里伍銅礦采空區分級評價及治理方案研究

陽德華，龔永超，張先澤，張芫濤

(1.四川里伍銅業股份有限公司， 四川 甘孜州 626200； 2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

0 引言

對于采用空場法尤其是全面法房柱法等的礦山，空場的處理尤為重要，處理不及時或處理不到位，井下采空區面積達到臨界值時，則會導致采空區的大規模冒落、地壓沖擊等災害，對人員作業安全造成嚴重威脅，導致財產損失。對于空場法產生的空區，除了少數特殊空場可以用永久性礦柱支撐外，其余采空區都需要進行處理并消除空區。但我國許多空場法礦山由于管理混亂、空區年代久遠等原因，導致存在大量采空區并未采取合理措施進行處理，嚴重威脅礦山的安全生產，甚至威脅到礦區的生態環境安全。由此可見，如何根據礦山現有條件及空區分布特點研究安全可行、經濟合理、簡單適用的空區處理技術不僅對礦山安全生產具有重大意義，同時對改善生態環境同樣重要，具有重大經濟及社會意義[1]。

總結目前國內外采空區處理的方法及經驗，總的來說可以將空區處理方法分為充填和崩落兩種，而基于這兩種處理方法又可以細分為“崩”、“充”、“封”、“撐”以及這幾種方法聯合處理等五類[2-3]。

“崩”指崩落法，將空區圍巖崩落，再利用崩落的巖石充填采空區。其特點是：將空區圍巖崩落，崩落的圍巖既可以充填采區提供支撐，也可以作為緩沖保護墊層，從而避免采空區大面積不受控制的冒落引起沖擊波等災害。通過崩落圍巖可以有效消除空區，從而避免了大面積空區導致的地壓活動和局部地區地應力的過度集中，同時由于崩落法工藝簡單、成本低且勞動效率高等特點，從而在國內外得到廣泛應用[4-5]。

“充”指充填法，即應用充填材料將地下空區進行充填，從而限制其圍巖的變形，一般是利用車輛或管道運輸，充填材料一般選用廢石或其他濕式充填料。由于充填法成本較高，其應用范圍多為貴重、稀有金屬以及高品位或易自燃的礦床開采，當地表嚴禁產生明顯變形、圍巖穩固性較差時也應選用充填法[6-8]。

“撐”指支撐法，即通過留設礦柱或者人為構筑永久礦柱用以支撐采空區穩定。支撐法在緩傾斜薄中厚以下礦體應用較多，要求地表允許冒落，圍巖較穩固的礦體尤其是品位不高的賤礦體[9]。

“封”指通過將空區進行封閉并隔離的方法來處理井下空區。此方法工藝簡單，處理成本低，適用于處理規模較小的孤立的礦體開采后形成的空 區，以及礦體兩翼回采后的空區和需繼續回采的大礦體上部的空區[10]。

“聯合”指聯合法，即通過同時應用“崩”、“充”、“封”、“撐”中的幾種方法來處理空區，這樣可以克服單一方法的局限，同時具有各種方法的優點，應用靈活、成本可控、處理效果好。

綜上所述，可得出如下幾點結論。

（1）在選用不同的空區處理方法時要根據其應用范圍及其優缺點。崩落法雖然能快速及時地處理空區，且其工藝簡單，勞動效率高，但處理小埋深礦體以及厚大礦體的采空區時，會容易導致地表的沉陷變形；而充填法雖然能夠很好地充填空區限制頂板的位移變形，但其投資成本高，前期投入大，充填成本高，需要建設充填系統；而支撐法雖然能暫時穩固頂板，保證空區的穩定，但隨著時間的推移，最終還是會導致空區圍巖的形變塌陷，并不能永久避免頂板造成的沖擊地壓，且礦柱的留設會導致大量礦體的損失，而人工礦柱的構筑成本較高。

（2）聯合法能夠具備各種方法的長處，從而克服單一方法的局限性，應用前景廣。

（3）空區處理要充分結合空區特點，其根本目的是保證生產安全，保護生態環境，同時最大限度地開發礦產資源，保證礦山的可持續發展。

1 里伍銅礦采空區現狀

經過多年的生產開采，目前里伍銅礦已經開采至2420 m中段，現形成采空區約80萬m2。通過多 年的采空區處理，目前2680 m中段以上已采用崩落圍巖、阻波墻等形式處理完畢，通過崩落圍巖既充填了采空區，又是一種卸壓手段，緩和空區的應力集中，控制了礦山的地壓，且崩落圍巖可以形成一層緩沖巖石層，避免了大規模圍巖崩落產生的沖擊地壓對巷道、人員以及設備的危害。重要運輸巷道也通過構筑一定長度的擋墻，封閉空區，預防一旦圍巖整體突然冒落時機械沖擊與氣浪沖擊的危害。上述措施保證了2680 m中段及以上區域的安全，能有效防止上部采空區大面積塌落沖擊波對下部中段生產作業的嚴重破壞，上部大規模采空區災害已基本消除，實際生產過程中，由于上部空區的處理也提供了目前四期采礦作業的穩定。

