某銅鎳礦安全隱患分析及治理研究

張紹周,陳玉明

(1.昆明工業職業技術學院, 云南 昆明 650302;2.昆明理工大學, 云南 昆明 650031)

金屬礦山開采過程中,由于采礦方法和工程布置的差異,形成了多種形態和不同結構的采空區。采空區誘發各類地質災害,如頂板冒落、沖擊氣流、礦井突水、通風損失及地表塌陷等,其中,以采空區頂板冒落誘發的礦震和空氣沖擊波危害最大,已成為目前地下礦山主要危險源之一[1-6]。采空區治理實質是轉移巖體應力集中部位,緩解應力集中程度,使應力分布達到新的平衡,以達到控制和管理地壓保證礦山安全生產的目的。常用的5大類采空區處理方法是“崩”“充”“撐”“封”及其聯合[7-10]。本文以某銅鎳礦為例,根據采空區賦存現狀,分析存在的安全隱患,設計治理方案,為金屬礦山采空區治理提供技術指導和理論支持。

1 工程概況

某銅鎳礦生產能力為45萬t/a,采用分段空場采礦法開采,分段鑿巖,階段出礦。階段高度為60 m,分段高度為12 m。目前僅開采455 m水平一個中段,515 m水平設回風中段。礦塊長度為25～50 m,頂柱為5 m,間柱為7～9 m。底部為無底柱結構,在中段運輸巷內每隔10 m掘一條出礦穿脈巷至礦房,每一礦塊布置4～5條出礦穿脈巷,采用1 m3地下鏟運機出礦。開采范圍為地表至455 m水平,已建設515 m和455 m兩個中段,其中515 m中段為回風中段;礦區共開采1#、2#、3#、4#、5#共5個礦體,其中4#礦體為富礦,銅、鎳品位較高,銅平均品位為0.269%,鎳平均品位為1.01%;1#、2#、3#、5#礦體品位較低,鎳平均品位僅有0.28%。由于主要開采的4#富礦體接近枯竭,而低品位礦體目前市場環境下開采不盈利,礦區已近停產,形成大量采空區,地表出現多處裂隙。因此,某銅鎳礦現急需對采空區進行治理。

1.1 采空區現狀

經現場測量,采空區分布于某銅鎳礦22#至27#號勘探線之間,垂直標高為455～515 m。采空區與地表未完全垮通,地表裂隙的產生與井下采空區形成相關,且聯系緊密。采空區為不連續采空區,新采場與老采空區通過礦柱間隔,新采場采用空場嗣后充填采礦法回采,從根本上杜絕了采空區的產生。采空區范圍和體積確定由測量工程師測量采空區底部和頂部各節點坐標計算頂底部面積,由礦體上下盤鉆孔測算空間狀態,并計算機成圖,計算結果見表1。

表1 某銅鎳礦采空區現狀

1.2 安全隱患分析

分段鑿巖、階段出礦的分段空場法利用礦柱支撐頂、底板,礦房內進行分段鑿巖,崩落的礦石通過礦房底部出礦進路出礦,工人作業在巷道內進行,由于圍巖穩定性高,作業方式安全。回采作業完成后,為管理采空區頂板,防止采空區冒落對周圍作業區域產生危害,礦山采用崩落采空區頂板圍巖的方式對采空區進行充填,可避免井下應力集中,在一定的時間內保持采空區穩定。

已采用崩落圍巖法處理的采空區,為防止通風損失及人員誤入,礦山采用封閉法進行處理。封堵墻采用混凝土澆筑,強度為C15,厚度為300 mm,采空區處理如圖1、圖2所示。515 m中段作為回風中段,455 m中段回采后采空區崩落頂板圍巖填充采空區,515 m中段采用崩落頂板圍巖充填采空區,因此存在天窗,如圖3所示。地表由于井下采空區的影響,有裂縫存在,如圖4所示。

圖1 廢石充填封堵采空區

圖2 混凝土澆筑封堵采空區

圖3 崩落頂板圍巖填充采空區

圖4 采空區上部地表裂隙

綜上所述,礦山存在的安全隱患有如下幾點。

(1)采空區內崩落的圍巖有空隙,隨著時間的延伸,崩落的巖塊可能緩慢沉降,造成周圍巖壁的變形,可引起片幫等危險。

(2)采空區影響范圍內巷道,可能由于應力集中的作用,存在冒頂、片幫的危險。

(3)515 m中段采空區天窗敞開,不及時隔離封圍的情況下,可能存在人員墜落的危險。

(4)515 m中段及未及時封閉的采空區,存在通風損失的危險。

頂板冒落產生空氣沖擊波,可能對生產井巷及地下設施造成危害,同時影響井下作業人員安全。

2 采空區治理方案

隨著采礦技術的不斷發展,采空區治理技術更加成熟化[11-13]。根據目前某銅鎳礦充填站建設的實際情況,采空區治理分為兩階段進行,一階段是在充填站建設前,采用崩落圍巖充填采空區和封閉采空區進行治理;二階段是在充填站建設以后,采用充填采礦法開采礦體并充填采空區。

