阿爾哈達(dá)鉛鋅礦采空區(qū)群治理方案

賈瀚文，裴佃飛，吳欽正，劉煥新，尹延天，董春蕾

(1. 山東黃金集團(tuán)有限公司 深井開采實(shí)驗(yàn)室，山東 萊州 261442；2. 山東黃金集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3. 東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819 )

由于歷史和技術(shù)等原因我國金屬礦山在開采初期通常采用空場法、淺孔留礦法等采礦方法，因此形成了大量的采空區(qū)，且分布廣泛。采空區(qū)的存在極易引發(fā)頂板冒落、地表沉降、片幫及突水等多種礦山災(zāi)害事故，嚴(yán)重威脅著礦山的安全，造成不可挽回的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。采空區(qū)安全治理的實(shí)質(zhì)是轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中部位，緩和巖體應(yīng)力集中程度，使應(yīng)力達(dá)到新的相對平衡，從而控制和管理地壓，保證礦山安全生產(chǎn)[2-3]。

采空區(qū)安全治理方法主要有崩落采空區(qū)[4-6]、充填采空區(qū)[7-9]及永久礦柱支撐采空區(qū)[10-11]等方法。崩落圍巖治理采空區(qū)對采空區(qū)周邊環(huán)境及施工 工藝要求較高，易發(fā)生采空區(qū)內(nèi)大量巖石突然冒落從而造成氣浪傷害；依靠永久礦柱支撐采空區(qū)只 能解決短期的穩(wěn)定性問題，隨著工程爆破擾動以及巖石的流變特性，采空區(qū)頂板仍存在失穩(wěn)破壞的 風(fēng)險。因此，目前礦山多采用充填方法治理采空區(qū)。許多學(xué)者在充填治理采空區(qū)方面取得了相應(yīng)的成果，白錦文[12]等提出了關(guān)鍵柱柱旁充填巖層 控制技術(shù)；代慶松[13]等采用數(shù)值模擬與動力響應(yīng)模型確定了某鎢錫金屬礦山采空區(qū)充填的強(qiáng)度匹 配方案；曹建立[14]等采用相似模擬試驗(yàn)分析了充填散體結(jié)拱及流動特性，確定了地表充填井合理尺 寸及布置參數(shù)；劉學(xué)文[15]采用局部充填法對沙坪 煤礦采空區(qū)進(jìn)行充填，有效保護(hù)了地表建筑物；周智勇[16]等借助采空區(qū)群動力響應(yīng)模型與類框架結(jié)構(gòu)模型，對某金屬礦山12個采空區(qū)進(jìn)行了充填治理。

目前采空區(qū)充填治理技術(shù)多用于獨(dú)立采場或某中段采空區(qū)群，對于因歷史原因產(chǎn)生的大規(guī)模采空區(qū)群治理方法的研究較少。筆者以阿爾哈達(dá)鉛鋅礦多中段采空區(qū)群為工程背景，采用現(xiàn)場逐一踏勘與三維建模方式構(gòu)建采空區(qū)群三維模型，借助CMS三維激光掃描技術(shù)定量分析采空區(qū)充填體積，利用室內(nèi)試驗(yàn)確定充填配比，繼而制定采空區(qū)群治理方案，最后建立地表沉降監(jiān)測系統(tǒng)，以確保礦山安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

阿爾哈達(dá)鉛鋅礦位于內(nèi)蒙古高原，海拔高度為+922～+1 045 m，工作區(qū)地表高度為+1 021 m。該礦為淺成—超淺成侵入巖與碳酸巖接觸形成的鉛鋅銀多金屬矽卡巖型礦床，礦帶走向長2 100 m，平均厚度1～10 m，礦帶自西向東在3～7號勘探線和53～57號勘探線有2條較大破碎帶F1和F3，43號勘探線以西礦體平均傾角45°，43號勘探線以東礦體平均傾角60°。2014年以前，采礦充填系統(tǒng)沒有形成，采礦方法為單一的空場采礦法。采場結(jié)構(gòu)參數(shù)為長50 m，段高40 m，其中淺孔留礦法留設(shè)的頂柱厚度為4～6 m，中深孔分段空場法留設(shè)的頂柱厚度為6～8 m，2種空場法留設(shè)的間柱均為8 m。最上部采礦為928 m中段，808 m中段以上采空區(qū)不充填。由于阿爾哈達(dá)鉛鋅礦前期為民采，768 m中段以上采場資料缺失嚴(yán)重，筆者通過實(shí)地采場逐一踏勘并結(jié)合工程地質(zhì)報(bào)告，利用3DMine軟件建立了768 m中段至928 m中段的三維模型，模型中以43號勘探線為界線，該勘探線以東簡稱東區(qū)，以西簡稱西區(qū)，如圖1所示。從前期踏勘繪制的三維模型圖可以看出，未完全塌陷的采場主要集中在東區(qū)以及768 m中段西區(qū)。以7231采場為例，本文中采場編號的命名方式為728 m中段31號勘探線處采場即為7231采場。

