盤龍鉛鋅礦采空區治理研究與實踐

宋 恒，馬宏偉，羅 佳

盤龍鉛鋅礦采空區治理研究與實踐

宋 恒1，馬宏偉2，羅 佳3

(1.廣西中金嶺南盤龍鉛鋅礦有限公司，廣西 來賓市 546100；2.山東中礦集團有限公司，山東 招遠市 265400；3.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

針對盤龍鉛鋅礦井下采空區的特點，通過采空區治理方案選擇研究，確定了充填法治理采空區為主，輔助封閉周邊小采空區的方案。經過幾年的治理工作，井下采空區存量明顯減少，井下生產的安全性明顯提高，地表塌陷問題得以解決，另外，充填采空區給礦柱回采提供了條件，間柱采場的回采率由原來的45%提高到約85%，資源回采率極大提高，實現了利潤最大化。

采空區治理；安全隱患；充填采礦法；回采率

我國金屬非金屬地下礦山采空區總量大，分布范圍廣，截至2015年，全國金屬非金屬地下礦山采空區已達12.8 億m3，分布于全國28個省（市、區）[1]。由于各地礦山開采年份、開采方式及空區的規模差異較大，近年來已經有多地礦山出現因采空區管理不當造成的片幫、冒頂、垮塌、滲漏甚至地面塌陷等危害[2-4]。2015年12月25日，山東省平邑縣發生的一起石膏礦垮塌事故，引發的強震達到4.0級地震水平，不但造成巨大人員傷亡和財產損失，事故還導致礦區周圍地面不同程度塌陷，給周邊居民的生產生活造成諸多不便。因此，逐步消除采空區安全隱患，是遏制金屬非金屬礦山重特大事故頻發、實現安全生產形勢穩定好轉的關鍵環節。

1 盤龍鉛鋅礦采空區特點

盤龍鉛鋅礦位于桂中地區，礦區地形為低山丘陵，地勢南高北低，西北部為峰林洼地，南部為低山，中部為丘陵，礦區內水系不太發育，有黔江自北西往南東流經礦區東北側，另有武來河及盤古小溪等支流從南西向北東轉匯入黔江。礦區所在區域大地構造位置為華南板塊南華活動帶的來賓凹陷帶與大瑤山隆起的交接部位。區內地層巖性組合較復雜，斷裂構造發育。近地表區域礦體破碎，基本為泥巴，且在礦體中部26線附近有溶洞。

1.1 采空區存量及地壓活動

盤龍鉛鋅礦自2003年以來，一直用淺孔留礦法進行開采[5]，由于礦山開采前期未考慮建設充填系統，使得采空區未能進行及時充填處理，在多年連續開采后，井下采空區大量存在，截至2014年底，井下采空區總量達到86 萬m3，接近地采礦山100 萬m3采空區警戒線。

盤龍鉛鋅礦礦床上部地表標高在+56 m至+113 m，其中井下+25 m和?20 m兩個上部中段的采場對應地表的區域標高普遍在+65 m至+80 m之間。由于上部開采中段礦體破碎，且圍巖裂隙發育，溶洞多。回采過程中就經常發生冒落和片幫，溶洞內還伴有裂隙水，導致回采難度增大。由于未對采空區進行及時治理，隨著暴露時間增加以及在下部中段礦體開采的影響下，采空區受到不同程度破壞，出現礦柱垮塌、頂板冒落。2012年，上部中段空區對應的礦區地表發生塌陷，塌陷面積超過2000 m2，造成地表部分設備機房墻體開裂、部分區域地基沉降等災害。

隨著開采水平不斷向深部延伸，地壓現象也越發明顯，在部分區域（中段）有采場發生不同規模的片幫和冒頂現象，部分中段出現巖爆傾向等，部分采場由于地壓問題突出，安全隱患重大，無法繼續上采，而改用大直徑深孔采礦（如708采場、810采場等）。另外，?170 m中段504礦塊回采①采場時，與之相鄰已經形成空場的②采場內發生大面積片幫，垮落礦石約2000 t（見圖1）。