礦山為確保各中段無較大安全隱患，在各未進行空區處理中段均布置了相應的地壓監測點，通過監測點聲發射時間發生頻率判定巖體垮塌情況。具體的監測措施見表1。

從監測內容，里伍銅礦對巖層頂板、空區礦柱、地表巖體等區域均做了相應的監測。結合多年的監測結果可知，目前里伍銅礦所布置的巖體聲發射檢測點其大部分發射參數較小，僅在小部分位置值較大，在現有條件下，所測區域并未發生明顯的巖體聲發射，無較大的巖層移動、坍塌情況發生；在現有的應力計監測點中，大部分應力計顯示為未受壓狀態，局部區域存在受壓情況，但所受壓力較小。表明目前所測區域礦柱、重要巷道巖壁處于暫時穩定狀態，無較大安全隱患。

表1 里伍銅礦地壓監測項目和內容

結合現場對各中段的勘查情況，可以看出，地壓監測的數據與實際情況相符，局部區域存在垮塌、冒落的情況。整體而言，里伍銅礦2680 m中段以下區域空區群屬于暫時穩定階段，但由于存放時間較長，四期工程生產深入，后續空區群的存 在失穩破壞的情況將加劇，需及時分析，及時加強治理。

2 2680～2580 m中段空區穩定性分級

結合國內外實踐經驗，考慮里伍銅礦的實際情況，選用綜合評價法進行采空區的穩定性分級，通過將建立的關系矩陣與模糊理論相互結合，最終依據數據所得權重判定采空區的穩定性。

地下礦山中采空區賦存環境復雜，其穩定性受多方面因素的共同影響。僅對單一因素進行考慮，易造成評價結果出現較大偏差。綜合國內外研究成果，結合里伍銅礦現有地質資料及國內外類似礦山情況，選用巖石的單軸抗壓強度、頂板暴露面積、巖石單軸抗壓強度與最大初始應力比值、最大主應力方向與頂板方位關系、結構面間距、結構面產狀與頂板方位關系、地下水、礦柱狀況8個影響因素共同進行采空區穩定性分級。

各采空區影響因素依次列入關系矩陣對角線的位置，建立采空區穩定性分級的關系矩陣，具體見式（1）。式（1）中結構面狀態因素包含的次級因素有2個，即結構面間距與產狀；原巖應力狀態包含的次級因素分別為單軸抗壓強度和最大初始應力比值及最大主應力與采場頂板方位關系；最后組成的關系矩陣式里總共有64個因素，主要因素有8個，相互作用的因素有56個。

式中，RC為巖石的單軸抗壓強度影響因素；AR為頂板暴露面積影響因素；ST為巖石單軸抗壓強度與最大初始應力比值；SL為最大主應力方向與頂板方位關系影響因素；DI為結構面間距影響因素；DO為結構面產狀與頂板方位關系影響因素；WT為地下水影響因素；PA為礦柱狀況影響因素。

由上式中各因素的影響關系可計算出各采空區影響因素的活動性指數。通過計算，最終各主要影響因素的活動性指數見表2。

表2 采空區穩定性影響因素活動性指數值/%

根據各個影響因素活動性指數的大小及國內外類似礦山的取值方法，結合礦山實際情況，最終可得到各采空區穩定性因素的隸屬度值。在進行采空區穩定性分級時把各影響因素隸屬度值放入關系矩陣中共同進行計算，即將各影響因素的活動性指數與其相對應的隸屬度值進行乘積并累加，其累加值結果即為采空區穩定性系數。根據表3的分級方案，結合穩定性系數的計算結果，可對里伍銅礦各個中段的穩定性進行相應的分級，從而判斷出里伍銅礦各中段的穩定性情況，進而為后續的治理方案提供數據支持。

表3 采空區穩定性分級方案

里伍銅礦2680～2580 m中段的采空區穩定性分級情況見表4。

表4 各中段采空區穩定性系數計算結果

通過上述計算結果可以看出，里伍銅礦2680 m及以下中段的采空區均屬于中等穩固狀態，根據所計算的穩定性系數亦可看出，2680～2640 m中段穩定性系數值較低，因此，該中段區域會形成時間較長的老舊空區，局部區域會存在垮塌、冒落的情況發生。而2620～2580 m中段，采空區穩定系數相對較高，加之空區形成時間相較上部區域時間較短，目前仍處于穩定狀態，但需要加強地壓監測，避免礦柱、頂板破壞而導致冒落情況的發生。

