此，開展復(fù)雜開采環(huán)境下滯留殘礦的安全高效回收技術(shù)研究，為充分回收殘礦資源、提高礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益以及延長礦山服務(wù)年限開辟了一條重要途徑。然而，由于井下滯留殘礦資源的開采技術(shù)條件極為復(fù)雜，制約因素眾多，必須在充分考慮其特殊開采條件的前提下，經(jīng)過科學(xué)論證，并采取相應(yīng)的安全技術(shù)對(duì)策，方能確保殘礦資源安全回收［4-5］。近年來，大量學(xué)者針對(duì)殘礦資源的類型特征及穩(wěn)定性開展了一系列研究，姜立春等［6］基于某礦山殘礦回采工程探究了典型殘礦回采結(jié)構(gòu)模型，對(duì)模型穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)；李寧等［7］通過正交試驗(yàn)，對(duì)某礦床采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，研究表明，采場穩(wěn)定性的主要影響因素為礦房回采長度，其次是采場高度，采場寬度對(duì)采場穩(wěn)定性影響最??；馬姣陽等［8］通過力系平衡原理，確定了臨界冒落跨度、冒落高度，應(yīng)用了多分段與底部雙塹溝協(xié)同拉底的誘導(dǎo)冒落法回采技術(shù)回收了柏杖子金礦的殘礦資源。上述研究為復(fù)雜環(huán)境下滯留殘礦資源的穩(wěn)定性分級(jí)與回收方案制定提供了理論依據(jù)，但對(duì)于復(fù)雜滯留殘礦回收的研究較為薄弱。

本研究通過環(huán)鏡復(fù)雜性評(píng)價(jià)、礦巖物理力學(xué)特性測試、殘礦資源穩(wěn)定性理論計(jì)算，對(duì)廠壩鉛鋅礦井下滯留殘礦資源的綜合開采技術(shù)條件進(jìn)行全面分析；利用拱形理論、簡支梁理論建立多種殘礦回收采場理論計(jì)算模型，確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)；以開采技術(shù)條件及現(xiàn)有工程為基礎(chǔ)，提出3 種殘礦回收方案，通過方案優(yōu)化，論證下盤脈外深孔鑿巖分層爆破回采方案的技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)合理性；結(jié)合采礦環(huán)境再造理念，對(duì)殘采區(qū)域的底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行采礦環(huán)境再造，并確定合理的底部結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過上述研究，論證本研究方案應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下井下滯留殘礦資源回收的可行性，為進(jìn)一步解決目前礦山的回采安全性問題，釋放大量優(yōu)質(zhì)殘礦資源，提高殘礦資源開發(fā)利用的總體技術(shù)水平，增加礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，減少優(yōu)質(zhì)資源流失提供有益參考。

1 工程背景

廠壩鉛鋅礦是禮縣柞水成礦帶西成礦田中的一個(gè)大型鉛鋅礦區(qū)，主要開采區(qū)域由廠壩、李家溝、東邊坡、小廠壩等4個(gè)礦區(qū)組成。礦床成因類型為沉積變質(zhì)型，屬典型的層控礦床。由于受多年民（群）采、盜采和無序開采的影響，該礦山小廠壩礦區(qū)900 m 中段以上殘留了大量高品位礦石。受開采技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件限制，廠壩鉛鋅礦一直未實(shí)施小廠壩礦區(qū)殘礦回收工作，致使該部分礦產(chǎn)資源滯留距今至少10 a，滯留礦量達(dá)100萬t以上。近年來，面對(duì)生產(chǎn)任務(wù)重、易采資源日漸枯竭等問題，礦山為緩解生產(chǎn)壓力，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益，遂將小廠壩礦區(qū)殘礦資源回收納為重點(diǎn)項(xiàng)目。由于900 m 中段以上滯留殘礦的賦存特點(diǎn)且開采環(huán)境各不相同，因此需要有針對(duì)性地制定不同的殘礦回收技術(shù)方案。通過現(xiàn)場調(diào)研，900 m 中段I#礦體65#～71#勘探線區(qū)域殘留礦體厚大，開拓、運(yùn)輸、通風(fēng)等工程條件較良好，空區(qū)賦存狀態(tài)也相對(duì)明晰，所以選取該區(qū)域的滯留礦體作為首次回采對(duì)象。通過該區(qū)域回采，為其他區(qū)域回采奠定基礎(chǔ)，并指導(dǎo)其他區(qū)域的殘礦回收工作。

