采空區失穩導致的地表塌陷處置措施研究

黃和平 侯克鵬

(云南亞融礦業科技有限公司)

紅河縣阿扒鉛鋅礦所屬礦區Ⅴ-1礦體401采空區在礦體回采結束后沒有及時處理，采空區上部圍巖逐漸冒落，最終導致地表發生陷落，面積約600 m2，需要對該陷落區域進行回填處理，并圈定移動范圍對該區域安全監測。同時要對全礦范圍內其他類似采空區提前采取處理措施，防止地表再次發生陷落。因此，結合現場開展相應的處置措施研究工作，對礦山的安全生產具有重要意義。

1 工程概況

紅河縣阿扒鉛鋅礦采用平硐開拓，已建成1 420,1 465 m 2個中段。礦體賦存于斷殘裂帶中，為急傾斜脈狀薄礦體，平均厚3～5 m，傾角為65°～70°。根據礦體的開采技術條件，設計采用淺孔留礦法，輔以全面法開采。采場長50 m，寬為礦體厚度，中段高40 m。礦山生產區內生產V-1礦體，在1 465 m中段布置了401，402，403采場，在1420中段布置了202，203采場。

2 巖體力學參數

在現場調查和巖石力學試驗的基礎上，對阿扒鉛鋅礦巖體進行質量分級，該礦巖體屬于差巖體。采用Hoek-Brown強度準則對該礦宏觀巖體力學參數進行研究[1]，結果見表1。

表1 巖體力學參數

3 地表移動范圍

根據礦方提供的平、剖面圖建立FLAC3D數值計算模型[2],見圖1。

圖1 計算模型

礦山生產礦體主要為V-1礦體，最低開采標高為1 410 m，基于實際情況，本次計算方案：第一步，模型原始平衡階段，該步驟無任何開挖充填過程，施加自重力，在整個模型中形成自重應力場，為后續開挖及分析奠定基礎；第二步，開采至現狀；第三步，V-1 礦體(1 420 m以上)開采結束。

模擬過程中，允許圍巖依照自身的力學機制發生一定的位移或破壞，1 420 m以上礦體隨著開采進行，A10剖面采空區上下盤圍巖應力進一步釋放，應力釋放區域增大，上盤圍巖出現拉應力，為0.24 MPa；V-1礦體繼續開采，位移值持續增大，開采結束后最大達14.2 m，塑性區面積繼續擴大，塑性區主要位于礦體上盤，圍巖位移方向指向采空區。根據FLAC3D數值模擬計算結果(圖2)，圈定礦體開采結束后的上盤圍巖移動角，基于塑性區，礦體上盤移動角為44°，基于位移，礦體上盤移動角為54°，取二者平均值48°。

圖2 開采結束移動范圍

4 采空區處置措施

采空區處理的實質是盡可能利用地壓的分布和轉移規律為采礦服務，根據礦山具體條件，將采場地壓顯現的強度、出現的時間及規?？刂圃诓晃：ιa安全的允許范圍內。國內外地下礦山采空區處理方法歸納起來主要有3種：崩落圍巖處理采空區、充填采空區、封閉或隔離采空區[3-5]。

阿扒鉛鋅礦礦體上部山體陡峭，如果采用崩落圍巖的方法處理采空區，勢必引起山體滑坡，造成重大安全隱患，該方案不可行。該礦尾礦采用干堆，為了降低對地表環境的影響，采用尾礦充填采空區為宜。結合礦山生產系統實際情況及地質地形條件等因素，設計全尾砂管道泵送充填采空區方案。

4.1 充填材料

該礦山選礦廠已經把排出的全尾砂濃縮、壓濾后形成全尾砂濾餅進行干堆。設計采用汽車將壓濾后的全尾砂濾餅運至設計充填站的尾砂堆場,再經全尾砂充填系統輸送至井下空區，選用32.5#普通硅酸鹽水泥作為膠凝劑。

4.2 充填配比

該礦山所用充填料為單一全尾砂，灰砂比應使膠結充填體強度滿足《有色金屬礦山生產技術規程》中“膠結充填體的強度應滿足充填體保持自立和在承受爆破震動時不塌落的要求，通常不應小于1 MPa，人工底柱膠結充填體的強度應大于4 MPa”的規定[6]。根據其他類似礦山的經驗，充填體底部結構采用的灰砂比一般為(1∶3)～(1∶4)，其他部位為(1∶8)～(1∶20)。綜合考慮充填體強度和充填成本因素，推薦阿扒鉛鋅礦充填系統全尾砂膠結充填配比參數:

(1)地表陷落區充填灰砂比為1∶8，質量濃度為66%～70%，經充填配比試驗得出，該配比下的試塊7 d齡期的抗壓強度不小于0.6 MPa，28 d齡期的抗壓強度不小于1.2 MPa。

