底柱是一种安全矿柱。在地下采矿阶段(或中段、分段)中，从阶段的运输巷道的顶板到本阶段采场的柱底水平之间，为安全而保留的那部分矿体(见“矿房”)。

山东黄金矿业股份有限公司新城金矿地处胶东半岛,位于莱州市金城镇境内,是一座具有采矿、选矿、冶炼综合生产能力的国家大型黄金矿山企业,设计生产能力1 250t/ d ,实际生产能力1 600t/ d。采用主竖井与斜坡道联合开拓,年产黄金达2. 8t 。随着生产的进行,顶底柱矿量不断增加,顶底柱残采矿量占全矿储量的8 % ,且矿石品位较高。充分开发和利用这部分矿产资源,对维持矿山持续稳定发展,延长服务年限具有十分重要的意义。

新城金矿是采用充填采矿法回采的地下岩金矿山,现已开拓- 10～ - 530m 等16 个中段, - 10m 以上为保安矿柱; - 30m、- 50m、- 70m、- 95m、- 120m 已闭段; - 145m 中段正在回采顶底柱; - 175m、- 205m、- 245m、- 330m、- 380m、- 430m、- 480m 为主要生产中段; - 530m 中段正在开拓。- 145m 中段以上采用有底柱上向水平分层尾砂(胶结) 充填采矿法,预留底柱5m ,顶柱2m; - 145m 中段以下采用无底柱机械化盘区上向水平分层尾砂(胶结) 充填采矿法,留顶柱3m。如果采用以往顶底柱回采方法回采,顶底柱的损失率最高达30. 8 % ,平均25 %。为此开展顶底柱回采试验研究显得很有必要。

1 　地质赋存条件

选择- 120m 底柱、- 145m 顶柱,181 线～184 线北7m 之间作为试验矿块。该矿块位于- 115m～- 122m之间;在走向上位于181 线至184 线北7m 之间,共52m; 由- 120m 中段1231、1232、1233、1234、1235、1236、1237 采场的底柱和- 145m 中段1452、1453、1454、1461、1462、1463、1464 采场的顶柱组成,矿块走向NE55°,倾向NW,倾角29°。赋存于焦家主裂面的下盘,矿体形态完整, f = 8～9 ,矿化较好,蚀变以黄铁矿化、绢云母化、硅化为主,次为绿泥石化、碳酸盐化,钾化等。矿石工业类型为贫硫银金矿石。

上盘围岩主要为构造角砾岩和碎裂花岗岩,岩石破碎, f = 4～6 ,抗剪切强度低,稳定性极差。下盘围岩主要为黄铁绢英岩化花岗闪长岩,f = 10 ,比上盘围岩抗剪切强度大,稳定性好,矿块上盘的焦家主断裂面有厚10～20cm 的断层泥,具有隔水作用,但遇水极易软化,较易冒落,很不稳固。

矿块长52m ,平均水平厚度60m ,平均高度7. 1m ,平均品位9. 53g/ t ,矿量24 182t ,金属量230. 334kg。

2 　开采技术条件

- 120m、- 145m 2 个中段采场应用有底柱上向水平分层尾砂(胶结) 充填采矿法回采。为保证顶底柱采场的顺利回采,皆已施工厚0. 5m 的钢筋混凝土假底。试验矿块内部在走向上有4 条穿脉通过,在垂直方向上有21 条天井通过,矿块上盘有回风巷通过,下盘有运输巷通过,矿块上部和下部采场均已开采完毕,已胶结充填接顶,但充填体强度不大(1～2MPa) 。

该矿块顶柱是- 145m 中段回采时预留下来的,顶柱厚一般在2. 0m 左右,沿走向每15m 有2 条充填回风天井;底柱是- 120m 回采时预留的,厚度5. 0m。内有多条上下盘泄水井,放矿漏斗,每15m 有1 条探矿穿脉及- 120m 中段运输大巷。

这些工程在顶底柱采场内错综复杂,加之上下部采场先行回采大大破坏了顶底柱矿体的完整性,给顶底柱回采带来很大的困难。

新城金矿以往的顶底柱回采应用点柱式上向水平分层尾砂充填采矿法,将底柱所在中段运输大巷起底,或自运输大巷施工采场下坡联络巷实行顶底合采,这种方法的缺点是为维护顶板人工假底需留厚1. 5m 的护顶矿及保安矿柱,损失率最高达30. 8 % ,一般25 %左右。高品位矿段181 线～184 线北7m 间的顶底柱回采再采用这种采矿方法显然是不合适的。

