空场采矿法间柱与顶柱回收方法应用

空场采矿法间柱与顶柱回收方法应用

王伟

巴彦淖尔西部铜业有限公司内蒙古巴彦淖尔市015000

摘要：结合采空区处理，研究了剩余矿柱的回收方法。根据安全、简便、回收率高的原则，对矿柱的回收进行了设计和施工。通过综合分析论证，精心设计施工，回收了剩余矿柱，消除了采空区隐患。

关键词：空场采矿法；采场；矿柱回收

研究空场采矿法采场的矿柱回收，不仅能够提高资源利用的回收率，同时也为企业带来了经济和社会效益。能够更好地提升该项工作的实际水平，优化其最终效果。

一、影响矿柱强度的因素

研究人员所提的矿柱强度公式，大多是考虑完整的矿体。但是一个天然的矿体，从宏观上来说，它是由节理或裂隙切割成一块一块的、互相排列与咬合着的矿块所组成。矿体中往往具有明显的地质遗迹，由于节理的存在，造成了介质的不连续性，这些界面就是所谓的结构面。由于矿体中结构面的存在，使矿体与矿块的力学特性之间有很大的差异。节理矿体的强度是小于矿块的强度的。

1.矿石的性质。由于矿石本身的密度、矿物组分、结晶程度、颗粒大小及胶结物的种类不同，各种矿石的强度甚至同一种矿石的强度都不相同。如对于同一种矿石，一般随密度的增大而增大。矿柱强度一般也是随矿石的密度的增大而增大。

2.矿柱中的结构面。结构面与作用力之间的方位关系对矿柱强度有着很大的影响。由于结构面的存在，使得矿柱的强度低于矿块强度。通常，结构面对矿柱强度的影响主要表现为造成矿柱强度的各向异性和矿柱强度的降低。试验表明，层状矿体在单向压缩条件下，加载方向与结构面呈不同角度时，极限强度会随着夹角的不同而有规律的变化。当平行于结构面加载时，矿体的抗压强度小于垂直于结构面方向加载时的抗压强度，而抗拉强度则大于垂直于结构面方向加载时的抗拉强度。

3.矿柱强度的尺寸形状效应。矿柱强度计算是以实验室矿石强度测试值为基础数据进行的。但是，实验室矿石试样的强度变化范围很宽，这主要是由矿石材料的多变性和矿石试块的尺寸效应的多变性决定的。根据国外研究成果，同一层中各分层矿石的强度可差到6倍以上，这种多变性严重影响了矿柱强度计算的准确性，只能通过合理的取样和扩大矿石试件的样本来减小误差。

二、矿柱回收方案的确定

1.矿柱回收顺序。矿柱回收顺序存在重要的安全问题，不同的矿柱回采顺序将导致不同的回采生产安全度，对安全有效的回收矿柱矿量具有极其重要的意义。矿柱回收包括顶柱和间柱两个部分。从安全角度和施工方便出发，顶柱回收采用了放顶硐室方案，间柱则利用中深孔集中爆破的方式。而回收顺序则有以下2种方案。（1）先回收顶柱，再回收间柱。该方案是先将顶柱部分先崩落至采空的矿房，再将间柱也崩落至矿房。其回收顺序的优点是回收工艺简单，爆破网络简单，爆破效果好，一次需用炸药量小；缺点是顶柱的爆破可能会对间柱造成不同程度的破坏，对间柱的回收增加了困难，安全得不到保障。另外，顶柱崩落后，顶柱上方垮落的围岩也会将进入采空的矿房，造成矿石提前贫化，回收间柱时，崩落的矿石又会覆盖在围岩上，造成再次贫化，直接影响矿石回收质量和回采率。（2）间顶柱同时回收。即间柱和顶柱采用微差。爆破方式同时爆破回收，只是间柱爆破稍超前于顶柱部分。该方案的优点是间柱先于顶柱崩落，顶柱随着间柱的崩落而滞后崩落，顶柱上方冒落的围岩就可与覆盖废石隔离，由此减少了废石的混入，使贫化率降低，同时回收率也有所提高。缺点是爆破网络复杂，一次需用炸药量较大。综合分析以上2种回收顺序特点，认为第2种方案回收顺序比较合理，能达到生产安全可靠、矿石回采效率较高、贫化率低等要求。

