錫鐵山鉛鋅礦采空區治理方案優選

高天宇 馬 麟

（1.西部礦業股份有限公司錫鐵山分公司；2.大冶有色設計研究院有限公司）

我國礦山重特大安全事故時有發生，采空區災害是主要誘因之一。采空區災害的主要有片幫、冒頂、突水、地震、巖爆、沖擊地壓、地面塌陷、地面沉降、地裂縫以及由其導致的滑坡、泥石流、地表植被破壞等多種形式［1-3］。采空區破壞了礦山開采技術條件，對礦山安全生產構成嚴重威脅，造成環境惡化、礦產資源嚴重浪費、經濟損失巨大，已經成為制約礦山發展的一個重要難題［4］。隨著礦山向深部開采，地壓增大使采空區更容易發生事故，若不及時治理，就有可能導致大面積地壓活動，造成礦山重特大事故。據統計，到2016年，我國金屬非金屬礦山采空區體積已超過12.8億m3。據不完全統計，我國因采礦引起的地表塌陷面積達1 150 km2，發生采礦塌陷災害的礦業城市有30多個，每年因采礦地面塌陷造成的損失達4億元以上。錫鐵山鉛鋅礦采空區數量多，總體積規模大，單個采空區的體積規模較大，采空區之間相互貫通的情況較多，空間關系復雜，為了安全開采深部礦體，必須加以治理。

1 采空區現狀

錫鐵山鉛鋅礦采礦方法為留礦采礦法和分段空場法，2種采礦方法設計的采出礦石比例為2∶8，采用留礦采礦法開采過程中，頂板穩定性差，安全性得不到保障，礦山目前僅有2個采場采用留礦法進行開采，其余采用分段空場法開采。

礦山在采礦過程中，在礦山溝設置了2個永久保安礦柱，礦山溝以東至無名溝地段的礦體都進行了“三柱”回收以及圍巖崩落工作，該地段采空區已與地表塌透貫通，大量崩落圍巖進入采空區，并在3 002 m中段形成了大于30 m的巖石緩沖層。2 702~3 002 m地段開采的Ⅱ、Ⅲ號礦體厚度大于5 m則采用分段空場采礦法回采，并進行了“三柱”回收工作，在三柱回采爆破的同時，采取了崩落圍巖形成采空區緩沖層的方式治理空區。通過3Dmine軟件建立鉛鋅礦采空區立體可視化模型如圖1所示，通過統計，礦山形成的采空區體積總量超過900萬m3，并且隨著礦山采礦向深部延續，采空區體積規模將按每年約40萬m3的速度進一步增大。通過現場調查發現，部分相鄰采場在頂、底和間柱開采后，采空區連成一片，且一些獨立、偏遠的盲礦體形成的采空區也未及時處理，從安全角度分析，長期存在未治理的大面積和數量眾多的采空區已成為礦山的一個重大安全隱患，并在一定程度上嚴重威脅著礦山的生產安全。圖1為錫鐵山鉛鋅礦采空區立體模型及地表復合圖。

通過在礦山調研可知，由于礦山已開采多年，3 062 m中段以上的3 142、3 222、3 282 m中段人員已經不能進入，經過和礦上人員進行交流分析，預計已經發生較大規模的冒落；現場調查主要針對3 062 m中段及其以下中段。由調研得到已開采中段采空區現狀見表1。

2 采空區治理方案選擇

2.1 采空區治理技術

采空區治理是空場法開采后必須解決的一個重要問題。影響采空區治理方法的主要因素有采空區的大小、形態，礦巖特性，充填物料的來源和質量，礦柱的合理回收情況，建筑物、構筑物能否拆遷，河流能否改道、池塘能否填平，山崩、滑坡、泥石流對礦區的影響等。

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根據目前國內外礦山所采用的采空區治理方法，主要包括充填治理采空區、崩落圍巖治理采空區、留永久礦柱支撐采空區、隔離與疏導采空區和聯合法治理采空區5類，前4類是最基本的采空區治理方法，聯合法是采用上述4種方法聯合治理采空區［5］。由表2可以看出不同治理方法都有其適應的適用條件，在不同條件下各有利弊。