1.2 地表水下滲影響

礦山地處廣西農業經濟繁榮的武宣地區，當地土地肥沃，水系發達，尤其是表土層較厚，含水豐富。礦區范圍屬覆蓋喀斯特地貌，礦巖堅硬破碎，脆性大，節理裂隙發育，局部溶洞較多，經過多年開采，部分采空區已經與溶洞或裂隙聯通。以礦體中部16線附近為例，因溶洞裂隙與地表貫通，導致與之對應的?220 m中段626采場北幫巖層裂隙涌水，暴雨極端天氣時涌水量最高達到46 m3/h。另外，礦山井下空區一旦垮塌，必將塌通地表，形成導水漏斗，破壞環境，不但對井下安全生產構成隱患，還會影響礦群關系和民生。

圖1 504采場片幫情況

2 采空區處理方案研究

地下采空區除在特定條件下可以支撐并永久保留外，通常都應當進行處理，其目的在于消除空場，避免沖擊地壓隱患。歸納國內外的采空區處理方法，不外乎以下5類：即“崩”、“充”、“撐”、“封”和前述某幾種方法的“聯合”[6-8]。基于采空區治理的幾類方法的特點和適用范圍，針對盤龍鉛鋅礦采空區的特殊情況，采空區治理方法綜合考慮礦柱回采，實現治理空區與礦柱回采協同進行的目的。

2.1 采空區治理方案選擇

針對盤龍鉛鋅礦采空區處理難題，結合國內外空區處理方式，通過礦山工程地質調查、開采現狀和前期研究成果的調查分析，由于地表不允許塌陷，采空區離地面較近，且在?20 m中段的部分采空區已經發生塌陷、地面下沉等災害，因此不宜采用崩落法處理采空區。對于礦體邊角區域相對獨立的小采空區，其周邊沒有需回采的礦柱時，可采用封閉的方法處理，對于?70 m中段以下的采空區，一方面要考慮回采存留在空區內的大量間柱、邊柱及頂柱，另一方面井下采空區存量較大，單純的封閉處理不能消除采空區對井下生產安全的潛在威脅，采空區長期存在勢必成為重大的安全隱患，因此盤龍鉛鋅礦采空區治理以充填空區為主，并對邊角區域獨立的小采空區進行封閉處理。

2.2 采空區處理順序

采空區處理的順序需結合空區安全狀況、采掘工程影響、礦柱回采范圍等多方面因素。由于?20 m中段以上部分已發生冒落，安全性差，且工程地質條件復雜，不具備繼續回采礦柱條件，因此在進行采空區處理時，要首先安排該區域的充填。?70 m中段和?120 m中段巖層結構相對較好，但回采年份較早，部分采空區雖進行了封閉處理，但仍有小規模的局部垮塌和冒落，對重點區域或采場應優先安排充填，避免安全狀況進一步惡化。?170 m中段以下部分采空區多為近幾年來剛剛形成，空區安全狀況較好，但該區域是目前礦山開采的主要區域，采掘作業點多，受爆破震動及地壓影響，個別采場有片幫和冒落現象，該區域礦體回采時因進行了重新規劃，采場布置比較規整，并按照先礦房后間柱的順序進行開采，未來將作為礦柱回采的主要區域。因此，在安全條件允許的情況下，要在?170 m中段安排2~3個礦塊的采空區進行充填，以便為今后回采間柱做準備。

2.3 充填強度要求

考慮到采空區充填要與礦柱回采相結合，不同采空區的充填強度要求也有差異。在充填材料的選擇上要充分結合礦山實際情況：因資源賦存條件限制，盤龍鉛鋅礦井下出窿礦石品位較低，選礦尾砂產率高，前期開采已經產生超過100 萬m3尾砂，全部堆存在地面尾礦庫。因此，利用選礦尾砂充填采空區，可實現尾砂的綜合利用。選礦尾砂經過分級后作為充填骨料，大大減少了尾砂到尾礦庫的堆存量，不但降低了尾礦庫作為重大危險源的危險性和尾礦庫安全維護及治理費用，延長尾礦庫的使用年限，同時還縮減了井下采空區存量。

