露天礦山下覆復(fù)雜采空區(qū)處理技術(shù)應(yīng)用研究*

潘 懿，崔繼強(qiáng)

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 140012;2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410012;3.金川集團(tuán)股份有限公司龍首礦， 甘肅金昌市 737100)

0 引言

在我國(guó)，地下礦山轉(zhuǎn)為露天開采后，由于原地下開采秩序較為混亂，采空區(qū)未及時(shí)處理，同時(shí)民采及無規(guī)劃的濫采現(xiàn)象嚴(yán)重，留下了大量的不明采空區(qū)。采空區(qū)的存在嚴(yán)重威脅露天礦山生產(chǎn)作業(yè)安全。廣東省大寶山礦、福建紫金山金礦、河南省洛陽欒川鉬礦、甘肅廠壩鉛鋅礦和貴州甕福磷礦等均是我國(guó)典型的受地下不明采空區(qū)嚴(yán)重威脅的露天開采礦山實(shí)例。本文以太鋼袁家村鐵礦為研究對(duì)象，開展露天礦山下覆采空區(qū)處理技術(shù)應(yīng)用研究。

袁家村鐵礦建設(shè)前，2000年開始有數(shù)十家民營(yíng)企業(yè)在礦區(qū)進(jìn)行開采，2002年至2005年達(dá)到開采高潮，直到2006年6月由太鋼進(jìn)行資源整合后小礦山才陸續(xù)停止生產(chǎn)。據(jù)實(shí)測(cè)成果，袁家村鐵礦區(qū)內(nèi)共分布有36個(gè)民采小礦，其中有30家為地下開采，開采方法為空?qǐng)龇?，形成了大量的采空區(qū)。這些采空區(qū)形態(tài)復(fù)雜，在空間位置上層層疊疊，高低不同，且多數(shù)采空區(qū)己經(jīng)充水，個(gè)別采空區(qū)己經(jīng)坍塌，甚至有的采空區(qū)己經(jīng)在地表局部塌陷，采空區(qū)影響面積約36535.8 m2，對(duì)即將實(shí)施的露天開采構(gòu)成了嚴(yán)重的安全威脅。由于眾多的采空區(qū)存在于露天境界內(nèi)，受地壓、巖石風(fēng)化及爆破震動(dòng)等因素的影響，一些原來地下開采預(yù)留的礦柱發(fā)生了破壞，采空區(qū)體積與高度均發(fā)生了改變。此外，多年來的民采，殘留的多層采空區(qū)復(fù)雜難辨。隨著露天采場(chǎng)日益接近于這些形態(tài)復(fù)雜、高低不同的采空區(qū)，對(duì)露天開采人員及設(shè)備帶來極大的安全威脅，同時(shí)成為制約即將實(shí)施的露天大規(guī)模開采的嚴(yán)重安全隱患。

1 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

袁家村鐵礦礦區(qū)出露地層有上太古界呂梁山群裴家莊組和袁家村組，古生界寒武系和奧陶系，新生界第三系和第四系。主要巖性為變質(zhì)的碎屑沉積巖，自西向東由粗變細(xì)，即為石英巖～千枚巖～片巖～含鐵層。

根據(jù)礦山開采情況、礦體及圍巖的賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造與圍巖蝕變情況及巖石物理力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)礦山工程所轄地區(qū)的巖石，根據(jù)建造、改造特性及其組合規(guī)律進(jìn)行分組，然后分組進(jìn)行礦山工程地質(zhì)調(diào)查及巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)。巖體工程地質(zhì)調(diào)查方法主要為SIROVISION三維數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和巖體結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，部分巖體測(cè)量結(jié)果如圖1所示。

在現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查及室內(nèi)力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用RQD值分級(jí)方法、RMR分級(jí)方法、BQ分級(jí)方法及Q系統(tǒng)分級(jí)方法，對(duì)各巖組進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)，將三種氧化礦、綠泥片巖、變輝綠巖、灰?guī)r、礫巖礦評(píng)定為穩(wěn)定性較好的巖體，將磁鐵礦評(píng)定為較差的巖體。

