某礦山采空區(qū)及廢棄豎井治理方案研究

劉雄，代碧波

（1.浙江有色地質(zhì)環(huán)境研究院，浙江 紹興 312000；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

某地下礦始采于九十年代初，一直為村民小規(guī)模隨意開(kāi)采，主要為邊探邊采，未進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，坑口多次易主，布設(shè)多個(gè)豎井，開(kāi)采較為凌亂，未形成統(tǒng)一的中段。后由某礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)公司獲得該礦采礦權(quán)進(jìn)行開(kāi)采，開(kāi)采方式為淺孔留礦法，開(kāi)采標(biāo)高+167～+50m。經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)采，地表形成了34個(gè)豎井，井下形成多個(gè)采空區(qū)。為了防止片幫、冒頂、采空區(qū)塌陷和老隆突水等影響安全的事故發(fā)生，需要盡快對(duì)廢棄豎井及采空區(qū)進(jìn)行處理。

1 采空區(qū)調(diào)查

由于礦山開(kāi)采歷史較早，且早期開(kāi)采無(wú)正規(guī)設(shè)計(jì)，企業(yè)工程技術(shù)人員缺乏，開(kāi)采資料保存較少，采空區(qū)調(diào)查采用大量的訪問(wèn)及地面豎井井口坐標(biāo)測(cè)量，并挑選比較典型的采空區(qū)進(jìn)行井下實(shí)際測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果與技術(shù)人員提供的資料及訪問(wèn)資料進(jìn)行對(duì)比，作為采空區(qū)治理的基本依據(jù)。

從礦山提供的礦區(qū)井上井下對(duì)照?qǐng)D可知，共分布有11個(gè)采空區(qū)和34個(gè)豎井，具體情況見(jiàn)表1和表2。

表1 采空區(qū)狀況表

2 礦巖穩(wěn)固性分級(jí)

礦巖穩(wěn)固性分級(jí)是評(píng)價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性、確定工程加固系統(tǒng)和措施的基礎(chǔ)工作，而采用統(tǒng)一的工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有利于工程之間類比和經(jīng)驗(yàn)交流。本文根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)礦區(qū)礦巖穩(wěn)固性進(jìn)行分級(jí)，進(jìn)而指導(dǎo)采空區(qū)穩(wěn)定性分析[1]。

2.1 礦（巖）體節(jié)理裂隙調(diào)查

在井下選取比較具有代表性且便利的地方進(jìn)行節(jié)理裂隙調(diào)查[2]。本次調(diào)查采用詳細(xì)線測(cè)量的方法，選擇比較典型的剖面線5條，總長(zhǎng)50.9m，共測(cè)得節(jié)理產(chǎn)狀64條，調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表3和圖1～圖4。

表2 豎井狀況表

表3 節(jié)理裂隙調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

在現(xiàn)場(chǎng)采樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)[3-6]，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 巖石試驗(yàn)結(jié)果匯總表

2.3 工程巖體質(zhì)量分級(jí)

巖體質(zhì)量分級(jí)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)—工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB50218－2014），分級(jí)結(jié)果如下[7-8]：礦區(qū)內(nèi)輝石粗安巖、構(gòu)造角礫巖屬于較堅(jiān)硬巖、較完整巖體；礦體上下盤(pán)構(gòu)造角礫巖為Ⅲ級(jí)，輝石粗安巖為Ⅱ級(jí)。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

采用經(jīng)驗(yàn)類比法對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，因頂板暴露跨度是表征采空區(qū)是否穩(wěn)定的重要尺度，當(dāng)采空區(qū)跨度大于某一值時(shí)，頂板巖體可能發(fā)生片幫冒落。當(dāng)跨度值一定時(shí)，圍巖穩(wěn)定與否由巖體的穩(wěn)固性所決定，即采空區(qū)的穩(wěn)定性由跨度和巖體質(zhì)量級(jí)別共同決定[9]。

圖1 輝石粗安巖不連續(xù)面極點(diǎn)分布圖

圖2 輝石粗安巖不連續(xù)面等密度圖

圖3 構(gòu)造角礫巖不連續(xù)面極點(diǎn)分布圖

圖4 構(gòu)造角礫巖不連續(xù)面等密度圖

與一些重要的地下巖土工程相比，礦山采空區(qū)的穩(wěn)定性要求相對(duì)較低。根據(jù)地表設(shè)施情況，有時(shí)不需要長(zhǎng)期穩(wěn)定，也容許發(fā)生小規(guī)模的冒落。并且，在不穩(wěn)定性概率方面也是不同的。重要的巖土工程只要發(fā)生小規(guī)模的、少量的冒落，即認(rèn)為是不穩(wěn)定的，而采空區(qū)只有當(dāng)其發(fā)生持續(xù)不斷的大規(guī)模冒落時(shí)才認(rèn)為是不穩(wěn)定的。因此，判斷采空區(qū)是否穩(wěn)定或確定采空區(qū)的穩(wěn)定跨度時(shí)，可將巖體的質(zhì)量級(jí)別適當(dāng)提高。