2 殘礦回收區(qū)域開采環(huán)鏡復(fù)雜性分析

小廠壩礦區(qū)900 m 中段65#～71#勘探線區(qū)域的殘礦資源由于滯留時(shí)間長，開采環(huán)境變得極其復(fù)雜。主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）從空間位置上看，該區(qū)域殘礦位于礦山四大礦區(qū)中心位置，其上部礦區(qū)正在正常回采，下部礦區(qū)已經(jīng)采空，左右兩面礦區(qū)都有采礦作業(yè)，該區(qū)域處在一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)空間應(yīng)力場中，回收該部分殘礦與周圍礦區(qū)采礦安全之間相互影響關(guān)系極大，如圖1所示。

（2）從開采結(jié)構(gòu)上看，殘礦回收區(qū)域是由礦柱—頂板組成的空?qǐng)鋈航Y(jié)構(gòu)，受長期擱置、周圍采動(dòng)、水害侵蝕等因素影響，部分承載礦柱已垮塌，開采結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性已大大減弱，回采工程施工難度極大。

（3）從開采環(huán)境上看，受多年濫采亂挖影響，殘礦二次開采環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞；同時(shí)由于滯留時(shí)間長，蠕變效應(yīng)明顯，空區(qū)周圍的礦巖強(qiáng)度隨著外荷載作用時(shí)間的延長而降低，降低了巖體工程的穩(wěn)定性；加之不明空區(qū)、水患的影響，極大增加了殘礦回收工作的不確定性。

因此，小廠壩礦區(qū)65#～71#勘探線的殘礦資源處于一個(gè)綜合復(fù)雜的多維系統(tǒng)中，回收該部分資源具有安全隱患大、技術(shù)難度大、采礦風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)。

3 殘礦回收區(qū)域理論計(jì)算

3.1 礦巖物理力學(xué)特性

小廠壩鉛鋅礦床賦存在堅(jiān)硬、半堅(jiān)硬的碳酸鹽巖及碎屑巖層中。礦區(qū)位于岷縣復(fù)背斜吳家山背斜北翼的次級(jí)褶皺王家山向斜南翼，出露地層主要為中泥盆統(tǒng)安家岔組（D2a）（廠壩礦床為西漢水群D2x2a-2b）和少量下泥盆統(tǒng)吳家山組（D2w2），區(qū)內(nèi)巖性以大理巖、黑云方解石英片巖為主，夾石英巖等。殘采區(qū)域礦體位于礦床南部，該礦體具有中等—大規(guī)模、厚度較大、傾角50°～80°、品位較高等特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)圍巖蝕變作用較弱，僅在局部地段有較強(qiáng)的絹云母化。礦巖物理力學(xué)性質(zhì)及參數(shù)見表1［9］。

?

式中，B 為采場極限跨度，m；σt為采場頂板巖層中最大拉應(yīng)力，MPa；r為覆蓋巖層密度，g/cm3；H 為開采深度，m。

該殘礦區(qū)域采場頂板為礦石，根據(jù)小廠壩礦區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果，其抗拉強(qiáng)度為9.62 MPa，巖石密度為2.73 g/cm3，區(qū)域開采深度達(dá)700 m。經(jīng)式（1）計(jì)算：采場極限跨度B＝99.29 m。顧及到礦區(qū)礦巖性質(zhì)及結(jié)構(gòu)面的影響，為確保采場安全性，實(shí)際采場跨度為理論值的50%～60%，本研究取60%，計(jì)算出的礦房跨度為59.57 m，取整確定采場跨度為60 m。

3.2 礦柱及采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性理論計(jì)算

3.2.1 礦房極限跨度確定

3.2.1.1 拱形理論

頂板整體冒落形式屬于拱冒形，為保證回采期間頂板具有良好的穩(wěn)定性，采場頂板尺寸確定須滿足“頂板中拉應(yīng)力、壓應(yīng)力不超出巖石強(qiáng)度范圍”的要求［9-13］。采場礦房極限跨度可進(jìn)行如下計(jì)算

3.2.1.2 簡支梁理論

采場頂板可假設(shè)為兩端簡支梁（圖2）［17］，沿梁中性軸上、下表面上任意一點(diǎn)的應(yīng)力為

式中，α 為礦體傾角，（°）；L 為沿梁跨度，m；h 為沿梁高度，m；γ為巖體容重，×104N/m3。

最大拉應(yīng)力發(fā)生在沿梁中性軸的下表面，最大拉應(yīng)力為

因此，頂板傾向的最大允許跨度為

頂板沿走向的最大跨度為

目前，小廠壩礦區(qū)采場頂板厚度為6～12 m，當(dāng)頂板厚度取6 m 時(shí)，采場極限跨度為54 m，由于殘采區(qū)域現(xiàn)場實(shí)際情況復(fù)雜且區(qū)域巖體滯留時(shí)間較長、應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，巖體存在一定程度弱化，考慮到殘采區(qū)域作業(yè)安全性，本研究計(jì)算中頂板厚度取值為12 m，通過計(jì)算得出L=75.1 m。為進(jìn)一步確保采場安全性，取安全系數(shù)0.8，得出采場極限跨度為60 m。

