某鐵礦淺孔留礦法采空區治理治理措施研究

夏朝科

（福建省冶金工業設計院有限公司，福建 福州 350000）

我國金屬非金屬地下礦山采空區分布范圍廣，采空區總量大，且空間形態變化大、分布規律性差，受爆破震動與巖體軟弱結構的影響，將導致采空區頂板垮落失穩，對井下安全生產及地表設施造成嚴重威脅，屬于礦山重大安全隱患，由此誘發了多起采空區塌陷引發的安全事故，造成重大人員傷亡和財產損失[2]。

地下鐵礦普遍采用淺孔留礦法開采，每個礦房留頂底柱、間柱，采后形成框架結構，特別是隨著開采深度增加，地壓增大，沖擊地壓發生的頻率升高，若個別礦柱失穩，采場頂板實際跨度過大導致冒頂，同時上部覆巖壓力轉移到其它相鄰礦柱上，可能觸發相鄰礦柱破壞，引起連鎖反應，引發大規模的冒頂事故，其影響是災難性的。

掘進廢石堆排在廢石堆場，選礦產生的尾砂多數堆排在尾礦庫，會帶來資源、環境、安全和土地等諸多問題。如果使用尾礦充填采空區，采空區不僅成為礦山廢棄物的存儲空間，而且采空區頂板圍巖得到支撐，既可以消除安全隱患，又可以實現礦山可持續發展和綠色發展[3]。

本文以福建某鐵礦為例，介紹利用尾礦充填大礦房和小礦房隔離的采空區處理方法。

1 礦山采空區現狀

礦山一直采用淺孔留礦法開采，礦體總體傾向西，傾角60°～75°，近地表局部直立，已控制延深最大達160m。采用主井提升、斜坡道輔助運輸的開拓方式，掘進脈內、脈外平巷。已形成+690m、+650m中段的采空區，根據礦山提供的井下中段測量圖，其+690m中段井下采空區長約170m、寬10m～30m，采高20m～40m，中間分布不同形成的礦柱支撐著，面積已達到8500m2，采空區容積約14萬m3，根據現場情況，其頂板不穩定，部分已崩塌至+690m采空區；+650m中段井下采空區長約140m、寬10m～20m，采高30m～40m，采空區面積約為3000m2，中間分布不同形成的礦柱支撐著，+650m采空區頂板相對穩定；隨著開采深度增加，地壓增大，沖擊地壓發生的頻率升高，若個別礦柱失穩，采場頂板實際跨度過大導致冒頂，同時上部覆巖壓力轉移到其它相鄰礦柱上，可能觸發相鄰礦柱破壞，引起連鎖反應，引發大規模的冒頂事故，其影響是災難性的。

2 采空區治理方案

目前常用的采空區處理方法主要有崩落圍巖、充填采空區、封閉采空區三種，可歸納為“崩、充、封”。采用崩落圍巖與充填礦房適用于大面積空區和大量殘存空區，而封閉采空區主要用于“孤”、“小”空區和礦巖極穩固空區[4]。

即崩落圍巖可以填滿空區（全充），或形成緩沖墊層（部分充填），這也可以減小集中應力并轉移周圍的巖石壓力；用尾礦或膠結料充填（全充或部分充填）采空區，以支撐頂板圍巖，并使礦柱由單向受力變為三向受力，提高礦柱承壓能力，保持圍巖穩定性；封閉采空區就是密閉或隔離空區通向生產區域的通道，以防止空區頂板圍巖垮落時發生的空氣沖擊波危害生產區域安全。其中充填法處理空區費用較高，主要應用于地表與圍巖不允許塌陷、要求提高礦柱回收率、有現成廉價充填料可利用（尾礦）等情況。

針對本礦區情況，主井附近設置充填站，在+690、+650中段采用大采空區“充填+封閉”處理工程措施，即大采空區尾砂膠結料充填，端部小采空區封堵隔離。后來隨著充填成本的增加，并且在+650中段西礦段頂板穩定，上方遠離工業場地等主要建筑物，采用汽車運輸尾礦經斜坡道—中段運輸平巷干式充填采空區。

3 大采空區“充填+封閉”處理工程措施

3.1 尾砂膠結料充填

在主井附近設置充填站，選礦廠排放的尾砂作為充填骨料，水泥、膠固粉等作為膠凝材料，灰砂比：1：4～1：15，同時設有絮凝劑聚丙烯酰胺溶液添加器，保證粗尾砂的充分沉降。用內徑100mm的鋼管運輸，最大輸送濃度為78.6%，配置料漿濃度63%～72%。各原料在攪拌筒內攪拌均勻完成充填料漿的制備，砂倉尾砂流量控制在70m3/h，膠固粉流量控制在15m3/h，充分攪拌后形成均質性、流動性較好的充填料漿。

采用“隔一充一”充填方式，采空區間隔充填。充填之前，有必要對已采礦房間柱聯絡巷封堵，封堵墻有空心磚封堵和木封堵兩種，考慮到木封堵材料可回收，成本較低、勞動強度小，采用木封堵。根據現場的充填經驗，一般礦房充填工序分3次充填，即一次試充、預接頂充填、接頂充填，注意接頂充填工序必須在上次充填24h以后進行，保證膠結料全面接頂[5]。

3.2 尾礦干式充填

礦區西礦段離主井較遠，并且+650m采空區頂板相對穩定，隨著水泥價格上漲，采空區充填成本較高，因此通過決策考慮采用汽車運輸尾礦干式充填采空區，充填料來自地表廢渣臨時堆場和選礦廠排放的干尾砂，廢石和干尾砂交替充填。

尾礦倒入充填井后在井下用礦車轉運，從礦房上方的回風巷道卸礦孔倒入礦房內，自然安息角約33°。由于不能接頂充填，所以不采用“隔一充一”充填方式，而是大礦房全部充填的方式。

經過比較尾礦干式充填采空區的成本更低，系統簡單，但存在不能接頂充填的弊端，阻止頂板垮落能力差，但頂板變形到一定程度又能全面支撐頂板。尾礦干式充填采空區適用于對于地表與圍巖允許輕微陷落，如果頂板穩定性要求嚴格，應采用尾砂膠結料“隔一充一”或者全部充填采空區。

4 小采空區“封閉”處理工程措施

+680、+650m中段兩端采空區均較小，對礦山安全生產威脅不大，其封閉措施以達到防止漏風和防止人員進入的目的即可。設計在巷道設置鋼筋混凝土墻密閉，具體方案如下。

（1）在封閉巷道底部挖槽，槽深30cm。

（2）在封閉巷道周邊的壁上鑿孔，裝錨桿，深30cm。

（3）布置鋼筋，鋼筋網度20×20cm，鋼筋與錨桿焊接，鋼筋為雙層。

（4）澆注混凝土墻厚度為1.2m。

密閉材料：混凝土C25、φ20螺紋鋼。

密閉巷道規格：2.3m×2.3m（三心拱）。

混凝土墻底部及中間留有一個30×30cm的瀉水孔，同時在排水管口部開挖截水溝，把水通過水溝引入礦井外排。

5 結語

鐵礦采空區采用尾砂膠結充填法、尾礦干式充填法和隔離法相結合的處理方式是最為有效的方法，既消除采空區對井下生產及地表環境設施造成的威脅，提高礦石資源回采率，又使得尾礦能綜合利用，減少環境污染。創造了更大的社會益、環境、安全和經濟效益。