圖1 阿爾哈達(dá)鉛鋅礦模型 Fig. 1 Overall layout of Alhada Lead-zinc Mine

2 采空區(qū)激光探測

2.1 基于CMS探測的采空區(qū)穩(wěn)定性分析

采空區(qū)穩(wěn)定性是一個極其復(fù)雜的問題，其不僅和開采礦體的埋深、傾角、厚度、上覆巖層的巖性等水文地質(zhì)條件相關(guān)，同時也與開采面積、頂板管理方法、開采次數(shù)、開采方法等有密切聯(lián)系。采空區(qū)是開采礦體后遺留的結(jié)構(gòu)，因此與礦體有著相同的構(gòu)造，相似的空間形態(tài)。同一礦脈開采后遺留的采空區(qū)在空間形態(tài)上保持著高度的自相似性[17]，由此可以根據(jù)已探測的采空區(qū)形態(tài)、冒落高度、穩(wěn)定狀態(tài)來定性地分析同一礦脈其他采空區(qū)的穩(wěn)定狀況。

阿爾哈達(dá)鉛鋅礦前身為民營企業(yè)，采空區(qū)群均為該時期形成，相關(guān)資料缺失且采場已無法進(jìn)入，本文基于CMS探測采空區(qū)頂板冒落情況定性分析其穩(wěn)定性。由于遺留采空區(qū)坍塌嚴(yán)重，絕大部分天井已損壞，本次采空區(qū)探測受現(xiàn)場條件限制，分別選取礦區(qū)西區(qū)35號勘探線7635采場與東區(qū)61號勘探線7661采場作為區(qū)域的典型采空區(qū)以判別采空區(qū)群穩(wěn)定性。7635采場跨度100 m，傾角42°；7661采場跨度63 m，傾角68°，兩者分別為西區(qū)和東區(qū)跨度最大、傾角較緩的采場，具備作為穩(wěn)定性參照采場的必要條件。7635采場與7661采場采空區(qū)冒落情況如圖2，3所示。

圖2 7635采場的冒落情況 Fig. 2 Results of roof caving in 7635 stope

7635采場跨度較大，且CMS激光掃描儀存在掃描盲區(qū)，因此掃描結(jié)果未能覆蓋7635全部采場，由圖2可知，其冒落高度為14～17.5 m，采空區(qū)頂板相對穩(wěn)定。圖3顯示7661采場冒落高度為8.2～13.6 m，采空區(qū)頂板相對穩(wěn)定。由此可以推斷，西區(qū)采場跨度小于100 m，傾角大于42°的采場頂板穩(wěn)定，冒落高度小于17.5 m；東區(qū)采場跨度小于63 m，傾角大于68°的采場頂板穩(wěn)定，冒落高度小于13.6 m。筆者以768 m中段采空區(qū)為例，采空區(qū)穩(wěn)定性定性分析結(jié)果見表1。由于采空區(qū)群已經(jīng)存在多年，且離深部采場較遠(yuǎn)，又無爆破擾動的影響，因此，可以定性判斷其不會繼續(xù)出現(xiàn)大規(guī)模冒頂。

圖3 7661采場的冒落情況 Fig. 3 Results of roof caving in 7661 stope

表1 768 m中段采空區(qū)穩(wěn)定性定性分析結(jié)果 Table 1 Stability analysis results of 768 m goaf

2.2 基于CMS探測的采空區(qū)體積估算

通過現(xiàn)場對西區(qū)888 m中段至808 m中段實(shí)測調(diào)查，采場基本全部垮落。基于CMS激光探測可知，西區(qū)7635采場的垮落最終形態(tài)是由采場上盤失穩(wěn)導(dǎo)致，采場頂板保存完好，由此可以推斷西區(qū)888 m中段至808 m中段塌陷的57個采空區(qū)并未塌實(shí)，在頂板處可能留有三角采空區(qū)，如圖4所示。