3.2.2 間柱參數(shù)合理取值

空?qǐng)龇ú傻V中間柱尺寸的合理選擇對(duì)于限定頂板暴露面積、維護(hù)采場穩(wěn)定起主導(dǎo)作用［9，14-17］。假設(shè)空?qǐng)龇ú蓤龅V房和間柱的跨度分別為Wo和Wp，采用間柱穩(wěn)定性面積分析法進(jìn)行討論，則間柱所受的平均應(yīng)力可進(jìn)行如下計(jì)算：

式中，δp為間柱軸向平均應(yīng)力，MPa；Pz為礦房開采前應(yīng)力場的垂直正應(yīng)力分量，MPa。

空?qǐng)龇ㄩ_采面積采出比的計(jì)算公式為

將式（6）代入式（7）中，可得：

由式（8）可見，可由礦柱尺寸和作用于平行礦柱軸線上采礦前法向正應(yīng)力計(jì)算得到礦柱平均軸向應(yīng)力，而礦柱的平均軸向應(yīng)力由面積采出比確定。當(dāng)?shù)V體厚大、規(guī)整時(shí)，面積采出比與礦柱跨度采出比相同。根據(jù)“無支護(hù)開采采用面積采出比0.75”［17］的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合老采空區(qū)空?qǐng)雠c礦柱跨度比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.75 而長期保持穩(wěn)定的條件，本研究選擇礦房與礦柱跨度比3:1 進(jìn)行礦柱跨度設(shè)計(jì)，即礦柱寬度為20 m。

綜上所述：殘采區(qū)域采場極限跨度計(jì)算值為60 m，由于偷采造成局部礦體成“樓板”狀態(tài)，造成采場跨度60 m 位置處間柱無法形成，或成“X”形狀，無法形成有效間柱。通過現(xiàn)場調(diào)研空區(qū)的賦存狀態(tài)，90 m 位置處（69#勘探線）可留有效間柱，留置間柱寬度為20 m，由于65#勘探線穿脈巷道為中段主要運(yùn)輸巷道，需永久保留，故在實(shí)際采礦過程中對(duì)65#勘探線處間柱進(jìn)行了加寬，確定間柱寬度為30 m，進(jìn)而65#～69#勘探線實(shí)際采場跨度約為60 m，頂板厚度為12 m。另外，目前礦山正在進(jìn)行充填系統(tǒng)建設(shè)，該部分礦柱資源可待充填系統(tǒng)建成后進(jìn)行進(jìn)一步回采，以提高礦產(chǎn)資源回采率和經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)礦山持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

4 殘礦回收方案研究

殘礦回收只需在利用原有采礦工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行，可以投入較少的工程量，使采礦成本大幅降低；同時(shí)要結(jié)合殘礦形態(tài)及賦存條件提出經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行的殘礦回采方案。通過分析小廠壩礦區(qū)65#～71#勘探線區(qū)域的殘礦地質(zhì)條件及現(xiàn)有的工程基礎(chǔ)，本研究提出了3 種回收方案，即間柱內(nèi)深孔鑿巖分層爆破回采方案（方案一）、上下盤脈外深孔鑿巖分層爆破回采方案（方案二）和下盤脈外深孔鑿巖分層爆破回采方案（方案三）。

（1）間柱內(nèi)深孔鑿巖分層爆破回采方案（方案一）。在殘礦體下盤各分層掘進(jìn)脈外巷道，下盤各分層脈外巷道通過斜坡道連接；垂直于礦體走向方向，在間柱內(nèi)掘進(jìn)分層鑿巖巷道，在礦房兩側(cè)的間柱鑿巖巷道向礦房內(nèi)鉆取扇形深孔，利用深孔爆破對(duì)礦房內(nèi)的礦石進(jìn)行回采。礦房回收方式見圖3。