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2.2 采空區治理方案優選

針對錫鐵山鉛鋅礦采空區的治理，具體分析如下。

（1）該鉛鋅礦礦石品位高，采用留永久礦柱支撐的方法，將造成礦山資源量大幅損失，顯然不經濟；隨著開采深度的增加，小尺寸礦柱難以保障生產安全，礦柱尺寸勢必增大，將造成更大的經濟損失；當采空區積累到一定程度時，局部礦柱的應力集中達到極限，礦柱的崩塌只是時間問題，不能從根本上消除采空區的安全隱患。

（2）采用充填法治理采空區被認為是目前治理采空區效果最佳的方法，但是其成本往往也是最高的，工藝也最復雜。根據采空區統計，8、9、10這3個中段的采空區總量在137萬m3。通過充填成本測算，灰砂比1∶15的料漿，當濃度70%~72%，7 d充填體強度≥0.3MPa，可用于治理采空區，充填成本為91.16元/m3，則治理成本達到1.25億元，按30%治理計算，也要3 746萬元，治理成本高，而且短期內就要投入，研究認為不是最佳的方案。

（3）應用封閉隔離法的主要目的是控制采空區冒落時的影響范圍，而不以阻止采空區頂板位移為目標，應用封閉隔離法治理采空區的礦山比較多，通常與其他治理方法結合使用，這是一種經濟、簡便的采空區治理方法。

目前，礦山2 822 m中段以上礦體已全部回采完畢，礦塊在礦房回采后，已完成了“三柱”的回采工作。據礦方統計，3 002 m以上采空區墊層厚度均達到30 m，由現場調查，2 822 m以上采空區基本冒落，與上部采空區冒通，預計形成了至少20 m厚度的緩沖墊層。

礦山現采取的圍巖自然崩落或強制崩落的方法治理采空區，未發生大的采空區安全事故，證明采取崩落法治理采空區的辦法是合理有效的。和充填治理采空區的方法比較，崩落礦巖治理采空區較為簡單易行，成本較低，投資少，采空區如能及時治理，并達到要求的崩落范圍和厚度，可以緩解巖層應力集中，保證井下生產區的安全。國內外的大量實例也證明這種治理方法是安全可靠、技術可行、經濟合理和見效最快的一種治理措施。

因此通過采空區治理方案優選，認為錫鐵山鉛鋅礦采空區治理宜采取封閉隔離和崩落圍巖形成緩沖墊層的方法，即隔離采空區與生產區，懸掛安全警示標志，開展安全檢查相結合的方法；對一定規模以上并對生產有安全影響的采空區，應采取實時監測監控措施，在有大冒落預兆時及時撤除人員、設備及設施。

針對不同類型的采空區具體治理方案如下。

（1）對相對較為獨立和遠離生產作業區的采空區，采用圍巖自然冒落，在通道口構筑格柵隔離，在區域內礦塊回采結束后，在主要巷道構筑隔離墻治理采空區，懸掛警示標志，定期開展安全檢查。

（2）對同一中段連通和靠近生產作業區域的較小規模采空區，采用密閉墻封閉，懸掛警示標志，定期開展安全檢查的方法治理。

（3）對于同一礦帶上，且上、下中段采場采空區直接或間接連成一片形成的大規模采空區，采用密閉墻封閉，并在通道口懸掛安全警示標志，定期開展安全檢查，實時監控空區狀態，在有大冒落預兆時及時撤除人員，懸掛安全警示標志，定期開展安全檢查。

3 結論

（1）為了安全開采錫鐵山鉛鋅礦深部礦體，消除采空區數量多，規模大，空間關系復雜的問題，采用3DMine軟件建立鉛鋅礦采空區立體可視化模型，掌握采空區的三維形態，統計出該鉛鋅礦采空區體積總量已超過900萬m3。

（2）通過對采空區進行現場調查與分析，統計分析礦山已開采中段采空區現狀，從安全可靠、經濟效益、治理周期等方面對不同的采空區治理方案進行比選，研究得出該鉛鋅礦治理采空區適合封閉隔離和崩落圍巖形成緩沖墊層的方案，該方案簡單易行、經濟合理和見效快，能為類似礦山采空區治理提供參考依據。