根據(jù)巖土工程基本質(zhì)量分級(jí)，本礦區(qū)采空區(qū)礦體上下盤(pán)構(gòu)造角礫巖為Ⅲ級(jí)。由地下工程巖體自穩(wěn)能力表可判斷采空區(qū)跨度以20m為界，即跨度大于20m時(shí)頂板可能會(huì)冒落，小于20m時(shí)頂板除局部可能因構(gòu)造影響產(chǎn)生冒落外，整體上是穩(wěn)定的。根據(jù)采空區(qū)實(shí)際調(diào)查的結(jié)果，采空區(qū)跨度均大于20m，因而其采空區(qū)存在冒落和垮塌的可能性，需要進(jìn)行治理。

4 采空區(qū)及豎井治理方案

目前，礦山采空區(qū)及廢棄豎井的處理方法主要有充填法、崩落法、預(yù)留礦柱法、隔離法和聯(lián)合法等[10-11]。總體上來(lái)說(shuō)，采空區(qū)處理的目的是通過(guò)改善圍巖中應(yīng)力分布狀態(tài)來(lái)控制地壓，從而減少巖體變形量和移動(dòng)量，達(dá)到消除空區(qū)隱患的目的[12-13]。

4.1 采空區(qū)的治理方法和措施

對(duì)暴露面積小于200m2的CK3、CK7、CK8采空區(qū)用崩落圍巖的方式釋放地壓和充填空區(qū)；對(duì)暴露面積大于 200m2的 CK1、CK2、CK4、CK5、CK6、CK9、CK10、CK11采空區(qū)（見(jiàn)表1）進(jìn)行廢石充填處理。根據(jù)采空區(qū)調(diào)查，需充填采空區(qū)體積共72994m3，按充填90%計(jì)算則回填用料量為65694.6m3，主要采用廢石或地表碎石土。

充填治理的主要流程為：通過(guò)豎井在各采空區(qū)頂板向上10m標(biāo)高處打平巷（2×2m）至采空區(qū)頂部，然后向采空區(qū)打充填井（1.5×1.5m）。同時(shí)，為了充分利用自重，充填井的傾角一般大于或等于65°。在充填之前先封閉處理擬充填區(qū)域（各通道的出口均用廢石封堵）。準(zhǔn)備工作就緒后，充填料（包括井巷施工時(shí)的廢石）通過(guò)地表原有的運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至充填井所在巷道，然后由充填井充填空區(qū)。充填時(shí)要注意一定要將重點(diǎn)部位采空區(qū)充實(shí)，注意充填接頂、防止地表塌陷和移動(dòng)，確保礦山生產(chǎn)安全。

4.2 廢棄豎井的處理

礦山目前留有豎井34個(gè)，其中初步設(shè)計(jì)利用原有豎井2個(gè)（2#主井和SJ21）、未施工豎井1個(gè)（SJ14）、已回填豎井9個(gè)，需回填封閉豎井22個(gè)（見(jiàn)表2）?；靥罘绞绞遣捎脧U石、塊石回填至井口下5m處，向上采用粘性土夯實(shí)回填或采用混凝土回填至地表，需回填土石方量6032m3。按充填90%計(jì)算，則回填用料量為5688m3，主要采用廢石或地表碎石土。

4.3 采空區(qū)監(jiān)測(cè)

在采空區(qū)巖移界線之外，共設(shè)計(jì)了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便及時(shí)了解采空區(qū)巖移變化情況，掌握采空區(qū)充填的效果。若發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)分析及時(shí)處理。

5 結(jié)論

（1）對(duì)采空區(qū)進(jìn)行調(diào)查，明確了礦區(qū)采空區(qū)位置、面積、空間分布、充水情況等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為采空區(qū)治理方案的確定提供基礎(chǔ)。

（2）通過(guò)礦（巖）體節(jié)理裂隙調(diào)查和室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)對(duì)礦（巖）體進(jìn)行工程巖體質(zhì)量分級(jí)，結(jié)果表明：礦區(qū)內(nèi)輝石粗安巖、構(gòu)造角礫巖屬于較堅(jiān)硬巖、較完整巖體。礦體上下盤(pán)構(gòu)造角礫巖為Ⅲ級(jí)，輝石粗安巖為Ⅱ級(jí)。

（3）采空區(qū)跨度以20m為界，小于20m時(shí)頂板除局部可能因構(gòu)造影響產(chǎn)生冒落外，整體上是穩(wěn)定的，而跨度大于20m時(shí)頂板存在冒落和垮塌的可能性，需要進(jìn)行治理。

（4）本次采空區(qū)治理共需處理空區(qū)和廢棄豎井各72994m3和6032m3。對(duì)暴露面積小于200m2的空區(qū)用崩落圍巖的方式釋放地壓和充填空區(qū)；對(duì)暴露面積大于200m2的空區(qū)進(jìn)行廢石充填處理，主要采用廢石或地表碎石土進(jìn)行充填，既節(jié)約了部分運(yùn)輸提升和廢石堆積費(fèi)用，也避免了廢石堆積所造成的環(huán)境污染。