2.矿柱爆破方案。根据所确定的回收顺序，间柱和顶柱回收需要大爆破，而目前矿山大爆破主要采用2种方式，即微差爆破和整体齐发爆破。（1）整体齐发爆破。对于整体齐发爆破来说，排与排之间的炮孔，在爆破过程中，药包爆轰应力波互相叠加，容易形成应力极高的爆轰应力场，使矿岩的破碎效果得到改善，这种多排同段整体爆破，爆破功有效利用率高，能减少大块产出率，同次爆破使用雷管的段数也可以大大减少。但不利方面是由于多排成组药包整体齐发爆破时，只有第一排药包的爆破具有自由面的优越条件，而后排药包的爆破则因没有自由面而受到很大的夹制作用，容易出现拒爆现象，影响爆破质量。（2）微差爆破。而微差爆破方式，不同段位炮孔的起爆是相对独立的，炮孔按顺序依次起爆，先爆炮孔为后爆炮孔创造更多的自由面，爆破应力波反射充分，从而达到充分利用炸药能量的叠加作用，使炸药用量最经济、合理，产生的爆破作业震动也最小。而当相邻炮孔的微差间隔时间选取合理时，相邻炮孔间的矿岩在移动时，还会发生相互碰撞挤压，从而保证了岩石的进一步破碎。相对而言，微差爆破方式容易保证大爆破的成功率。另从爆破有害震动比较，毫秒爆破与齐发爆破相比，爆破震动能量低50%左右，综合各方面因素，矿柱回收选用了多排同段和同排多段微差爆破技术。其矿柱回收具体爆破方案为：先爆破矿体间柱，后爆破矿体的顶柱，多排分层，毫秒微差一次点火起爆。间柱采用多排同段爆破技术，以东西两侧采空区为自由面微差爆破。顶柱采用同排多段爆破技术，以下方的采空区为自由面微差爆破。

三、回收过程中的安全技术

1.地压监测技术。矿柱的回采，会破坏岩石的应力平衡状态，岩体中应力重新分布，诱发次生应力场上部覆岩的应力向空区周围岩体转移，使围岩变形、移动和破坏，从而酿成事故。为获悉和掌握次生应力的变化情况，判断围岩的稳定性，有效防范顶板围岩冒落、塌陷等风险，应在矿柱回采过程中坚持地压监测。（1）位移监测技术。在矿柱回收过程中应进行空区顶板位移观测，目前用于位移监测的仪器主要有收敛计和位移计。收敛计主要用于采空区内部和矿柱之间尺寸变化的测量，位移计则主要用于测量洞周表面或围岩不同深度的位移。（2）应力监测技术。采空区内部和支撑结构内部的应力、围岩和支撑结构间的接触应力都需要进行监测。应力监测所使用的仪器通常是钻孔应力计或压力枕。（3）声发射监测技术。固体材料在断裂时会释放储存的能量，产生弹性波，这种现象在科学上称之为声发射。矿柱岩石在受到外力作用时所产生的裂纹及扩展，都有声发射现象，利用仪器检测声发射信号，就可以连续监测矿柱内部变化的整个过程，从而为后期的工作提供依据。

2.安全技术。（1）对采空区的处理技术。企业为控制地压，可以在采空区填充废石。为了保证矿柱回采安全，不少企业采用爆破抛掷废石，将一些“死角”区域用废石填满，可以有效提高采空区的充填率。矿柱回采作业的空间高度应控制在在2—2.5米以内，这样可以控制回采空间暴露面积。（2）矿柱回采的爆破技术。在矿柱回采实施过程中，为了加强对采矿区预留矿柱的保护，企业必须精密计算，必要时可先进行爆破试验，在保证爆破效果的同时，尽量减少炮孔深度及装药量。

总之，空场采矿法因其管理简单，出矿强度大而被广泛应用，但其矿柱的回收和采后空区处理都是一大难题，不但安全性差，而且矿柱矿量损失率高，在空区处理和矿柱回收过程中，采用多种技术，通过精心设计，使数万立方米空区得以安全处理，消除了生产安全隐患，保证了露天转地下开采的按期进行，同时回收了大量矿石。

参考文献：

[1]高丹阳.刘鑫琼，浅析空场采矿法间柱与顶柱回收方法应用.2017.

[2]王宏宇，赵庆元，浅谈空场采矿法间柱与顶柱回收方法应用.2018.