香爐山鎢礦東部采區空區分級與充填治理研究

萬林海

(江西省修水香爐山鎢業有限責任公司, 江西 修水縣 332438)

目前,全面采礦法、房柱采礦法仍是回采緩傾斜礦體的重要采礦方法[1],其共同要求是:在采場采礦時,留設一定比例的礦石點柱于采場內,用于支撐頂板,控制頂板地壓。不同之處在于,全面采礦法,留設點柱位置,沒有明確規律,隨采礦作業進度進行調整,而房柱采礦法,則是提前規劃好礦柱位置。

上述兩種采礦方法,采場內礦石點柱的設置,往往根據極限跨度和礦柱安全系數計算的結果來確定。開采前期,由于采場內頂板安全性往往較高,因而采場結構參數上采場長度、采場寬度較大,單個采場垂直投影面積往往大于2000 m2以上。但隨著采場回采的結束,如果嗣后充填工作未能及時開展或滯后時,該類型采場空區,可能將會轉化為重大安全隱患區域,給后續采場的平面工程布置造成一定的不良影響。因此,研究判斷并優先治理重點隱患采空區,對于礦山減少空區治理投入并維持礦山正常開采,顯得尤為重要。

1 礦區開采技術條件

江西省修水香爐山鎢業有限責任公司位于修水縣港口鎮內,由11家礦山企業重組而來。礦區采用地下開采,開拓方式為平硐＋輔助斜坡道,鏟運機裝載,礦卡運輸。礦區主采的1 W礦體,具有儲量大、品位高、厚度大、礦體及頂底板圍巖穩固、分布范圍廣、連續性好、工程地質和水文地質條件簡單等特點。

井下礦區,以16線為界,劃分為東、西部兩個采區。其中:東部采區為原11家礦山的主采礦區,井下采場大量使用留設不規則點柱、條柱的全面法進行開采[2],已形成大規模復雜采空區,現采用充填采礦法進行開采及空區處理,處于殘礦回采階段,亦是本次空區穩定性計算分級與充填治理規劃研究的重點區域。

1.1 井下空區現狀

目前,井下已利用原全面法留設礦柱,改造點柱式上向水平分層充填采礦法進行開采,但同時受限于充填能力,尚有大量空區沒能進行充填治理。因此,采用“區域充填、區域回采,逐步推進治理空區”的思路,進行殘礦回采。

井下空區情況:2013年以前,井下空區主要以東部礦區空場法空區為主,西部礦區未進行大量開采,2013年之后礦山開始進行現場充填工業試驗,西部礦區開始采用兩步驟空場嗣后充填法開采,該方法產生的采空區隨著回采作業水平的升高,被大量充填,因此,截至2019年,井下空區仍然以東部礦區為主。

表1 2013—2018年采空區體積變化

1.2 井下回采工藝

據現場調查,香爐山鎢業東部頂板采場采用點柱式上向水平分層充填采礦法,利用原開采留設的點柱作為盤區采場劃分的節點,砌筑充填擋墻(預留盤區采場出入口),充分利用井下現有工程,圈定回采區域,并對圈定區域進行充填作業,充填體達到設計強度后,利用充填體作為作業平臺,開始頂板回采,采場布置如圖1所示。在回采、充填區域圈定時,必須保證回采區域的運輸、通風等系統的暢通與安全。

圖1 東部采區采礦工程布置與回采

原采空區充填時充填體與頂板之間預留1.5～2 m的作業空間,回采分層高度根據頂板跨度大小確定,一般為2～3 m,在頂板巖體較為穩固的情況下,配備撬毛臺車等設備后,采用高分層4～6 m進行回采;淺孔鑿巖落礦,崩落礦石采用鏟運機鏟裝,礦用卡車運出地表,并視礦巖穩固情況,可增設一定數量人工礦柱,減少頂板跨度,保證回采安全,回采時,嚴禁回采點柱礦體。

此采礦方法充分利用原有工程,一般不增加新的采切工程,特殊情況下為保證人員、設備運輸線路安全,可添加一定掘進工程或構筑人工假巷。

2 采空區穩定性安全分級

2.1 頂板穩定性分級

采用Mathews穩定性圖解法和Bieniawski推薦的礦柱強度公式計算分析了不規則礦柱的穩定性[3-8],根據頂板穩定性計算結果,結合風險分級評判標準《金屬非金屬礦山采空區安全風險分級標準》(DB43/T 1385—2018),進行頂板安全分級。香爐山鎢礦東部采區頂板穩定性分區如圖2所示。

圖2 頂板穩定性采空區安全分區

(1)Ⅰ級(安全)狀況的采空區57個,占采空區總數的21%,面積占11%;

(2)Ⅱ級(較安全)狀況的采空區74個,占采空區總數的27%,面積占22%;

(3)Ⅲ級(較不安全)狀況的采空區113個,占采空區總數的42%,面積占50%;

(4)Ⅳ級(不安全)狀況的采空區27個,占采空區總數的10%,面積占17%。

2.2 礦柱穩定性分級

根據工程經驗將礦柱的穩定性安全系數分為四級,并按照國家常用的預警顏色賦予其不同的預警色[9],礦柱穩定性分級標準見表2。

表2 礦柱穩定性安全分級

根據礦柱穩定性分級表,對五坑口、二坑口、四坑口礦柱穩定性的計算結果進行分析,各坑口礦柱的安全級別按照不同的預警色分區域顯示,采空區安全分區如圖3所示。

圖3 礦柱穩定性采空區安全分區

(1)Ⅰ級(安全)狀況的采空區為73%;

(2)Ⅱ級(較安全)狀況的采空區為12%;

(3)Ⅲ級(較不安全)狀況的采空區為10%;