2 采空區(qū)頂板保安層厚度研究

為了分析地下采空區(qū)對(duì)露天開采穩(wěn)定性的影響，為制定合理的采空區(qū)處理方法提供有效依據(jù)，在充分考慮露天工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及采場(chǎng)爆破震動(dòng)等影響的情況下，采用三維數(shù)值模擬及多種理論方法分析采空區(qū)對(duì)露天邊坡穩(wěn)定性的影響，提出露天礦邊坡保安層安全技術(shù)參數(shù)。

圖1 部分巖體SIROVISION三維數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量結(jié)果

2.1 保安層理論計(jì)算分析

采用多種理論分析方法研究了采空區(qū)保安層厚度，對(duì)不同寬度、巖性的采空區(qū)進(jìn)行了正交分析，計(jì)算過程中，從安全角度出發(fā)取安全系數(shù)為2.0。不同分析方法得出的各種巖性的采空區(qū)保安層厚度與采空區(qū)跨度的關(guān)系見圖2～圖4，各種計(jì)算方法分析得出不同巖性采空區(qū)保安層厚度見圖5。分析結(jié)果表明，隨著采空區(qū)跨度的增大，所需的安全頂板厚度也逐漸增大，二者最終呈線性關(guān)系。

圖2 傳統(tǒng)計(jì)算分析法保安層厚度計(jì)算結(jié)果

2.2 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬

為進(jìn)一步驗(yàn)證采空區(qū)頂板厚度分析結(jié)果的可靠性以及井下采空區(qū)的自身穩(wěn)定性，采用C－ALS三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)露天生產(chǎn)鉆探所揭露的采空區(qū)進(jìn)行三維掃描，利用掃描結(jié)果建立三維數(shù)值模型模擬來分析其穩(wěn)定性。

掃描結(jié)果表明，已探明采空區(qū)中1740－10－空7采空區(qū)最具典型性，其覆范圍廣、跨度大且分布情況極其復(fù)雜，已成為嚴(yán)重影響露天安全生產(chǎn)的巨大隱患，必須盡快進(jìn)行處理。因此以1740－10－空7為研究對(duì)象，進(jìn)行三維數(shù)值分析，驗(yàn)證保安層分析結(jié)果的可靠性。

圖3 極限分析法保安層厚度計(jì)算結(jié)果

圖4 小變形薄理論保安層厚度計(jì)算結(jié)果

圖5 不同巖性保安層厚度計(jì)算結(jié)果

(1)采空區(qū)探測(cè)。首先采用空區(qū)激光自動(dòng)掃描系統(tǒng)(C－ALS3D)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行激光掃描，將系統(tǒng)生成的三維激光點(diǎn)云模型導(dǎo)入到SURPAC中，建立三維地質(zhì)模型。通過耦合方法在FLAC3D中生成與實(shí)際空區(qū)空間分布一致的數(shù)值模型(如圖6所示)，來分析采空區(qū)的穩(wěn)定性。

(2)穩(wěn)定性分析。參照保安層厚度研究結(jié)果，1740－10－空7采空區(qū)最大跨度44 m條件下，預(yù)留保安層厚度應(yīng)不小于29.1 m。目前保安層厚度為34 m，符合采空區(qū)處理要求。為進(jìn)一步驗(yàn)證保安層厚度分析結(jié)果的合理性，采用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算分析，部分計(jì)算分析結(jié)果如圖7所示。

圖6 耦合后三維數(shù)字模型

圖7 部分計(jì)算分析結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，采空區(qū)的存在使周邊巖體發(fā)生了應(yīng)力重新分布，采空區(qū)的頂板出現(xiàn)了較小拉應(yīng)力，最大為0.05 MPa。同時(shí)采空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)了局部壓應(yīng)力集中，最大值為3.5 MPa。由于采空區(qū)埋深較淺，巖體中的集中應(yīng)力均小于巖體的抗拉及抗壓強(qiáng)度，因此本采空區(qū)暫時(shí)不會(huì)失穩(wěn)。數(shù)值計(jì)算及分析符合實(shí)際情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了采用理論方法推薦安全厚度的合理性。