圖4 888 m中段至808 m中段西區(qū)采空區(qū)最終存在形態(tài) Fig. 4 Final shape of goaf in the west of 888 m middle section to 808 m middle section

該三角采空區(qū)的形態(tài)是由巖石的靜態(tài)自然安息角確定，由《采礦設(shè)計(jì)手冊》[18]可知鉛鋅礦的靜態(tài)自然安息角為40°，由此可以估算出西區(qū)塌陷的57個采場殘留的采空區(qū)體積占采場體積的5.8%；由于808 m中段以下采用充填法開采，因此西區(qū)768 m中段采空區(qū)相對保存完好，由2.1節(jié)可知，7635采場垮落散體平均高度為15.75 m，由此可以推斷768 m中段西區(qū)采場殘留的采空區(qū)體積占采場體積的50.9%。

通過現(xiàn)場對東區(qū)888 m中段至768 m中段實(shí)測調(diào)查，除靠近43～51號勘探線破碎帶處的7個采場塌陷，其余28個采場的采空區(qū)均保存相對完好。由CMS激光探測結(jié)果可知，7661采場垮落散體平均高度為10.9 m，由此可以推斷東區(qū)采場殘留的采空區(qū)體積占采場體積的65.9%。同理，東區(qū)塌陷的7個采場依然可能存在三角采空區(qū)，殘留的采空區(qū)體積占采場體積的5.8%。采空區(qū)掃描結(jié)果為后續(xù)采空區(qū)治理的研究工作提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 采空區(qū)充填治理方案

3.1 整體規(guī)劃

經(jīng)過實(shí)地調(diào)查可知，目前已形成的采空區(qū)有101個，其中位于西區(qū)的采空區(qū)有68個，東區(qū)的采空區(qū)有33個。西區(qū)的采空區(qū)大多體積較大，頂板暴露面積大，穩(wěn)定性較差，采空區(qū)的存在給安全生產(chǎn)造成了極大的隱患。結(jié)合阿爾哈達(dá)鉛鋅礦生產(chǎn)實(shí)際，根據(jù)采空區(qū)的分布特點(diǎn)，確定了采空區(qū)充填處理總體規(guī)劃方案，充填治理的總體順序?yàn)樽韵露现饌€中段治理，即先充填768 m中段隨后依次充填808 m中段、848 m中段和888 m中段。由于27～33號勘探線礦體厚大，西區(qū)首先充填27～33號勘探線采空區(qū)，隨后向兩翼逐步充填殘采；53～57號勘探線存在破碎帶，東區(qū)首先充填破碎帶下盤采空區(qū)，自破碎帶向東逐步充填殘采。768 m中段作為首充段，西區(qū)7631采場和東區(qū)7651采場作為第1充填區(qū)域，7631采場充填完畢后向兩翼依次充填至7619采場和7637采場，7651采場充填完畢后向東依次充填至7663采場；808 m中段作為第2充填中段，西區(qū)8027采場和東區(qū)8055采場作為第2充填區(qū)域，8027采場充填完畢后向兩翼依次充填至8009采場和8045采場，8055采場充填完畢后向東依次充填8057采場和8069采場；848 m中段作為第3充填中段，西區(qū)8429采場和東區(qū)8459采場作為第3充填區(qū)域，8429采場充填完畢后向兩翼依次充填至8407采場和8439采場，8459采場充填完畢后向東依次充填至8471采場；888 m中段作為第4充填中段，西區(qū)8827采場和東區(qū)8855采場作為第4充填區(qū)域，8827采場充填完畢后向兩翼依次充填至8807采場和8837采場，8855采場充填完畢后向東依次充填至8869采場。

3.2 充填配比試驗(yàn)

根據(jù)阿爾哈達(dá)鉛鋅礦尾砂物理化學(xué)性質(zhì)，選取分級尾砂( 尾礦庫取樣 )為充填骨料，在低溫環(huán)境下制漿，漿體澆注至7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm標(biāo) 準(zhǔn)三聯(lián)金屬試模中，并放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行低溫環(huán)境養(yǎng)護(hù)( 養(yǎng)護(hù)溫度7℃，濕度90% )，試塊到規(guī)定齡期后脫模，在專用壓力機(jī)上進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試。根據(jù)制定的試驗(yàn)方案，在室內(nèi)制作試塊并測定其相 應(yīng)齡期的單軸抗壓強(qiáng)度值，充填配比試驗(yàn)結(jié)果見 表2。

