某金礦采空區(qū)穩(wěn)定性治理措施分析

張健 詹鵬 哈華林 王立

（1.陜西龐家河金礦有限公司，陜西寶雞 721708；2.中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710054）

1 背景

地采礦山隨著開采年限的不斷延伸，采空區(qū)逐漸增加，已慢慢產(chǎn)生了采空區(qū)失穩(wěn)的安全隱患。由許多因素的共同作用決定了采空區(qū)的穩(wěn)定性，根據(jù)現(xiàn)有研究成果，影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要原因有：水文地質(zhì)、上覆巖層的巖石性質(zhì)、埋深、礦體傾角、采礦方法、頂板管理方法[1-4]。而采空區(qū)治理是為了確保空區(qū)不會發(fā)生大的變形、不會發(fā)生塌陷，保證對應(yīng)的地表和周邊環(huán)境不會受到采空區(qū)的影響，保證礦區(qū)生產(chǎn)安全。

采空區(qū)是地下礦山的一個重要的危險源，對其進行治理的意義在于：

（1）控制井下災(zāi)害。

（2）改善地表生態(tài)環(huán)境。

（3）改善通風條件。

（4）控制井下涌水量。

采空區(qū)治理措施目前主要有“崩、充、支、封、疏、墊”等方法，其中崩；就是崩落采空區(qū)圍巖；充：就是充填采空區(qū)；支：就是留永久礦柱支撐或支護采空區(qū)；封：就是密閉隔離；疏：指“開天窗”、溝通泄氣通道等；墊：指形成緩沖墊層。

2 采空區(qū)治理方案概述

（1）礦柱支撐法

采用預(yù)留永久礦柱或人工構(gòu)筑石柱來支撐采空區(qū)的頂板，是一種比較簡單而且有效的治理方法。但是預(yù)留礦柱會導(dǎo)致礦體永久損失；若人工構(gòu)筑石柱來處理，無論是木支架、混泥土還是金屬支架，都很難經(jīng)受長時間的考驗，長久來講，礦柱會侵蝕或風化而破壞，最終會破壞采空區(qū)的穩(wěn)定性，采空區(qū)可能會垮塌。

（2）充填法

處理采空區(qū)較為有效的方法就是充填法。理論上來講，充填法可以處理任何采空區(qū)，但是，無論采用干式還是濕式充填都需要有復(fù)雜的充填系統(tǒng)，建設(shè)、技術(shù)、管理的成本都比較高。因此，要采用充填法就要進行技術(shù)經(jīng)濟比較，綜合考慮。

（3）封閉、隔離疏導(dǎo)法

封閉、隔離疏導(dǎo)法就是采用隔離層（封閉墻）隔絕空區(qū)。空區(qū)存在時，人員不許進入。此種方法相比其他方法，施工簡單，成本低。

（4）崩落法

地表允許陷落、地表沒有需要保護的建構(gòu)筑物或其他設(shè)施，地表水量不大，且易于崩落或變形的情況下，可用崩落法治理采空區(qū)。崩落法以前礦山中應(yīng)用較廣，但是，如今國家對生態(tài)環(huán)保的要求非常重視，崩落法處理空區(qū)的方法很少用了。

（5）聯(lián)合處理法

不同采空區(qū)的結(jié)構(gòu)形態(tài)和所處的環(huán)境都不盡相同，對應(yīng)的處理方法也會不一樣。需要根據(jù)實際狀況進行治理，保證使采空區(qū)處于長期穩(wěn)定狀態(tài)，或者使采空區(qū)圍巖的變形破壞在預(yù)期的時間和范圍內(nèi)緩慢的進行。

3 金礦采空區(qū)概況

金礦在早年間的開采過程，受產(chǎn)品市場以及礦山開采技術(shù)困難等各方面因素的影響，采“富”棄“貧”現(xiàn)象非常嚴重，留下了很多的空區(qū)未處理，對礦山今后的開采產(chǎn)生較大威脅。同時礦山主要采用全面留礦采礦法進行開采，這種方法在開采過程中會留頂柱、底柱還有間柱，礦房與礦柱交錯布置，采空區(qū)依靠礦柱來支撐。開采后留下的采空區(qū)的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在頂板和礦柱上，當?shù)V柱穩(wěn)定，采場頂板暴露面積過大時，頂板將會失去穩(wěn)固性，產(chǎn)生采場冒頂或者整體頂板垮落，引起采空區(qū)失去平衡。因此，為防止采空區(qū)發(fā)生頂板或礦柱失穩(wěn)，分析研究礦山采空區(qū)穩(wěn)定性，并根據(jù)礦山開采技術(shù)條件制定合理的采空區(qū)處理方案，是當前礦山亟需解決的問題。