（2）上下盤脈外深孔鑿巖分層爆破回采方案（方案二）。在殘礦體上下盤各分層掘進(jìn)脈外巷道，各分層脈外巷道通過斜坡道連接；垂直于礦體走向方向，在分層脈外巷道內(nèi)通過深孔鉆機(jī)鉆取扇形孔，通過深孔爆破回采礦房。礦房回收方式見圖4。

（3）下盤脈外深孔鑿巖分層爆破回采方案（方案三）。在殘礦體下盤各分層掘進(jìn)脈外巷道，各分層脈外巷道通過斜坡道連接；垂直于礦體走向方向，910 m以上各分層在脈外鑿巖巷道內(nèi)通過深孔鉆機(jī)鉆取扇形孔，通過深孔爆破回采礦房。礦房回收方式見圖5。

以上3 種回采方案都可以有效回收65#～71#勘探線區(qū)域的殘礦資源，但考慮到殘礦回采區(qū)域內(nèi)遺留下大量空區(qū)和“樓板”，且遺留下來的間柱不規(guī)范，在間柱內(nèi)進(jìn)行鑿巖爆破條件不成熟，存在安全隱患，無法滿足方案一的施工要求，因此不推薦方案一；方案二和方案三都是在礦體外圍的圍巖中作業(yè)，安全上可靠，但方案二是在礦體上下盤脈外巷道鑿巖，與方案三對(duì)比，方案二掘進(jìn)工程量增加一倍，投入的工程量較大，且礦體上盤脈外巷道較下盤脈外巷道應(yīng)力環(huán)境高，上盤脈外巷道需要采取必要的支護(hù)措施，而方案三中鑿巖巷道全部位于礦體下盤，巷道相對(duì)穩(wěn)定，但其缺點(diǎn)是鑿巖的深孔較深，對(duì)鑿巖鉆機(jī)的要求較高，但從安全、工程投入等方面綜合考慮，方案三優(yōu)于方案二。綜上分析：65#～71#勘探線殘礦回收時(shí)推薦采用方案三，即下盤脈外深孔鑿巖分層爆破回采方案。

5 殘采礦體采準(zhǔn)工程環(huán)境改造

5.1 采準(zhǔn)工程改造的必要性

隨著淺表資源消耗殆盡，資源開采不斷向深部發(fā)展，深部巖石所處的環(huán)境具有高圍壓、高溫度和高空隙壓力的特點(diǎn)，并具有極強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng)，使得深部巖石的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性和工程響應(yīng)發(fā)生了根本性變化，因而難以根據(jù)淺部開采條件下的地質(zhì)作用特征和地壓顯現(xiàn)規(guī)律來準(zhǔn)確推斷深部開采的地質(zhì)狀況。故而有必要大力提倡“非傳統(tǒng)采礦”理念，“采礦環(huán)境再造”理論無疑是采礦技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展的源動(dòng)力［18-21］。

本研究殘礦回收工程所涉及的采礦環(huán)境再造技術(shù)主要為采準(zhǔn)環(huán)境再造。由于65#～71#勘探線區(qū)域殘采地段沒有底部結(jié)構(gòu)、區(qū)域暴露面積較大，導(dǎo)致工人在沒有任何防范措施的條件下作業(yè)，因此回采安全性沒有保障，故在900 m 中段的基礎(chǔ)上，再造底部結(jié)構(gòu)，既可提高出礦效率，又能確保回采安全。

5.2 采準(zhǔn)工程環(huán)境再造

5.2.1 采準(zhǔn)工程環(huán)境再造方式

根據(jù)目前該區(qū)域的礦體賦存情況，有兩種底部結(jié)構(gòu)再造方式可供選擇：①902 m 水平采用再造鋼筋混凝土人工底部結(jié)構(gòu)；②902 m 水平以下重新布置底部結(jié)構(gòu)。

902 m 水平采空區(qū)范圍較大、滯留時(shí)間長，若采用鋼筋混凝土人工底部結(jié)構(gòu)，存在工程量大、施工安全條件差、勞動(dòng)強(qiáng)度高、施工周期長及構(gòu)筑成本高等突出不足。而902 m 水平以下重新布置底部結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)：①902 m 水平以下礦體保存完整，未進(jìn)行回采；②850 m 中段具備礦石運(yùn)輸條件，只需要實(shí)施相關(guān)溜井工程既可；③通過溜井與振動(dòng)放礦機(jī)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)礦石的連續(xù)開采?？梢姡x擇在902 m水平以下再造底部結(jié)構(gòu)較為適宜。