2.1 地表治理方案

(1)在地表沉降區域、巖石移動帶外設置隔離圍網,懸掛安全警示牌,隔離危險區域。治理周期1個月,防止人員誤入。

(2)在地表沉降區域內設置多個地表裂縫位移觀測點,實時監測地表沉降變化情況。治理周期2個月,監控地表裂縫位移。

(3)在地表沉降區域、巖石移動帶外設置防洪壩或排洪溝,防止大氣降水進入裂隙,對井下采空區、生產井巷造成影響。

2.2 井下治理方案

(1)回采結束后,為防止由于礦體采出導致圍巖壓力增加而使礦體頂板后期冒落,設計采用預先崩落頂板圍巖的方式解決。治理周期3個月,治理結束后可利用崩落的圍巖支撐頂底板,起到緩解并控制地壓的目的。利用鑿巖巷道打水平孔或傾斜孔,孔深4～5 m,孔距、排距依據現場圍巖條件進行確定。集中裝藥后一次性爆破,通風結束后用封堵墻進行封閉,嚴禁人員和設備進入采空區。

圍巖崩落后的松散體積按下式計算:

式中,V虛為崩落后巖體體積,m3;V實為崩落前巖體體積,m3;k為巖體的松散系數,根據《現代采礦手冊》散體的物理力學性質,銅鎳礦石的松散系數為1.6,巖體松散系數為1.5。

崩落頂板圍巖后,由于體積增大,其對采空區有一定的支撐作用,能初步達到減少地壓的目的。但由于崩落圍巖的縫隙太大,其隨著時間的增加仍有繼續塌落的可能,采空區需要采取其他措施進一步進行治理。

(2)為防止采空區上覆巖層的大規模冒落產生空氣沖擊波,設計采用泄壓、封堵相結合的方式解決。泄壓方案是一旦出現頂板冒落形成的空氣沖擊波,利用515 m回風中段排出。設計利用不封堵的巷道直達礦區東側的風井,通過風井排出,以達到泄壓的目的。在通往主、副井的生產巷道設置兩道風門,防止泄壓對主要生產井巷產生影響。泄壓可利用現有巷道設置風門,規劃泄壓通道,可在生產期間同時進行。治理周期1個月,起到降低空氣沖擊波破壞的作用。

封堵方案則是利用封閉墻,對采空區進行封閉,隔離人員作業區域,達到封堵的目的。封閉方式主要為巖石阻波墻和混凝土阻波墻,主要封閉部位為回采進路、廢棄巷道、天井、溜井等。封堵在采場自然垮落或崩落圍巖后進行。治理周期3個月,起到阻止或降低空氣沖擊波破壞的作用。

根據礦山采空區實際及材料運輸情況,設計采用巖石阻波墻和混凝土阻波墻兩種封閉方式。在材料難以運輸或無利用價值的巷道采用巖石阻波墻封堵。利用巷道為自由面進行挑頂,挑頂高度大于巷道高度,長度大于10 m,通過崩落的巖石作為封閉墻。在主要巷道采用混凝土阻波墻封堵。材料可選擇磚、素砼、鋼筋砼等,強度為C15,厚度大于300 mm。首先在封閉地點進行楔形擴幫,擴幫最深處為0.5 m;然后清理工作面后砌磚或立模進行砌筑。

(3)地表充填站建成后,通過地表制漿,經充填孔、充填管線充入采空區,對原有崩落圍巖的縫隙進一步充填,增加充填體強度,達到最終采空區治理的目標。治理周期6個月,采空區完全被廢石和充填料填充,防止采空區冒落等災害事故的發生。

地表充填站攪拌均勻濃度適中的充填料漿卸入料斗,通過充填管道自流輸送至井下采空區進行充填。充填前做好采空區的密閉工作,密閉隔墻及濾水設施檢查合格后開始充填。采空區充填為分期充填,一般先充5～7 m膠結料,待初凝或脫水后,再依次充填,直至采場充滿為止。充填時,先行沖洗充填管道,在充填采場回復信號后,充填站內制漿系統再行啟動,將合格充填料漿經管網輸送至井下。采空區充填預計將要結束時發出停止信號,充填站得到停止信號后,立即停止給灰和供砂,所剩砂漿流完后相繼停車,用清水柱將管內剩余料漿輸送至采空區。

3 安全設施

(1)加強勘測,準確查明采空區范圍;

(2)探明采空區內積水、自燃及有毒有害氣體現狀,并論證危害程度,制定相應的安全專項措施;

(3)采取有效措施排放采空區內積水、有害氣體,查明采空區冒落情況;

(4)封閉采空區相連的廢棄巷道,保證已有采空區密閉,防止向采空區漏風;

(5)為防止采空區大面積坍塌,設置采空區監測、監控系統,隨時掌握采空區情況;

(6)采空區必須在采掘工程平面圖和井上井下對照圖等圖件中標出,以供井下安全生產使用。

4 結論

(1)某銅鎳礦22#至27#勘探線之間采空區,通過測量結果繪制的采空區平面圖和剖面圖計算了采空區的體積,對采空區的分布情況進行了描述,同時對采空區危害的形成及存在的安全隱患進行了分析。

(2)采空區治理包括地表裂隙的封閉和防洪措施,井下采空區崩落圍巖充填、采空區封閉及采空區充填料漿充填3部分構成,以達到防止采空區頂板大面積垮落所形成的空氣沖擊波危害,將新采場與老采空區進行隔離,同時新采場采用充填采礦法進行回采,從根本上達到了減少采空區體積,防止采空區事故,確保礦山安全生產的目的。