某鉛鋅礦重疊交錯復雜遺留采空區治理

劉 靜 ，孟中華 ，鄒 平 ，李愛兵

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

新疆千鑫礦業有限公司可克塔勒鉛鋅礦于2007年對新疆富蘊縣原可克塔勒富桂鉛鋅礦實施資源整合后而來。由于之前礦山的雜亂無序不規范開采，致使礦床被凌亂的無序分割開采，有 10余條斜井通往3～7線附近863 m標高以上各中段進行開采，在井下形成了大量不規則的殘柱和多個大小不等、高低不一的未經處理的采空區。采礦坑道及用于接力提升的小斜井縱橫交錯布置在采空區及其附近，且由于采礦資料的嚴重缺失，采空區狀態不明，致使礦山今后開采的安全隱患極大。為了安全合理開采863 m標高以下的珍貴礦產資源，千鑫礦業決定對可克塔勒鉛鋅礦863 m標高以上原采空區進行探查和治理。

1 采空區現狀

1.1 采空區掃描及測量

為了詳細了解原采空區數量、大小、形態及其周邊工程布置情況，千鑫礦業和科研機構合作，對原采空區進行了普查，并應用三維激光掃描設備對采空區進行了掃描和測量。

1.2 采空區分布

根據采空區普查結果，可克塔勒鉛鋅礦礦界范圍內標高在+863.2 m～+1207.5 m間3～7線范圍內的采空區共有 50個，其所在高程為：864，900，938，954，985，992，1008，1039，1080，1123，1163 m。可克塔勒鉛鋅礦采空區分布如圖1所示。

1.3 采空區規模

在863 m標高之上存在的50個采空區大體分布在13個水平，采空區總體積達50.15×104m3。其中，單個采空區的高度從2.2～80.0 m不等，空區的斷續高度為 344.3 m，單個采空區最大的體積為7.8×104m3，位于1號井，最小的體積為148 m3，位于7號井，而1號井、5號井的采空區體積最大，達（12.86～14.25）×104m3，其它幾個井的采空區體積為幾萬方不等，單個空區最大水平面積達1949 m2，位于8號井。采空區之間多為重疊，相互交錯，部分連同為一體。

圖1 采空區三維掃描立體分布

2 采空區隱患及其表現形式

2.1 礦山采空區的安全隱患

地下采空區尤其是缺乏技術資料的礦山企業，其具有強隱伏性、空間分布特征規律性差、生產安全影響大，頂板冒落與塌陷等地壓活動難以預測等特點。因此可克塔勒鉛鋅礦863 m以上原采空區存在如下安全隱患：

（1）大規模空區或空區群，有發生沖擊地壓的可能性，嚴重危害井下生產作業安全；

（2）破壞了井下開采安全環境，導致部分區域礦體難以開采，造成礦石資源浪費；

（3）破壞區域圍巖穩定性，致使井下工程頂板冒頂類事故增多，增大頂板安全管理難度；

（4）破壞了原始應力平衡狀態，致使巖體內應力重新分布，時常導致礦柱失穩破壞；

（5）提高了支護成本和井下工程維護成本，降低了礦山經濟效益。

2.2 采空區隱患表現形式

地下采空區災害的主要表現形式有冒頂、片幫、沖擊地壓、突水、巖爆、地面塌陷、地面沉降、地面開裂等，以及由其導致的地面滑坡、泥石流和地表植被破壞等。

3 采空區隱患治理實施方案

3.1 采空區穩定性分析與治理原則

根據可克塔勒鉛鋅礦空區普查結果，依照空區規模、形態和位置進行了數字建模，通過專用軟件對空區及其周邊圍巖的穩定狀態進行了計算分析。對各空區的危險危害程度進行了分類，并依此確定了空區治理的順序和原則：