试验区段采用垂直走向划分采区、沿走向布置进路的胶结充填采矿法。进路推进方向同人工假底的方向垂直,不留护顶矿及矿石点柱,自上盘向下盘后退式回采。每个采区长26m ,每条进路长26m ,采幅3. 0m(根据矿岩条件,采幅可以适当放宽到5. 0m) ,分层采高3. 5m。利用木支柱和充填体预先共同支撑顶板,为相邻采场回采时顶板管理创造有利条件,两分层回采的,第一分层回采完毕,将联络巷压顶、充填后继续回采第二分层。第二分层揭露人工假底。

1 　采场划分

顶底柱进路采场方向沿矿体走向,长度也因矿体形态而异,一般在26m 左右,各进路采幅3. 0m ,每层采高3. 5m。根据- 120m 中段底柱实际情况,将矿块分为一区、二区两个采区:183 线南4m 至184 线北7m为一区;181 线至182 线北11m 为二区。

2 　采准工程布置

自下盘运输巷向采区施工采场联络巷,或直接对原穿脉巷道进行起底,作为采区联络巷,待第一分层回采结束后,利用尾砂充填第一分层联络巷,然后对第一分层采准巷道进行压顶或重新掘进,以此继续作为第二分层运输巷和分层联络巷,其规格为2. 0m ×2. 0m ,在分层联络巷内铺设轻轨(12kg) ,作为矿车运输通道。采场主要采准工程全部为脉内工程。

3 　回采顺序

(1) 从矿体最上盘第1 条进路开始,以采场分层联络道为起点,沿矿体走向方向回采。

(2) 第1 条回采进路为倾角30°的破碎带直接接触的矿体。为保障回采安全,降低损失,先沿矿体走向掘小导巷(2. 0m ×2. 0m) ,至矿体边界后,后退式回采上盘小三角矿块。靠上盘每隔3m 留长约1. 0～1. 5m的矿石点柱,将点柱之间矿石采出。视顶板稳固情况决定点柱是否用木柱+ 混凝土人工点柱取代采出。

(3) 普通进路回采分二步进行。第一步小断面向前掘进至矿体边界(2. 0m ×2. 0m) ;第二步采用后退式浅采扩至设计断面。

(4) 进路采完后,在分层联络巷位置架设木制隔离墙,挂接好充填管和排气管,进行充填并接顶。充填结束后,便开始相邻进路的回采。因小断面掘进,不揭露充填体,故充填体无需养护,即可开始相邻进路的回采。

(5) 采场进路依同样方式逐条从上盘向下盘推进,直至分层残矿回采结束。然后掘进或支护分层联络道,转入第二分层回采,直至整个顶底柱回采结束。

4 　回采工艺

(1) 凿岩爆破

采场凿岩采用7655 型气腿凿岩机,水平落矿。爆破采用2 # 岩石炸药,火雷管引爆,非电导爆雷管微差爆破。

(2) 通风

采场通风利用全矿主风压形成的贯穿风流通风。新鲜风流由中段运输大巷、分层联络巷扩散进入采场,清洗工作面后回往上盘回风巷或扩散到- 145m 中段运输大巷再经回风巷排出,必要时安装3. 5kW的局扇辅助通风。

(3) 出矿

采场采用人工出矿,爆下的矿石装入0. 75m3 固定式矿车,然后推运至分层联络巷,借助于在分层联络道处矿体下盘布置的JJk - 2 型电动绞车,将矿石运至中段主溜井并倒入该溜井中。然后用电机车运到井下矿仓,再由矿山主竖井提升至地表。

5 　采场支护

顶底柱进路采场回采最大的隐患就在于不安全因素多,为此采用了提前支护方式来维护进路顶板。

（1） 　一分层支护方式

对于不揭露假底的分层(一分层) ,进路在回采期间主要使用锚杆支护顶板,锚杆长1. 8m ,网度1. 0m ×1. 0m ,根据现场实际情况,及时支护。出矿过程视顶板安全情况决定木支护,若顶板不安全,则用直径15～20m 圆木支撑顶板岩石,每10m 需2～3 根,并且木支柱要“穿鞋戴帽”以增加木支柱与采场顶底板的受力面积。回采结束后不回收木支柱直接封堵板墙进行充填。利用木支柱和充填体共同支撑顶板,为相邻采场回采创造有利条件。

（2） 　二分层支护方式

对于揭露假底的分层(二分层) ,由于在采矿时揭露假底,出矿过程视假底安全情况决定是否木支护,若需要支护,则用直径15～20m 圆木支撑假底,并且木支柱要“穿鞋戴帽”以增加木支柱与采场顶底板的受力面积。回采结束后不回收木支柱直接封堵板墙进行充填。利用木支柱和充填体共同支撑顶板,为相邻采场回采创造有利条件。