3 采空區(qū)處理

1740－10－空7采空區(qū)雖然目前仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但受不斷的爆破震動(dòng)、機(jī)械震動(dòng)、裂隙水等影響，該采空區(qū)可能不斷垮塌而失穩(wěn)。因此，應(yīng)該盡量減少人員及機(jī)械在空區(qū)頂板上作業(yè)，同時(shí)應(yīng)盡快對(duì)空區(qū)進(jìn)行處理。

根據(jù)研究結(jié)論，確定該采空區(qū)處理方案為:以露天生產(chǎn)臺(tái)階為爆破自由面，采用地表逐孔連接的起爆網(wǎng)絡(luò)，用非電毫秒延期雷管分段起爆，采空區(qū)處理和臺(tái)階爆破一次完成。

2013年5月成功地進(jìn)行空區(qū)爆破處理?，F(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查表明，1740－10－空7采空區(qū)處理基本達(dá)到了預(yù)期目的，采空區(qū)已經(jīng)得到有效處理。保安層分析研究結(jié)果較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可以作為采空區(qū)處理有效依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用RQD值分級(jí)、RMR分級(jí)和Q系統(tǒng)分級(jí)3種分級(jí)方法，對(duì)各巖組巖體進(jìn)行了質(zhì)量分級(jí)，將3種氧化礦、綠泥片巖、變輝綠巖、灰?guī)r、礫巖礦評(píng)定為穩(wěn)定性較好的巖體，將磁鐵礦評(píng)定為較差的巖體。

(2)在充分考慮邊坡工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、爆破震動(dòng)等影響的情況下，研究了不同巖性、跨度條件下保安層安全技術(shù)參數(shù)。分析結(jié)果表明，隨著采空區(qū)跨度的增大，所需的保安層厚度也相應(yīng)增大，二者最終呈線性關(guān)系。

(3)利用保安層分析結(jié)果，制定了1740－10－空7采空區(qū)爆破處理方案，并對(duì)該采空區(qū)進(jìn)行了有效處理。爆破前后的現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查表明，采空區(qū)處理基本達(dá)到了預(yù)期目的，進(jìn)一步驗(yàn)證了保安層厚度研究結(jié)果的合理性，同時(shí)為同類礦山采空區(qū)處理提供了可借鑒的依據(jù)。

［1］龍虎榮，潘 懿.露天采場(chǎng)下部大型復(fù)雜采空區(qū)的探查與處理［J］.采礦技術(shù)，2010，10(2).

［2］吳偉東.地下采空區(qū)安全隔層厚度數(shù)值模擬分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006(3).

［3］黨國(guó)建，林衛(wèi)星.露天開采境界內(nèi)地下采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素分析［J］.采礦技術(shù)，2011，11(3).

［4］田志恒，聶永祥.復(fù)雜采空區(qū)頂板最小安全厚度的確定方法［J］.采礦技術(shù)，2009，9(5).

［5］李發(fā)本，劉志祥.露天與地下聯(lián)合開采安全隔層厚度研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，36(2).

［6］曾細(xì)龍，張楚靈，張新華.露天采場(chǎng)地下采空區(qū)的探查與處理［J］.采礦技術(shù)，2003，3(2).

［7］李地元，李夕兵，趙國(guó)彥.露天開采下地下采空區(qū)頂板安全厚度的確定［J］.露天采礦技術(shù)，2005(5).

［8］劉敦文，古德生，徐國(guó)元.地下礦山采空區(qū)處理方法的評(píng)價(jià)與優(yōu)選［J］.中國(guó)礦業(yè)，2004(8).

［9］楊志欽.在露天礦臺(tái)階上對(duì)地下采空區(qū)頂板的特殊爆破［J］.有色金屬(礦山部分)，2003(2).

［10］汪 勇.采空區(qū)上方安全頂柱厚度的確定方法［J］.礦業(yè)快報(bào)，2002，(1).