表2 充填配比試驗(yàn)結(jié)果 Table 2 Test results of filling material ratio

由表2可知，隨著水泥含量的減少，膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度明顯降低，如A組灰砂比1∶6試塊的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)比較致密，其28 d抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到1.64 MPa左右，而灰砂比1∶10試塊的28 d抗壓強(qiáng)度僅0.48 MPa，且有分層、離析現(xiàn)象。試塊單軸抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間的增加而增大，如各質(zhì)量濃度28 d強(qiáng)度與7 d強(qiáng)度相比有較大幅度增加，且質(zhì)量濃度越高，增加幅度越大，說明充填體中的水泥含量較大時其強(qiáng)度增加較為明顯，且持續(xù)時間較長，對充填有利。

充填體的抗壓強(qiáng)度與料漿的質(zhì)量濃度有關(guān)，料漿的質(zhì)量濃度越高，充填體抗壓強(qiáng)度越大，試驗(yàn)結(jié)果顯示：漿體質(zhì)量濃度由65%提高至75%，28 d單軸抗壓強(qiáng)度可提高2～3倍。但由于尾砂膠結(jié)充填體和易性強(qiáng)、黏性大，過高的質(zhì)量濃度會使管道輸送困難。試驗(yàn)結(jié)果表明，灰砂比小于1∶6，即使質(zhì)量濃度提高，各組充填體28 d強(qiáng)度均不能達(dá)到1 MPa，當(dāng)灰砂比為1∶8和1∶10時，不能作為膠結(jié)層面，將影響機(jī)械和人在充填體上的作業(yè)。

3.3 工業(yè)試驗(yàn)

阿爾哈達(dá)鉛鋅礦首先對768 m中段采空區(qū)進(jìn)行充填處理。對768 m中段25～35號勘探線采空區(qū)充填做準(zhǔn)備工作，施工充填鉆孔15處，架設(shè)板墻18處。充填管道自貫通地表的管纜井下延至808 m中段，管道下料口連接φ100 mm充填鉆孔，考慮到經(jīng)濟(jì)性，充填料漿灰砂比采用1∶6和1∶8及純尾砂3種類別。采空區(qū)底層先采用灰砂比1∶6的充填料漿進(jìn)行充填，充填至1 m垂直高度，再采用分級尾砂充填2～3 m，之后全部采用灰砂比1∶8的充填料漿。料漿質(zhì)量濃度為65%～70%。充填過程中密切觀察泄水板墻泄水情況，根據(jù)泄水速度調(diào)整下料點(diǎn)及充填量，采用“多點(diǎn)下料，次多量少”的充填方式。

充填擋墻及管路布設(shè)如圖5所示。

圖5 工業(yè)試驗(yàn) Fig. 5 Industrial test

經(jīng)過工業(yè)試驗(yàn)，僅768 m中段25～35號勘探線采空區(qū)累計(jì)充填2.25萬m3，完成了該區(qū)域采空區(qū)充填。單采空區(qū)單日最大充填量達(dá)到1 240 m3，平均每小時充填60～80 m3，充填料堆積垂直高度35 m。充填過程中未出現(xiàn)堵管、板墻倒塌或漏漿等情況。根據(jù)808 m施工采空區(qū)聯(lián)巷的揭露情況，充填料平整度好，密實(shí)度大，滿足采空區(qū)治理及后期頂柱回收的施工要求。

4 地表沉降監(jiān)測

4.1 監(jiān)測方案

為了確保礦山的安全生產(chǎn)和充填治理的順利進(jìn)行，在地表布設(shè)了沉降監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)采用SD-226型液壓式靜力水準(zhǔn)儀( 圖6 )，該液壓式靜力水準(zhǔn)儀是由儲液器、進(jìn)口高精度芯體和特殊定制電路模塊、保護(hù)罩等部件組成。采用四芯電纜將各靜力水準(zhǔn)儀并聯(lián)，然后連接至數(shù)據(jù)采集終端，四芯電纜中兩芯用于傳感器供電，其余兩芯用于數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)采集終端內(nèi)置無線傳輸模塊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至云端數(shù)據(jù)服務(wù)中心；監(jiān)測中心服務(wù)器通過HTTP傳輸協(xié)議訪問云端數(shù)據(jù)服務(wù)中心，用戶可以對項(xiàng)目進(jìn)行查詢、管理、維護(hù)等操作。

