淺談非煤礦山地下采空區處理措施

劉彥賓,馮煜彪,賀富領

(河南省巖石礦物測試中心, 河南鄭州 450003)

淺談非煤礦山地下采空區處理措施

劉彥賓,馮煜彪,賀富領

(河南省巖石礦物測試中心, 河南鄭州 450003)

地下采礦所遺留的采空區存在諸多安全隱患,頻頻引發地質災害,已引起社會廣泛關注。總結了采空區處理技術措施及其適用條件,合理的選取采空區處理技術措施對于礦山有效利用資源、及時消除安全隱患、最大限度的減少成本等方面都具有很重要的意義。

采空區;空區治理;非煤礦山;冒頂;片幫

改革開放以來,由于一些企業對采空區缺乏及時有效的處理,使我國地下采空區面積越來越大,其遺留的安全隱患也越來越多。地下采空區頻頻出現的地質災害,已經引起社會廣泛關注,也給礦山安全生產敲響了警鐘[1]。規模巨大的采空區已成為地下礦山的主要災害源之一,可能導致礦震、突水、巖爆、地面塌陷等多種災害。遺留采空區處理已是礦山企業面臨的重要課題[1～5]。

本文根據國內礦山采空區事故類型和三門峽靈寶市 20多座非煤礦山處理地下采空區方面的成功經驗,同時參考國內一些文獻資料,分析并提出了地下采空區處理方面的對策措施及其適用條件。

1 地下采空區存在的主要危害類型

埋藏在地下的礦體被采動、掘空后,礦體周圍巖體的力學平衡被打破,在重力和應力作用下,便產生裂隙和斷移,形成了采空塌陷區。這些空區的長期存在使一些礦區的地壓活動加劇,相繼從局部突然崩落發展到大范圍的突然崩落,并引起地表大范圍的巖移,有的造成了較嚴重的破壞。地下采空區存在的危害,主要是采空區圍巖失穩引起的,其主要表現為采空區大范圍垮落或陷落,地面陷落,采場頂板大范圍垮落、陷落,巷道或采掘工作面的片幫、冒頂等[1]。

(1)采空區大范圍垮落、陷落。采空區大范圍突然垮落時,冒落的巖石以極快的速度壓縮采空區內的空氣,并在極短的時間將內部氣體排出,在空區和巷道內會形成一股強大的沖擊波,該沖擊波作用于巖體,引起巖體塌陷,同時,采空區內大量的有害氣體也會排放到作業場所。采空區大范圍垮落的危害巨大,一旦發生,可能造成井下工作人員大量傷亡、巷道變形、工作場所及其設備、設施遭到嚴重破壞,也可能會引發其他災害等。1993年,山東省棗莊市一石膏礦 5000m2的采空區突然大范圍垮落,強大的沖擊波使井下十多人當場喪生,可見采空區突然大范圍垮落的危害極大[1]。

(2)地表陷落。地下采空區變形、塌陷后,采空區上部覆巖層的應力平衡被破壞,導致巖層和地表移動,發展到一定程度便會使地表陷落,引發地表建筑物或其他設施下沉和倒塌,形成地表裂縫、塌陷坑。地表陷落所形成的地表塌陷坑匯集地表水,當塌陷坑和井下巷道、采空區有水力聯系時,塌陷坑內積水可能通過巖層斷裂帶進入地下,不僅增加井下排水負擔,還有可能引起井下透水事故。

(3)采空區頂板垮落、陷落。采場頂板大范圍垮落時會對空區底板產生巨大的沖擊力,并將能量傳遞至其他井下工程,對井下工程尤其是礦柱的破壞性很大,還有可能誘發地震,威脅安全生產。采空區頂板垮落、陷落常常導致采場和周圍的巷道、設備和設施破壞、人員的傷亡,也可能造成其他危害。2005年 11月 6日,河北省邢臺縣尚汪莊石膏礦區的三個石膏礦發生特大坍塌事故,引起地表坍塌,并誘發里氏 3.1級地震,形成一面積約 5.3萬 m2的塌陷區,死亡 37人,地面 88間房屋倒塌。

(4)巷道或采掘工作面的片幫、冒頂。相鄰采空區被礦柱和封閉墻隔開,一旦某個采空區發生失穩,必定會對周圍空區的穩定性產生巨大影響,使其他地下工程的受力發生巨大變化,并可能引起連鎖反應而造成巷道或采場大規模的片幫和冒頂,導致人員傷亡、巷道及設備、設施破壞等災害。

2 采空區處理

采空區處理方法較多,一般來說,應遵循統一性、及時性、合理性的原則[3]。采空區處理應統一考慮整個礦床中各種礦體的回采工藝與空區處理,且選擇某種采空區處理方法必須要技術上可行,經濟上合理。