4 采空區(qū)治理措施研究

根據(jù)礦山詳細采空區(qū)實測圖、采空區(qū)連通巷道實測圖以及采空區(qū)分布現(xiàn)狀和穩(wěn)定性分析與安全分級研究等工作，綜合分析并應(yīng)用上述采空區(qū)治理措施及治理方法選擇原則，對不同的采空區(qū)采用頂板支護、廢石充填、密閉隔離封堵和加固礦柱等不同的方法進行了綜合處理試驗，并對井下空區(qū)加強了觀察和監(jiān)測，對一些新空區(qū)和即將形成的空區(qū)提出了針對性治理方案。

4.1 頂板支護處理及其效果

對于深部中段的采空區(qū)治理要充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，這類采空區(qū)若采空區(qū)高度在合理范圍內(nèi)，可采用錨網(wǎng)噴等柔性支護方案。

根據(jù)Mathews穩(wěn)定性圖解法，目前金礦采空區(qū)頂板均處于支護區(qū)以上，頂板合理支護后能夠保證頂板穩(wěn)定性。根據(jù)現(xiàn)有的錨桿支護的經(jīng)驗和工程實例，可按以下公式計算錨桿參數(shù)。

式中：B——采場跨度；

S——圍巖巖體中節(jié)理間距；

n——圍巖穩(wěn)定性參數(shù)。

當圍巖穩(wěn)定性較好時，取1.0，當圍巖穩(wěn)定性較差時n取1.1，當圍巖不穩(wěn)定時，n取1.2，由工程地質(zhì)調(diào)查與評價可知小板垅工區(qū)三種圍巖類型（矽卡巖、灰?guī)r、花崗巖）均屬Ⅲ級中等質(zhì)量巖體，因此取n=1.0。

式中：S′——為圍巖的裂隙間距；

D——錨桿間距，一般為0.8-1.0m，最大不超過1.5m。

根據(jù)以上分析并結(jié)合現(xiàn)場采場布置情況，對250m 中段211N3-1、211N4-2、211N6-1、211N7-3 采空區(qū)采用了頂板支護處理方案。根據(jù)采場結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究，采場跨度都控制在20m以內(nèi)。經(jīng)計算錨桿參數(shù)為長度2m，間距1.0m。這四個采場在采場上采結(jié)束，準備大出礦前，全部對采場頂板進行了錨網(wǎng)支護試驗。錨網(wǎng)支護后，采場大出礦，頂板支護至今有的一年，有的快三四年了也未發(fā)生頂板冒落或垮塌現(xiàn)象。這種支護效果很好，不僅確保了采場出礦安全，還處理了今后空區(qū)頂板的變形和垮塌隱患，保證了采空區(qū)的穩(wěn)固性。部分支護效果圖如下圖所示：

圖1 與圖2 250中段采空區(qū)支護

4.2 廢石充填措施及其效果

采空區(qū)采用廢石充填法進行處理，具體方案可在采空區(qū)頂部掘進廢石充填天井，分別取地表和井下廢石經(jīng)由充填天井或與采空區(qū)相通的巷道充填采空區(qū)。

為了保證充填效率，可在地表廢石堆場取廢石運至充填井倒入空區(qū)；也可以保證井下廢石不出窿，用于充填空區(qū)。充填廢石盡可能充填至空區(qū)頂板，總充填量不能小于采空區(qū)總?cè)莘e的3/4。充填前先要做好密閉工作，預(yù)防沖擊氣浪和滾石造成傷害。

這種方法對于多中段且上下有對應(yīng)巷道的采場比較適用。例如310中段的211N2-1采空區(qū)，這個采空區(qū)的上方附近有340中段的一條出礦巷道，由于這個采空區(qū)比較大，且空區(qū)頂板超過了340m 標高5m，頂板標高345m，工區(qū)把這個采場空區(qū)做了一個廢石充填試驗。從340 中段的出礦巷道施工了一條平巷到達211N2-1 采空區(qū)旁，并擴幫辟漏形成一個V 型喇叭口與采空區(qū)貫通，鋪設(shè)軌道做好防墜措施。從此310 中段的掘進廢石全部通過這個V 型喇叭口倒入211N2-1 采空區(qū)。從211N2-1 采用廢石充填以來，已使用一年多時間，310 中段的全部廢石都沒有出窿，全部充入了這個采空區(qū)。這個試驗很成功，既降低了整個中段廢石提升出窿成本，又解決了采空區(qū)今后地壓失穩(wěn)帶來隱患的問題。充填效果圖如圖3、4所示：

圖3 340中段倒礦V型喇叭口

圖4 310中段211N2-1采空區(qū)