5.2.2 底部結(jié)構(gòu)型式確定

小廠壩礦區(qū)礦石圍巖以黑云母石英片巖、大理巖、白云石大理巖為主，巖石較完整，坑道成形，工程地質(zhì)條件良好，殘采區(qū)域礦體厚大，采準(zhǔn)工程宜垂直于礦體走向布置。目前采場出礦設(shè)備為鏟運(yùn)機(jī)，礦山采用分段鑿巖階段空?qǐng)龇ɑ夭珊翊蟮V體時(shí)均采用了塹溝底部結(jié)構(gòu)出礦，工人和技術(shù)人員對(duì)該結(jié)構(gòu)的出礦方式均已熟練掌握，現(xiàn)場操作簡單易行。因此，底部結(jié)構(gòu)型式宜采用垂直于礦體走向方向的塹溝底部結(jié)構(gòu)。

5.2.3 底部結(jié)構(gòu)布置參數(shù)確定

一般礦山底部結(jié)構(gòu)高度為8～15 m，目前廠壩礦區(qū)采用的底部結(jié)構(gòu)高度為10 m，李家溝礦區(qū)底部結(jié)構(gòu)高度為12 m。實(shí)踐證明，兩個(gè)礦區(qū)底部結(jié)構(gòu)高度取值較為合理?？紤]到本研究殘采區(qū)域礦體埋藏相對(duì)較深，加之910 m 水平以上殘留礦體回采過程中礦石落礦對(duì)底部結(jié)構(gòu)的沖擊較頻繁，所以適當(dāng)增加底部結(jié)構(gòu)高度，選取高度值為14 m，即在888 m 水平布置底部結(jié)構(gòu)工程。

塹溝底部結(jié)構(gòu)工程主要包括受礦巷道（塹溝巷道）、出礦巷道、出礦短穿及塹溝。巷道斷面尺寸均選取為2.8 m×2.8 m，1/3B圓弧拱（B為巷道寬度）；塹溝巷道與出礦巷道間隔布置，間距取12～15 m；出礦短穿連接塹溝巷道與出礦巷道，與出礦巷道呈45°角，間距8 m。具體布置形式如圖6所示。

塹溝角度的確定需結(jié)合松散礦石自然安息角及其他多種因素綜合考慮，殘采區(qū)域的松散礦石安息角為39°～41°，最終確定的塹溝斜面角度為47°。

經(jīng)過2 a 左右的殘礦回收工作，該區(qū)域已采出礦石達(dá)10 萬t 采出Pb+Zn 礦石品位7%，貧化率為24.7%，損失率為14.3%。同時(shí)對(duì)該區(qū)域主要區(qū)域及工程進(jìn)行了地壓監(jiān)測，在礦房回采結(jié)束后1 a 左右的時(shí)間內(nèi)，預(yù)留頂柱和間柱沒有發(fā)現(xiàn)局部冒落、片幫、裂縫或剝落等現(xiàn)象，主要工程設(shè)施完好，達(dá)到了預(yù)期效果。實(shí)踐表明該殘礦回收方案技術(shù)可行、參數(shù)確定科學(xué)合理，可供同類型礦山借鑒。

6 結(jié) 論

（1）小廠壩礦區(qū)殘礦回收區(qū)域滯留時(shí)間距今10 a以上，滯留時(shí)間較長；殘礦回采區(qū)域處于中深部開采環(huán)境，地下采場地應(yīng)力大；區(qū)域巖體在采動(dòng)影響下處于循環(huán)加載的應(yīng)力環(huán)境中，回采區(qū)域殘礦礦巖體具有復(fù)雜的蠕變性；殘礦處于復(fù)雜的開采環(huán)境中，對(duì)回采造成了一定的影響。

（2）基于理論計(jì)算對(duì)該區(qū)域采場結(jié)構(gòu)參數(shù)取值進(jìn)行了優(yōu)化，確定的采場極限跨度為60 m，確定間柱寬度為20 m，頂柱厚度為12 m。

（3）以開采技術(shù)條件及現(xiàn)有工程為基礎(chǔ)，提出并優(yōu)化論證了下盤脈外深孔鑿巖分層爆破回采方案的技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)合理性。

（4）針對(duì)回采區(qū)域902 m 水平不能進(jìn)行正常的采準(zhǔn)工程布置，無法形成正常的底部受礦通道（底部結(jié)構(gòu)）的情況，結(jié)合“采礦環(huán)境再造”理念，對(duì)殘采區(qū)域的底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了采礦環(huán)境再造，分析了902 m 水平以下再造底部結(jié)構(gòu)的可行性，并確定了在888 m 水平再造底部結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)型式采用垂直于礦體走向的塹溝，塹溝斜面角度為47°。