多中段復雜大面積采空區(qū)綜合治理方案研究

胡亞橋，韋章能，覃星朗，謝經(jīng)鵬

(銅陵有色金屬集團控股有限公司技術(shù)中心， 安徽 銅陵市 244000)

0 引言

在我國約有半數(shù)以上的金屬非金屬地下礦山在回收礦產(chǎn)資源的同時留下了大量的未處理采空區(qū)，且大多數(shù)礦山的采空區(qū)存在不同程度的安全隱患[1]。礦山開采破壞了巖體的原巖應力平衡，當維持采空區(qū)穩(wěn)定性的礦柱在高應力作用下達到其臨界狀態(tài)時就會導致采空區(qū)失穩(wěn)，一旦礦柱變形破壞誘發(fā)采空區(qū)大面積冒落，將會形成井下沖擊氣浪、地表塌陷等災害事故，危及井下作業(yè)人員和設(shè)備，給礦山造成重大損失，嚴重影響安全生產(chǎn)。

天馬山硫金礦業(yè)公司各中段采空區(qū)不僅會影響礦山生產(chǎn)和城市安全管理，也不利于采空區(qū)周邊殘留礦柱資源回收利用，為了貫徹落實國家“安全第一，預防為主，綜合治理”的安全生產(chǎn)方針[2]，保證礦山開采過程中的安全生產(chǎn)，為礦山的正常生產(chǎn)創(chuàng)造一個安全的作業(yè)環(huán)境，礦山遺留空區(qū)的治理有十分重要的意義。

1 采空區(qū)賦存現(xiàn)狀

天馬山硫金礦業(yè)有限公司位于銅陵市東郊，與銅官山銅礦床及天鵝抱蛋山金礦床相連接。從1990年代開始，天馬山礦業(yè)公司淺部礦體采用淺孔留礦法開采，在對開采后形成的采空區(qū)充填的過程中，由于原銅官山銅礦的銅系統(tǒng)實施閉坑而硫金礦選礦后尾砂量較少，不能滿足大量充填的需求，砂源不足使得空區(qū)充填欠賬逐年增大，其中位于+5m～?215m中段大小采空區(qū)共有160余個，容積超過100萬m3[3]。

礦體主要分為南北兩大區(qū)域，北部區(qū)域的空區(qū)數(shù)量多，并且采空區(qū)之間大多是相通的，但大部分空區(qū)之間只是局部采通或是通過巷道工程連通，大部分的單個空區(qū)的暴露面積和采空區(qū)的高度相對較小；南部空區(qū)數(shù)量較少，但采空區(qū)都是上、下或左、右大面積的連通形成一體，采空區(qū)的體積、暴露面積及高度都較大，甚至出現(xiàn)橫跨3個中段相互連通的大面積采空區(qū)，賦存現(xiàn)狀極其復雜。因此，為確保礦山安全生產(chǎn)，消除采空區(qū)安全隱患，天馬山礦業(yè)公司采空區(qū)綜合治理已迫在眉睫。

2 空區(qū)穩(wěn)定性分析

2.1 地壓監(jiān)測分析

礦山主要采用多點位移計、光彈應力計、三維激光儀和鉆孔應力計監(jiān)測采空區(qū)及礦柱，另外，在復雜大面積采空區(qū)上方地表實施常規(guī)測量監(jiān)測和GPS實施在線監(jiān)測。多點位移計和應變計主要監(jiān)測采空區(qū)周邊巖體內(nèi)部位移變化，鉆孔應力計和光彈應力計重點監(jiān)測采空區(qū)周邊圍巖次生應力變化。

監(jiān)測結(jié)果表明：歷史累計回采形成的空區(qū)，地表最大下沉位移為?0.73mm，位于 4 線附近，空區(qū)頂板+10m 最大位移值為?1.39mm，兩者位移值都較小，地表整體平穩(wěn)。彈應力、應力應變監(jiān)測部分?55m中段礦柱、?95m中段礦柱監(jiān)測點數(shù)據(jù)起伏變化相對較大，說明?55m中段、?95m中段礦柱附近區(qū)域圍巖受井下采礦活動的影響，存在應力集中現(xiàn)象。建議及時對38A線垂直礦柱附近空區(qū)進行高強度膠結(jié)充填，同時逐步對遺留空區(qū)（老采空區(qū)）進行充填處理，徹底消除采空區(qū)安全隱患。

2.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)天馬山礦業(yè)公司當前多中段、大規(guī)模采空區(qū)現(xiàn)狀，采用三維數(shù)值模擬計算采空區(qū)各區(qū)域主應力、位移及塑性區(qū)情況，并且提取關(guān)鍵位置的特征量進行分析研究，評價當前狀態(tài)下主要礦柱、采空區(qū)的穩(wěn)定性。模擬結(jié)果見表1。