4.3 密閉隔離封堵措施及其效果

該礦采空區(qū)為相互不連通的孤立采空區(qū)。為了隔離采空區(qū)與生產(chǎn)區(qū)，防止采空區(qū)頂板圍巖崩落所產(chǎn)生的沖擊氣浪危害，在通往采空區(qū)的橫巷設(shè)置密閉墻，考慮到采空區(qū)可能積水，在密閉墻的底部中央預(yù)留寬30cm，高20cm的泄水孔，如下圖5所示。

密閉墻采用磚混結(jié)構(gòu)，墻體內(nèi)布置單層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)間距0.5m×0.5m，鋼筋φ12，現(xiàn)場綁扎。鋼筋與密閉墻兩側(cè)的砂漿錨桿焊接，錨桿用φ18 的圓鋼，長度不小于1.5m，錨桿間距0.5m，錨桿布置形式如圖5 所示。密閉墻的厚度根據(jù)采空區(qū)頂板冒落可能產(chǎn)生的空氣氣浪對密閉墻的作用力來確定。

圖5 井下巷道密閉圖

采空區(qū)密閉墻的厚度計算依據(jù)《采礦設(shè)計手冊》中的“井巷工程卷”楔形防水層閘門計算法。按抗壓強度計算公式如下：

式中：B——密閉墻厚度，m；

a——密閉墻所在巷道凈寬度，m；

b——密閉墻所在巷道凈高度，m；

P——密閉墻承受的荷載；

fc——密閉墻所用材料的抗壓強度；

α——楔形密閉墻側(cè)邊與巷道中心線的夾角，取30°。

若密閉墻被破壞，主要是壓力作用于墻體沿巷道周邊而將墻剪斷，因此還應(yīng)該對初選設(shè)計的墻體厚度進行抗剪強度校核，即：

其中τ（MPa）為密閉墻材料的容許剪切應(yīng)力，一般取密閉墻材料最大抗壓強度的10～15%。

根據(jù)巷道斷面，利用以上公式可大致確定密閉墻的厚度，但從安全的角度出發(fā)應(yīng)選取較大值，再考慮2倍的安全系數(shù)，得出最終的密閉墻厚度。

由于340中段是主要運輸中段，采空區(qū)分布在主運輸巷兩側(cè)，而此中段對應(yīng)上部沒有巷道，充填成本又太高，綜合考慮，工區(qū)采用了密閉隔離封堵措施處理空區(qū)。有的采空區(qū)較小，對連通采空區(qū)的巷道直接采用了38cm 厚紅磚墻砌筑密閉；有的采用了磚混結(jié)構(gòu)密閉，錨桿用φ18 的圓鋼，長度于1.5m，錨桿間距0.5m，墻厚按以上公式計算，再增加了10cm。部分密閉墻如下圖：

圖6 211N1-1采空區(qū)紅磚墻密閉

圖7 211N4-2采紅磚墻混泥土密閉

圖8 211N6-1采磚混結(jié)構(gòu)密閉

圖9 211N7-3采磚混結(jié)構(gòu)密閉

4.4 加固礦柱措施及效果

礦柱的破壞有可能導(dǎo)致大規(guī)模地壓災(zāi)害的發(fā)生，必須引起足夠的重視。礦柱破壞是由于礦柱自身節(jié)理裂隙過多，尤其是陡傾節(jié)理過多或者采場結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理，礦柱的尺寸過小，在開采應(yīng)力的轉(zhuǎn)移過程中，不能承受相應(yīng)的載荷導(dǎo)致的。從礦柱的片幫基本上沿著原有的節(jié)理裂隙面發(fā)生，且其多數(shù)開裂現(xiàn)象也是原有的節(jié)理裂隙面的進一步延伸和發(fā)展。

目前用于礦柱加固的主要方法有錨桿加固、高水固結(jié)材料墻加固、注漿加固、充填加固等。根據(jù)礦柱破壞原因的分析，通常礦柱加固補強方案按經(jīng)驗設(shè)計為混凝土加錨桿的形式。其中207 中段的211N9-2 采場的南部邊柱與主運輸巷毗鄰，由于礦柱開裂，且發(fā)生小面積片幫，嚴重影響了運輸巷的正常通行，影響了中段的正常出礦。針對此種情況，我們決定對礦柱采取了混泥土加錨桿的加固措施。加固后，礦柱旁的運輸巷已恢復(fù)使用，解決了207 中段的出礦問題。

5 結(jié)論

減少和消除采空區(qū)安全隱患，需要對井下不穩(wěn)定采空區(qū)進行綜合治理。本文對采空區(qū)和礦柱穩(wěn)定性提出了采空區(qū)治理的意義和必要性，同時對采空區(qū)治理方案進行了概述，并提供了采空區(qū)治理方案選擇原則，之后對金礦的采空區(qū)提出了綜合治理措施，針對不同的采空區(qū)采用了頂板支護、廢石充填、密閉隔離封堵和加固礦柱等不同的方法進行綜合處理試驗，并取得了較好的試驗效果。