(4)Ⅳ級(不安全)狀況的采空區為5%。

2.3 綜合分級

綜合頂板穩定性、礦柱穩定性安全分級及分區的結果,根據其影響范圍將Ⅳ級(不安全)狀況的采空區在圖中分區(根據坑口定義分區的編號)表示,如圖4所示,由Ⅳ級狀況采空區分區圖分析可知,影響不同區域采空區安全狀況的主要為以下9個分區。

圖4 Ⅳ級(不安全)狀況采空區影響范圍

(1)5-1區:采空區頂板暴露面積較大或跨度較大。

(2)5-2區:該區域礦柱處于較不安全或不安全狀況。

(3)5-3區:頂板暴露面積較大,且部分礦柱處于不安全狀況。

(4)2-1區:采空區頂板暴露面積大或跨度較大,且不安全狀況采空區較集中。

(5)2-2區:頂板暴露面積較大,且部分礦柱處于不安全狀況。

(6)2-3區:采空區頂板暴露面積大或跨度較大[10]。

(7)4-1區:頂板暴露面積較大,且部分礦柱處于不安全狀況。

(8)4-2區:頂板暴露面積較大,且部分礦柱處于不安全狀況。

(9)4-3區:較不安全狀況的礦柱在該區域較集中,分布范圍較大,且該區域存在多層空區重疊,部分上下分層礦柱錯位。

3 采空區治理規劃

3.1 空區充填接頂

香爐山鎢礦目前已經充填了一百多萬立方米的采空區,但是充填接頂的區域較少,重大安全隱患區很少有充填接頂,采空區頂板的連續暴露面積依然較大。香爐山鎢礦重大安全隱患的降低或者消除急需大面積充填體的有效接頂,以保證充填體對頂板起到良好的支撐作用。在合理的充填規劃下,對香爐山鎢礦采空區進行充填并確保接頂,可以起到如下主要作用:

(1)對上述分析的9個Ⅳ級不安全區進行充填接頂,消除重大安全隱患區域;

(2)充填隔離條帶,將連續、高大的采空區分隔成多個獨立采空區,有效控制采空區垮塌可能產生的“多米諾效應”,降低大面積采空區垮塌的重大風險;

(3)充填隔離條帶,有效防止局部采空區垮塌產生的沖擊波對其他區域的影響,減少沖擊波帶來的危害;

(4)大范圍的充填接頂,形成連續的充填體條形礦柱,控制整體頂板的沉降變形。

3.2 充填接頂規劃

在對香爐山鎢礦的采空區及礦柱穩定性進行分析、復核,對目前已經充填區域進行了詳細的勘察、統計和分析,以及對已經充填接頂采空區區域和充填未接頂的采空區區域的面積、體積等參數進行了詳細統計的基礎上,結合香爐山鎢礦目前的開采狀況,為了消除香爐山鎢礦高大采空區的重大安全隱患,編制了香爐山鎢礦采空區充填接頂規劃。

為降低香爐山鎢礦高大采空區重大安全隱患,當前需要重點充填接頂14個采空區重大隱患區域,采空區充填編號分別為:2- 1- 1,2- 1- 2,2- 1- 3,2- 1- 4,2- 2- 1,2- 2- 2,2- 3- 1,2- 3- 2,2- 3-3,5- 3- 1,5- 1- 1,5- 2- 1,4- 1- 1,4- 3-1,包含了大部分Ⅲ級采空區范圍。

香爐山鎢礦東部采空區充填規劃主要考慮Ⅳ級和Ⅲ級風險分級區域,在東部開采區域形成自北向南的4條連續充填體礦柱,以控制地壓活動,降低重大安全隱患,充填規劃順序考慮的原則是自中間向兩邊充填,二坑口為第一步充填區域,五坑口為第二步充填區域,四坑口為第三步充填區域,具體充填規劃順序如下:

(1)第一階段充填采空區編號:2- 1-1,2-1-2,2- 1- 3,2- 1- 4,2- 2- 1,2- 2- 2;

(2)第二階段充填采空區編號:2- 3-1,2-3-2,2- 3- 3,5- 3- 1;

(3)第三階段充填采空區編號:5-1-1,5-2- 1;

(4)第四階段充填采空區編號:4-1-1,4-3- 1。

香爐山鎢礦充填接頂規劃所涉及到的面積、體積、時間和充填順序見表3。

表3 香爐山鎢礦充填接頂規劃參數

4 結論

本文圍繞采空區穩定性分析工作,對香爐山鎢礦的采空區進行了充填規劃,得出如下結論。

(1)通過使用目前主流的頂板穩定性計算方法、礦柱穩定性計算方法,分別對香爐山井下采空區進行了各自安全分級,并對兩者計算結果進行了綜合考慮分析;

(2)為了消除香爐山采空區重大安全隱患,必須優先對9個Ⅳ級采空區區域(包含大部分Ⅲ級采空區區域)進行充填接頂處理,即:五坑口的5-1,5- 2,5-3區,二坑口的2-1,2-2,2-3區及四坑口的4- 1,4- 2,4-3區;

(3)結合香爐山鎢礦現場生產情況,進行充填接頂規劃分析,充填接頂規劃細分為14個采空區區域,進一步明確了香爐山鎢礦充填規劃所涉及到的面積、體積、充填時間和充填順序;

(4)按照充填規劃充填接頂14個采空區區域后,與現在已經充填接頂區域相連接,形成了大體積連續性的充填隔離礦柱,極大地提高了采空區的穩定性,有效控制了采空區頂板大面積垮塌的安全風險,消除了礦山因采空區引起的重大安全隱患,改善了礦山的安全生產條件。