表1 天馬礦采空區(qū)各區(qū)域主應力、位移及塑性區(qū)域

由表1可知，采空區(qū)區(qū)域最大主應力—壓應力程度普遍不高，局部存在應力集中現(xiàn)象，最小主應力—拉應力在38A線12m寬垂直礦柱位置明顯，總體上處于強度極限范圍內(nèi)。38A線12m寬垂直礦柱位移量變化稍大，其他礦柱位移變化較小。38A線12m寬垂直礦柱、?135m中段14m厚水平礦柱以拉伸破壞為主，塑性破壞率大于15%，局部區(qū)域破壞達到25%以上，因此亟需對其進行重點監(jiān)測或采取地壓控制措施；跨中段大面積采空區(qū)塑性區(qū)主要集中在上盤，且都以剪切破壞為主，結(jié)合特征剖面塑性區(qū)分布，極有可能發(fā)生局部垮落危險。

2.3 三維激光探測結(jié)果分析

采用空區(qū)三維激光探測(掃描)技術(shù)對采空區(qū)進行探測，形成三維模型，并分析采空區(qū)的形狀，垮落以及空區(qū)體積的變化，檢驗空區(qū)的穩(wěn)定性狀況。探測結(jié)果見表2。

將探測的空區(qū)模型剖面與原爆破設(shè)計邊界進行對比，發(fā)現(xiàn)天馬山礦空區(qū)形狀大致吻合，沒有發(fā)生明顯變化，探測顯示天馬山礦采空區(qū)目前仍處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。但南部區(qū)域部分采場上下中段連通采場連成一體，空區(qū)體積變大，采場暴露面積過大，極易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，對周圍隔離礦柱和相鄰采場的開采造成很大的安全隱患影響。

表2 天馬礦主要采空區(qū)體積

3 采空區(qū)治理方案

3.1 治理方法的選擇

國內(nèi)外采空區(qū)綜合治理的主要方法有“崩、充、支、封、疏、墊”等[4?5]。由于天馬山礦位于銅陵市市區(qū)東側(cè)，為了保障附近居民的生活，結(jié)合天馬山礦的開采現(xiàn)狀，提出了幾種治理方案（見表3）。

天馬山礦南部采空區(qū)都是上、下或左、右大面積連通形成一體，采空區(qū)的體積、暴露面積及高度都較大，甚至出現(xiàn)橫跨3個中段相互連通的大面積采空區(qū)，且在38A線垂直礦柱和水平礦柱出現(xiàn)較大的應力集中現(xiàn)象，周圍空區(qū)暴露面積較大，空區(qū)體積較大，存在較大的風險，膠結(jié)充填對礦山的安全生產(chǎn)有重大意義；北部空區(qū)數(shù)量眾多，膠結(jié)充填成本較高，但采場高度較小，空區(qū)較為穩(wěn)定，適合微膠充填；天馬山礦深部資源量較少、礦石品位較低，礦山開采期限有限。方案三能最大程度降低充填成本，提高礦柱回收率，保證礦山的安全回采。綜上所述，方案三較為合適。

天馬山礦空區(qū)屬于Ⅲ級危險源，即大多數(shù)采空區(qū)具有一般的危險性，少數(shù)采空區(qū)具有較低和較高風險性。因此，對于礦柱周圍或風險性較高的采空區(qū)采用充填法治理比較合適，可滿足地表不允許陷落的要求，較低風險等級的采空區(qū)采用封閉隔離方式進行處理，這類空區(qū)體積小、暴露面積不大，且相對獨立，穩(wěn)定性較好。

表3 天馬礦空區(qū)群治理方案

3.2 充填具體方案

依據(jù)礦山采空區(qū)分布特點，結(jié)合優(yōu)選的治理方法，采空區(qū)充填的總體思路（順序）是：在?255m～?215m構(gòu)建膠結(jié)充填體隔離層，與下部生產(chǎn)區(qū)域隔開，然后采取由下而上、從南至北的方式進行采空區(qū)治理。考慮到部分有價值、高品位礦柱回收問題，總體充填方案為：

（1）?215m～?135m中段之間38A線垂直礦柱以南采空區(qū)上下貫通，以北采空區(qū)頂板暴露面積大，涉及到?175m中段水平礦柱回采，因此均需進行膠結(jié)充填，為礦柱回采創(chuàng)造有利條件。

（2）?135m～?95m中段之間37線至40線采空區(qū)未充填，該區(qū)域涉及到?135m中段水平礦柱安全回采，實施膠結(jié)充填。

（3）?175m～?135m中段27線至37線采空區(qū)采用微膠結(jié)充填。

（4）?95m～+5m中段采空區(qū)多中段互相貫通，采場體積較小，賦存條件復雜，對多中段復雜大面積采空區(qū)實施區(qū)域尾砂微膠結(jié)充填；對部分體積較小，暴露面積較小，空區(qū)較為穩(wěn)定的采場實施區(qū)域封閉。

4 結(jié)論

根據(jù)天馬山開采現(xiàn)狀、空區(qū)群現(xiàn)狀，利用地壓監(jiān)測技術(shù)、數(shù)值模擬、空區(qū)探測技術(shù)對天馬山空區(qū)群穩(wěn)定性進行分析，根據(jù)天馬山空區(qū)群現(xiàn)狀，對不同的空區(qū)治理方案進行分析，選擇合適的充填方法來解決空區(qū)群安全隱患，不僅能最大限度地降低礦山安全隱患，還能提高礦柱回采的安全性，為礦山創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。