采用空場法對礦床開采,所形成的采空區按賦存條件不同,可以分為緩傾斜中厚以下礦體開采空區、急傾斜薄礦脈群開采空區、傾斜、急傾斜中厚礦體開采空區等 3種類型。各類采空區可能是單獨存在的,也可能是幾個空區分布在一個、兩個或多個階段上;空區有與地表直接相通或不直接相通等情況。根據采空區處理特征,目前采用的處理技術措施主要有以下 5種:

(1)隔離法處理采空區。礦山在回采工作結束后,利用預留的礦柱支撐頂板巖石,較長時間維護采空區。為了安全起見,需在相關地點砌筑封閉墻,使采空區與工作區隔絕,并利用通往地面的天井放出采空區內氣流,一旦圍巖冒落,將會減少對工作區的沖擊力。該方法一般適用于分散、孤立、不連續的小礦體和盲礦體以及礦體的邊緣部分,頂板極其穩固、規模較大的礦體,回采速度很快和礦柱比例小于8%～12%的薄礦體。

(2)自然崩落頂板處理采空區。有些層狀礦體和穩固性較差的頂板巖石,即使留設礦柱比例很大,在采場回采結束后,頂板巖石也會隨之變形和崩落。因此,可利用這一特點,找出頂板崩落的步距。礦房回采結束后,封閉采空區,使頂板圍巖在采場內依次自行離層崩落,起到逐步充填采空區的目的。該方法一般適用于層狀礦床、地表允許崩落的礦山以及在一定的崩落步距和一定的暴露面積下,頂板巖石有離層可能性的礦山。礦柱比例小于 3%～15%的礦山也可采用。

(3)充填物料處理采空區。當采空區上部有建筑物時,由于地表不允許大面積塌陷,就不能采用崩落空區的方法處理采空區,這時可采用充填物料充填采空區。根據充填工藝和充填物料的不同,常用的充填方法可分為濕式(尾砂)充填和干式(廢石)充填。濕式充填一般采用尾砂作為充填物料,干式充填采用廢石作為充填物料。需要注意的是,濕式充填必須對采空區進行封閉,且其封閉構筑物的強度應能承受充填體的壓力。該方法適用于地表以及地下含水層不允許陷落的礦山;礦山地表有大量尾砂或不宜設置尾礦庫;礦脈較密集或埋藏較深,其采空區容易產生較大規模巖移和垮塌的礦山,其處理采空區效果好。

(4)崩落圍巖處理采空區[4]。對于圍巖較穩固和尚未掌握頂板冒頂規律的采場,采用中深孔、深孔或藥室爆破,崩落大量的圍巖來充填采空區,從而消減空場巖移,保證回采工作安全。該方法適用于地表允許崩落以及地采轉露天開采的礦山。

(5)聯合處理采空區。回采后所留下的采空區,僅采用一種采空區處理方法很難達到處理效果時,則需采用兩種或兩種以上的方法方可達到處理采空區的目的。例如采用強制崩落圍巖充填采空區時,崩下的巖量不能補償采礦所造成的空間,隨著向下階段的開采,空間增大到足以導致上部巖石大面積錯動崩落,這時,可在適宜的一、二階段內不回收礦柱,不破壞圍巖,并對采空區進行充填,以作為下部開采時的保護層。該方法一般適用于地表允許崩落、開采埋藏比較深的礦體。

3 結 論

采空區處理技術措施的合理選取是礦山采礦活動中一個非常重要的環節,特別在我國礦產資源相對緊張的情況下,合理的選取采空區處理技術措施對于礦山有效利用資源、及時消除安全隱患、最大限度的減少成本等方面都具有很重要的意義。本文總結了采空區治理方面的 5種技術措施及其適用條件,希望對礦山企業在選取采空區處理技術措施時能起到較好的借鑒作用。

[1] 王啟明,徐必根,唐紹輝,等.我國金屬非金屬礦山采空區現狀與治理對策分析[J].礦業研究與開發,2009,29(4):63～68.

[2] 黃英華,徐必根,唐紹華.房柱法開采礦山采空區失穩模式及機理[J].礦業研究與開發,2009,29(4):24～26.

[3] 李偉明,徐必根.采空區沖擊災害防治研究[J].礦業研究與開發,2009,29(3):60～61,85.

[4] 王永紅,王春毅,程秀升.采空區治理中的安全與技術管理[J].采礦技術,2008,8(4):75～76,90.

[5] 徐必根,王春來,唐紹輝.大尺度采空區巖體工程地質調查與評價研究[J].礦業研究與開發,2008,28(1):57～60.

2010-05-09)

劉彥賓(1982-),男,河南尉氏人,助理工程師,從事非煤礦山設計、非煤礦山及尾礦庫安全評價工作,Email:lyb0378@163.com。