3 采空區治理研究

基于2680～2640 m采空區現狀調查結果和空區分級評價結論，結合采空區處理方法的選擇原則，確定2680～2580 m中段采空區治理方案。

2680 m中段：現存采空區面積約90 056 m2，B2礦體巖石局部不穩固，空場面積較大，存在崩落風險。為避免較大沖擊波，在B2礦體巷道與盲斜井相接的三岔口采用施工1#鋼混阻波墻進行封堵。A2采空區已進行了大區條帶崩落頂板隔離處理，現將與B1單層礦體與A2相連的巷道，采用2#巖石阻波墻處理，工程量為200 m3。工程布置如圖1所示。

圖1 2680 m中段空區部分處理工程布置

2660 m中段對A2空場進行1#巖石阻波墻處理，崩落工程量200 m3；B2礦體局部空場不穩固，為有效防止后續可能存在的沖擊波影響，在B2空場運輸平巷處采用1#鋼筋混凝土阻波墻處理，工程量20 m3。

2640 m中段B2礦體中部施工1條大區條帶崩落頂板隔離處理，西邊由于靠近江郎溝地表，部分礦房已自然崩落接頂。A2礦體采用大區條帶崩落頂板隔離處理。為防止沖擊波影響，在A2礦體巷道采用1#巖石阻波墻處理，崩落工程量為200 m3，B2礦體巷道采用1#鋼筋混凝土阻波墻，工程量為20 m3。

2620 m中段：采空區面積約40 177 m2，空區中等穩固，且形成時間相較于上部中段較短，綜合考慮現場安全，對A2礦體相連中段運輸大巷采用1#巖石阻波墻處理，以防控沖擊波產生的危害，工程量為200 m3；B2礦體由于巖石局部不穩固，且考慮到上部中段出現過垮塌現象，為避免較大沖擊波，故采用1#鋼筋混凝土阻波墻，工程量為20 m3。

2600 m中段：采空區面積約35 719 m2，空區中等穩固，且形成時間相較于上部中段較短，綜合考慮現場安全，對A2礦體相連中段運輸大巷采用1#巖石阻波墻處理，以防控沖擊波產生的危害，工程量為200 m3；B2礦體由于巖石局部不穩固，且考慮到上部中段出現過垮塌現象，為避免較大沖擊波，故采用1#鋼筋混凝土阻波墻，工程量為20 m3。

2580 m中段：采空區面積約32 763 m2，空區中等穩固，且形成時間相較于上部中段較短，綜合考慮現場安全，對A2礦體相連中段運輸大巷采用1#巖石阻波墻處理，以防控沖擊波產生的危害，工程量為200 m3；B2礦體由于巖石局部不穩固，且考慮到上部中段出現過垮塌現象，為避免較大沖擊波，故采用1#鋼筋混凝土阻波墻，工程量為20 m3。

上述幾個中段的B2礦體礦石品位較高，在充填系統未建設完成前，先采用鋼筋混凝土阻波墻控制沖擊波對人員的傷害，讓采空區自然崩落，待后續充填系統建設完成后，可拆除鋼筋混凝土阻波墻，改采用充填法控制空區，并完成相應礦柱的回采。

4 采空區治理方法總結

根據里伍銅礦采空區現狀及當前采空區處理技術的水平，里伍銅礦采空區處理方法主要采取聯合法。在充填系統未形成之前，主要的聯合方法為“撐”+“封”和“封”+“崩”，即部分采場通過留設礦柱來支撐采場圍巖從而控制地壓，并且在采場入口處、人材井、運輸大巷等地方分別采取不同措施進行封堵，采用“撐”+“封”聯合方式處理空區。部分礦段由于采場穩定性不好，頂板已經出現冒落，預留的礦柱出現破裂，同一中段的采場容易形成貫通采空區群，存在采場頂板大面積坍塌風險。一般采用“封”+“崩”的方式處理這種情況可以取得較好效果。在主要運輸人行巷道處采用阻波墻封堵，防止人員和設備受到空氣沖擊波傷害。在采場里面采用“大區條帶式崩落頂板”或者“小區條帶式崩落頂板”阻隔了上部大面積采空區和下部回采區域的聯系，能有效防止上部采空區大面積塌落沖擊波對下部中段生產作業的嚴重破壞。

由于2552 m以下深部礦體所受到的地壓越來越大，采用充填法回采來控制地壓是必然的一個趨勢，故里伍銅礦需要建立一套充填系統來滿足生產要求。并且為了解決里伍銅業公司尾砂堆存問題以及上部殘留高品位礦柱回采問題，此套充填系統的建立可兼顧上部空區處理和殘礦回采。在部分采場頂板已經出現嚴重坍塌的情況下，不具備殘礦資源回采條件了，則可以利用該套充填系統將低強度的尾砂充填空區，既可以處理多余的尾砂，解決尾礦庫堆存的問題，同時能夠防止采場進一步坍塌。在具備殘礦回采條件的采場，采用高強的充填體充填采空區，以保證殘礦回采的安全性。