（1）根據采空區的空間位置特點，將其分為較獨立的采空區和集中的空區群兩類，其中較獨立的單個采空區進行單獨處理，相對集中的采空區劃為空區群進行統一處理；

（2）依照穩定性分析結果，優先治理危險危害性大的采空區；

（3）評估采空區對于今后仍需繼續使用的生產和運輸系統的影響，對影響較大的采空區優先進行治理；

（4）盡量減少采空區治理時對目前生產的影響；

（5）治理方案技術上可行、經濟上合理、安全可靠、便于現場操作；

（6）充分利用地形地貌和現有的井巷工程，減少治理工程量，縮短治理時間。

3.2 采空區治理方案

根據該鉛鋅礦采空區現狀和現場實際情況，完全采用充填和崩落處理采空區都存在一定的困難，因此主要采用封閉和分區隔離的方式，并輔助一些其他加固措施治理采空區，必要的情況下采用充填治理。

（1）巷道隔離形式。為防止采空區頂板圍巖崩落產生的沖擊氣浪危害，在礦區、采區之間和采空區與生產系統之間構筑隔離帶。隔離墻主要有巷道隔離墻、齒狀阻波墻及留有人行通道的巷道阻波墻（見圖1～圖2）。按2.0的安全系數經計算隔離墻采用錨桿插入式鋼筋混凝土墻時擋墻厚度 1.5～1.6 m即可滿足50 m空區高度冒落產生的沖擊波，為了空區治理施工的方便性和統一性，將擋墻厚度全部統一為2 m。

圖2 巷道隔離墻

圖3 齒狀阻波墻

（2）采空區隔離。采空區隔離的形式主要有鋼筋混凝土+廢石和廢石充填隔離兩種。當礦山主要生產和運輸系統經過采空區，而無條件避開時，采用鋼筋混凝土+廢石充填隔離采空區，混凝土構筑假巷以保證生產系統的安全；廢石充填隔離采空區主要集中在礦區或采區之間，當礦區或采區之間的邊界相距較近，空區橫跨兩邊時，為形成礦區或采區之間的隔離帶，不得不對此類采空區進行廢石充填以形成隔離帶，隔離帶采空區的充填一般需盡可能接頂，空頂高度不大于2 m，形成的隔離帶寬度不小于20 m。

（3）廢石充填。根據各采區井下掘進產生的廢石量，對目前生產系統周邊、危險性大的采空區進行一部分充填，在采空區底部形成緩沖墊層。決定緩沖層厚度的主要因素有：空區高度（巖塊墜落高度）、冒落與緩沖層的巖石塊度、冒落層厚度、冒落面積與空區水平截面積之比值。通常按經驗選取緩沖層的厚度，對于高度大于100 m的空場，不小于20 m。不同空區緩沖墊層厚度計算結果如表1所示。

（4）增設人工礦柱。采空區隔離的形式主要有鋼筋混凝土+廢石和廢石充填隔離兩種。人工礦柱需通過面積承載理論計算確定礦柱所承受的載荷，然后根據載荷和《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）確定人工礦柱的參數。

表1 不同高度空區緩沖墊層厚度計算結果

3.3 采空區治理設計

根據可克塔勒鉛鋅礦實際情況，針對其8個井口的空區治理分別設計了密閉墻、充填井、人工礦柱、人工假巷，須進行空區充填和隔離的進行了廢石充填量和崩落圍巖量的計算和設計。其采空區治理工程量匯總如表2所示。

表2 可克塔勒鉛鋅礦采空區治理工程量匯總

4 結 論

（1）原采空區存在沖擊地壓、易發生頂板事故和礦柱破壞的安全隱患，經空區普查和綜合分析可知，可克塔勒鉛鋅礦采空區具備治理條件；

（2）該礦的采空區治理符合國家相關政策；

（3）確定的空區治理方式安全可行，治理方案科學合理，治理效果能達到預期目標；

（4）該礦原采空區治理后為863 m標高以上部分殘礦和礦柱的回采重構了開采環境，可最大限度回采貴重資源，同時也可為863 m標高以下礦體的開采創造更加安全的生產條件。