（3） 　联络巷支护

联络巷有时位于两采场人工假底的连接处,采用大盘锚杆(500mm ×500mm ×40mm) 、木支柱和隔离板墙支护联络巷顶板。

6 　充　填

利用立式砂仓自流管道输送尾砂胶结充填系统。其基本流程为来自选厂的全尾砂浆,经砂仓顶部的旋流器分级脱泥后,大于37μm 粒级的尾砂进入2 个容积为1 000m3 的立式砂仓。利用国内首家具有发明专利的压气造浆技术在砂仓中进行充填造浆。充填造浆完毕后,将高浓度充填尾砂放入搅拌桶(电动机功率37kW,<2 000 ×2 000) 中,与一定配比的水泥搅拌均匀,由泵送或自流,通过<10116mm(4 英寸) 充填钢管,经小充填斜井进入主充填斜井,再由水平管道输送至- 145m 中段运输大巷,改用<7612mm(3 英寸)充填增强塑料管,通过采场分层联络巷引入采场。

从地表充填制备站至采场,充填倍线为4～5 ,充填系统料浆输送浓度62 %～74 % ,管道输送流量约70～75m3/ h。

充填过程主要充填技术参数,如料浆浓度、流量、下灰量、液位、料位等均实现了仪表显示、自动控制。

1 　试验区段经济效益

试验区段回采结束,消耗地质矿量24 182t ,出矿量23 220t ,平均地质品位9. 53g/ t ,综合采矿损失率8. 7 % ,综合矿石贫化率4. 5 % ,与以往顶底柱回采方法相比,采矿损失率下降16. 3 个百分点,贫化率下降11. 8 个百分点,多回收矿石4 183t ,多回收黄金39.86kg ,创直接经济效益536 万元。

采矿作业直接成本以2003 年1 月～10 月平均作业成本计算。采矿35. 00 元/ t ,掘进600. 00 元/ m ,充填49. 18 元/ m3 ,通风2. 94 元/ t ,提升4. 38 元/ t ,运输2. 43 元/ t ,排水1. 73 元/ t ;坑口制造费用10. 00 元/ t ;选冶成本71. 54 元/ t ;财务费用0. 99 元/ t ;吨矿总成本(原矿) 148. 61 元/ t 。

将此采矿法应用在整个- 120m 顶底柱回采过程中,共回采进路190 条,地质储量244 108t ,平均品位6. 4g/ t ,采出矿量232 862t ,与以往回采方法(采矿损失率25 % , 矿石贫化率16. 3 %) 相比多回收矿石39 301t ,多回收黄金251. 526kg ,创直接经济效益2 615万元(吨矿成本按350 元计) 。

全矿残采矿量约占全矿储量的8 % ,为维持矿山矿量平衡及开采速度均匀下降,则要求残柱回采量为108t/ d ,年产量约35 640t 。用分区进路式采矿法回采,平均回采率提高16. 3 % ,贫化率降低11. 8 %。黄金价格按每克100 元计算,顶底柱矿石平均地质品位7. 9g/ t ,原矿成本148. 61 元/ t ,年经济效益648 万元。

从上面的计算结果可见,若采用分区进路式采矿法回采顶底柱,降低矿石的贫化、损失指标,可获得极为可观的经济效益。此外,矿山还可节约大量的资源勘探费、固定资产折旧费等。

2 　社会效益

(1) 采用分区进路式采矿法回采顶底柱,新城金矿最终将回收和利用残矿资源4～6t ,矿山将延长服务年限3 年以上。

(2) 针对顶底柱极破碎,安全条件差等特征,选用窄进路回采、木支护及喷锚支护等方法,可以增加回采安全性,减少或避免安全事故的发生,有较明显的社会效益。

随着矿山生产年限的增长,主要生产采区逐步下移。顶底柱采场所占矿量增大,而且相对下区段品位较高,所以选择安全高效的采矿法回采顶底柱显得尤为重要。

(1) 改以往的垂直矿体走向回采顶底柱为沿走向布置采场回采顶底柱,进路推进方向同人工假底的方向正交或斜交,改善了顶板受力条件,增加了采场的安全性。

(2) 采用充填接顶技术和预置圆木支撑顶板,为进路采场顺利回采创造了很好的安全作业条件。

(3) 特制混凝土隔离墙,既起到封堵充填浆作用又起到支护采区联络巷顶板的作用。

(4) 每条进路最长达30m ,采幅3. 0m ,采高3. 5m ,矿岩条件好的,可适当增加采幅。

(5) 采用强采、强出、强充生产组织形式,加快作业循环,提高回采速度,减少顶板暴露时间,提高安全系数。

(6) 垂直走向分区沿走向布置进路回采顶底柱的方法,全部揭露人工假底,不留护顶矿及矿石点柱,大大降低了进路采场的损失率。

(7) 垂直走向分区沿走向分布进路,回采顶底柱的缺点是:靠近断层泥的个别进路采场,回采难度大,顶板支护难度大,靠近矿体下盘的进路贫化率较高;木材消耗量大;人工出渣,劳动强度大。