(2)采空區充填灰砂比(1∶10)～(1∶12)，質量濃度為66%～70%，經充填配比試驗，該配比下的試塊7 d齡期的抗壓強度不小于0.5 MPa，28 d齡期的抗壓強度不小于0.9 MPa。

4.3 充填物料平衡計算

根據礦山實際情況，充填能力確定為30 m3/h。充填制備站采用年工作330 d，每天1班，每班8 h工作制度，平均充填量為240 m3/d。

充填材料日需供應量指充填材料來源地供應給充填設施的每日平均量，計算公式為

Q1=K1K2Q0,

(1)

式中,K1為充填材料的原體積和初次沉縮后的體積之比，1.05～1.15，一般情況下干式、膠結充填取小值，水砂充填取大值,在此取1.1；K2為充填料的流失系數，水砂充填為1.05，膠結充填為1.02～1.05，在此取1.03；Q0為平均充填量，240 m3/d。

計算得出Q1=270 m3/d。

4.4 充填方案

該礦坑口標高高于擬建充填站底邊標高，周邊無高于坑口的較平坦地面可做充填站，需要設置水平傾斜上行輸送管道將充填料漿送至空區，充填站選址于尾礦干堆場旁空地。

地表塌陷區先采用灰砂比為1∶8充填料充填，充填體厚度達到3 m后，采用灰砂比為1∶10充填料充填，充填至地表后采用黏土回填，并恢復植被。

采場充填開始之前，需要封堵通達各采場的巷道，避免充填料漿流入巷道，造成安全威脅。設計采用C30混凝土澆灌擋墻，封堵各密閉點，混凝土擋墻厚0.3 m，巷道兩壁打眼埋入φ28 mm螺紋鋼，埋入深度為50 cm，使用同型號螺紋鋼進行焊接，搭接長度為300 mm。澆灌前清理巷道底板，擋墻腳底低于巷道底板面不少于200 mm；澆灌擋墻時，預埋DN150 PVC排水管；管子排水口一端要低于另外一端，保證3°坡度，便于排水；每根排水管長2 m，排水管表面按間距0.1 m均勻布置泄水孔，然后使用濾布包裹，以免料漿從管道外流。充填工藝流程見圖3。

圖3 充填工藝流程

4.5 管道輸送系統

地表充填站制成的符合要求的充填料漿通過泵壓輸送至井下各充填點。

坑內充填距離最遠采場為203采場，輸送距離為600 m，上向輸送15 m，輸送阻力損失按4.0 MPa/km計算，輸送阻力損失為2.4 MPa。地表陷落坑輸送距離為260 m，上向輸送100 m，輸送阻力損失按4.0 MPa/km計算，輸送阻力為1.04 MPa。

充填管道內徑計算公式為

(2)

式中,Qh為充填系統小時充填能力，30 m3/h;V為充填系統設計工作流速，2 m/h。

計算得出D1≥73 mm。

充填管道壁厚計算公式為

(3)

式中，P為管道所受最大壓強，管道壓力主要來自加泵壓和上向輸送的料漿自重力，取8 MPa；σ為鋼材抗拉許用應力，無縫鋼管取100 MPa；K為磨損腐燭量，取2 mm。

計算得出δ=4.92 mm。

4.6 設備選型

根據以上計算,結合GB/T 17393—2008標準，充填管道選用內徑121 mm、壁厚5 mm的普通無縫鋼管，理論質量為15.78 kg/m，管道之間用快速接頭連接。根據輸送阻力及輸送能力，選用HBT60.13.90S 型混凝土泵1臺，最大理論輸送量為60 m3/h，最大泵送壓力為13 MPa。充填料制備選用1臺JS1000-3.8型混凝土攪拌機。

5 結 語

充填體能有效抑制圍巖及地表變形，結合阿扒鉛鋅礦實際生產情況，現狀采空區采用尾砂充填，局部采用廢石；1420 m中段以下礦體采礦方法變革為充填法；地表塌陷區域采用膠結尾砂、黏土回填處理。采用全尾砂充填采空區，充填材料主要為選礦廠尾砂，不僅有效解決地表陷落及采空區存在的安全隱患問題，還解決了尾砂排放帶來的安全環保問題，實現了礦山的綠色開采。

[1] 姚 建.大寶山地下采空區穩定性分析及處理技術[D].長沙：中南大學，2006.

[2] 武崇福,劉東彥,方 志．FLAC3D在采空區穩定性分析中的應用[J].河南理工大學學報(自然科學版),2007,26(2):136-140.

[3] 張曉君.影響采空區穩定性的因素敏感性分析[J].礦業研究與開發，2006,26(1)：14-16.

[4] 羅一忠.大面積采空區失穩的重大危險源辨識[D].長沙：中南大學，2005.

[5] 于學馥,鄭穎人.地下工程圍巖穩定分析[M].北京：煤炭工業出版社，1983.

[6] 王新民,古德生,張欽禮.深井礦山充填理論與管道輸送技術[M].長沙:中南大學出版社,2010.