圖6 靜力水準(zhǔn)儀布設(shè) Fig. 6 Layout of static level

25號勘探線處塌陷坑直徑約125 m，29號勘探線處塌陷坑直徑約70 m。考慮地表移動帶的范圍，確定該區(qū)域監(jiān)測范圍自23～31號勘探線，沿礦體走向300 m( S1監(jiān)測線 )和傾向170 m( S2監(jiān)測線 )范圍各布置10個測點(diǎn)，用于監(jiān)測地表移動帶的沉降規(guī)律，地表沉降監(jiān)測測點(diǎn)布置如圖7所示。

圖7 地表沉降監(jiān)測測點(diǎn)布置 Fig. 7 Location of surface subsidence monitoring points

4.2 監(jiān)測結(jié)果

地表液體靜力水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)于2018年4月27日安裝，經(jīng)調(diào)試于5月1日正式運(yùn)行。S1測線內(nèi)各測點(diǎn)的累計(jì)沉降值如圖8所示，Q2～Q5測點(diǎn)的累計(jì)沉降值在0處波動，該監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地表未發(fā)生沉降；Q10測點(diǎn)累計(jì)沉降值在2 cm處波動；Q7～Q9測點(diǎn)隨時間 的變化沉降值不斷變大，于8月18日開始周期性波動，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，Q7測點(diǎn)累計(jì)沉降值約為5.2 cm，Q8測點(diǎn)累計(jì)沉降值約為7.9 cm，Q9測點(diǎn)累計(jì)沉降值約為5.7 cm。

圖8 S1監(jiān)測線各測點(diǎn)累計(jì)沉降曲線 Fig. 8 Cumulative settlement curves of each measuring point on S1 monitoring line

S2測線內(nèi)各測點(diǎn)的累計(jì)沉降值如圖9所示。

圖9 S2監(jiān)測線各測點(diǎn)累計(jì)沉降曲線 Fig. 9 Cumulative settlement curves of each measuring point on S2 monitoring line

N2～N6測點(diǎn)的累計(jì)沉降值在0處波動，該監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地表未發(fā)生沉降；N10測點(diǎn)于9月2日開始出現(xiàn)沉降，最大累計(jì)沉降值為8.5 cm；N7～N9測點(diǎn)隨時間的變化沉降值不斷變大，于8月10日開始周期性波動，3個測點(diǎn)最終在沉降值8 cm處趨于穩(wěn)定。截至2018年7月阿爾哈達(dá)鉛鋅礦已完成了部分中段的充填作業(yè)，S1測線和S2測線在2018年9月后地表累計(jì)沉降值不再增加，充填效果明顯。

5 結(jié) 論

( 1 ) 基于CMS激光探測與現(xiàn)場踏勘，得出西區(qū)采空區(qū)的垮落最終形態(tài)是由采場上盤失穩(wěn)導(dǎo)致，西區(qū)采空區(qū)和東區(qū)破碎帶影響下的采空區(qū)存在三角采空區(qū)，由鉛鋅礦的靜態(tài)自然安息角確定三角采空區(qū)體積占采場體積的5.8%；由7635采場垮落散體平均高度推斷，768 m中段西區(qū)采場殘留的采空區(qū)體積占采場體積的50.9%；由7661采場垮落散體平均高度推斷，東區(qū)破碎帶影響范圍外采場殘留的采空區(qū)體積占采場體積的65.9%，由此得出采空區(qū)群中每個采空區(qū)的大致體積。

( 2 ) 進(jìn)行了充填體力學(xué)性能和充填漿體物理參數(shù)試驗(yàn)，確定了灰砂比為1∶6，質(zhì)量濃度為75%的充填體28 d強(qiáng)度為1.64 MPa，可以用于冬季低溫時人工假底充填。灰砂比為1∶8，質(zhì)量濃度為75%的充填體28 d強(qiáng)度為0.83 MPa，可以將此配比作為普通充填使用。

( 3 ) 考慮地表移動帶的范圍，確定該區(qū)域監(jiān)測范圍為23～31號勘探線，沿礦體走向300 m和傾向170 m范圍各布置10個測點(diǎn)，并布設(shè)液體靜力水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測結(jié)果表明，地表最大累計(jì)沉降值約為8.5 cm，最終地表垂直變形趨于穩(wěn)定，驗(yàn)證了充填治理方案的合理性。