根據國內外類似礦山回采間柱及頂柱的經驗，針對盤龍鉛鋅礦?70 m中段和?120 m中段間柱的回采方法主要是上向水平分層充填采礦法，頂柱的回采方法主要是上向水平分層充填采礦法和上向水平分層進路充填采礦法[9]；?170 m以下中段間柱的回采方式主要是分段空場法和VCR法。參照國內外相關礦山，不同采礦方法對應的充填體強度要求：在采用上向水平分層充填采礦法時，需保證分層采場回采結束前，充填體能夠自立，此時由于分層高度不大，充填體強度達到1 MPa且充填體完整性較好時可滿足要求[10]；采用上向水平分層進路充填采礦法回采頂柱時，由于上部為采空區，因此充填空區時需保證空區下部的7 m充填體強度大于3 MPa；采用分段空場法和VCR法回采間柱時，為保證回采過程中兩側充填體穩定，宜采用不同強度充填方式分層充填（見圖2）。

圖2 充填體強度分布

2.4 安全管控措施

針對盤龍鉛鋅礦采空區處理難題，結合國內外空區處理方式，通過礦山工程地質調查、開采現狀和前期研究成果的調查分析，采取聲發射實時監測預警采空區安全，進行井下應力應變測試、地表巖層移動觀測，預防預報井下空區安全。同時，進行地壓活動規律數值模擬和空區穩定性評價，采用合理的充填強度、科學合理安排充填處理采空區的順序，并通過現場空區治理工業試驗，實現安全有序、高效環保、低成本的空區治理目標，有效消除了空區安全隱患，實現礦山的可持續發展。

3 采空區治理及礦柱回采

3.1 采空區治理進度

根據盤龍鉛鋅礦制定的采空區治理方案，于2014年建成立式砂倉充填系統，經過設備調試及試運行，當年年底開始利用分級尾砂作為骨料對井下采空區實施充填。截至2018年5月，井下采空區存量縮減至49.2 萬m3（見表1）。

表1 盤龍鉛鋅礦采空區統計/萬m3

3.2 礦柱回采

盤龍鉛鋅礦先后在?170 m中段514礦塊和516礦塊進行間柱回采試驗，兩個試驗采場采用分段空場法進行回采，回采過程中充填體大面積揭露，爆破作業后雖然有局部充填體因震動垮落，但整體穩定性較好，出礦后，兩側充填體能夠自立。

通過對一步驟礦房采場進行膠結充填，然后再進行二步驟間柱回采，使整個礦塊的回采率由原來的55%提高到約85%，若頂柱礦體回采試驗成功，采礦回采率將超過95%。

4 結 論

（1）盤龍鉛鋅礦存在采空區存量大、空區接近地表、采空區地壓活動頻繁、地表滲水量大等重要特點，采空區治理難度大。

（2）針對盤龍鉛鋅礦采空區的特殊性，提出了充填治理采空區為主，封閉周邊小空區的方案，制定了采空區治理的順序，并明確了采空區治理充填體強度分布和空區治理的安全措施。

（3）通過采空區治理實踐，采空區存量明顯減少，井下生產的安全性極大提高，地表未出現塌陷，尾砂得以充填井下，延長了尾礦庫使用年限。并且，充填治理采空區給礦柱回采提供了條件，礦塊的回采率由55%提高到約85%，資源回采率極大提高，實現了利潤最大化。

[1] 國務院安委辦〔2016〕5號.金屬非金屬地下礦山采空區事故隱患治理工作方案[S].

[2] 吉學文,唐紹輝,潘 懿.云南昭通市鉛鋅礦古采空區塌陷地質災害治理[J].有色金屬工程,2015(3):86-90.

[3] 歐陽治華,趙 平,肖 術,等.桃花山礦地表塌陷及下部采空區穩定性分析[J].化工礦物與加工,2012(10):22-25.

[4] 卜 華,孫英波,王學森.山東省巨野煤田采空區塌陷預測與治理規劃[J].中國地質災害與防治學報,2008(4):37-41.

[5] 董憲久.留礦法采后間柱回采方法優化研究[J].中國礦業,2016,25(5):78-81.

[6] 羅 騁.某磷礦山采礦方法的變更與優化[J].礦業研究與開發,2018, 38(11):1-5.

[7] 黃 敏,唐紹輝,黃英華,等.基于ANSYS-FLAC~(3D)的采空區穩定性分析數值模擬研究[J].礦業研究與開發,2017,37(6):81-86.

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[10] 韓 森,張欽禮,張傳恕.回采過程中充填體自立可靠性設計[J].采礦技術,2008,8(2):15-17.

(2019-01-02)