金屬礦山條帶狀老舊采空區(qū)尾砂充填治理技術

高學通

(華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021)

金屬礦山條帶狀老舊采空區(qū)尾砂充填治理技術

高學通

(華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021)

金屬礦山在長期的采礦活動中形成了規(guī)模巨大、情況復雜的地下隱伏采空區(qū)，給礦山生產(chǎn)帶來嚴重安全隱患，尤其對于礦區(qū)建設場地內(nèi)存在的下伏采空區(qū)，必須采取合理的治理措施。借助江西某礦山采空區(qū)治理工程，針對施工中遇到的條帶狀采空區(qū)，綜合采用了改進型組合鉆具、高精度陀螺測斜儀、陀螺偏心糾斜工藝及井下電視探測技術，保證充填鉆孔能夠直達采空區(qū)頂板；充填施工中，優(yōu)化選取尾砂-水泥膏狀漿液配比，采取了多項技術措施控制充填接頂和冒落堆填體的膠結，有效保證了采空區(qū)治理效果。相關研究成果和技術措施可以為類似工程提供借鑒和指導。

金屬礦山；條帶狀采空區(qū)；尾砂充填；膏體漿液

0 引 言

采空區(qū)是人為開采礦產(chǎn)資源而在地表下面產(chǎn)生的“空洞”，目前我國很多礦山由于過去長期的采礦生產(chǎn)活動，在礦區(qū)不同位置和深度上分布著大大小小各種形態(tài)的采空區(qū)。由于過去采礦方式和礦山資料管理水平的落后，很多的老舊采空區(qū)具有隱伏性強、空間分布特征規(guī)律性差、頂板冒落塌陷情況難以預測等特點，給礦山安全生產(chǎn)帶來嚴重的威脅[1]。

另外，如果需要在存在下伏采空區(qū)的場地上進行工程建設的話，必須采取相應手段查明采空區(qū)的分布特征，選擇合理的治理方案，以保證地基穩(wěn)定性和上部建(構)筑物的安全。目前，對于尚未完全沉陷穩(wěn)定的采空區(qū)，常采用在地表鉆孔直達空區(qū)頂板，將漿液注入采空塌陷區(qū)和覆巖裂隙帶中，由漿液形成的結石體阻止上覆巖層及地表的進一步變形，該方法目前應用廣泛，取得了良好的治理效果[2￣5](見圖1)。

圖1 采空區(qū)充填工程布置

由于金屬礦山礦脈發(fā)育的特點，很多采空區(qū)在水平面上以條帶狀展布，傾角陡寬度窄，加之采空區(qū)形成年代久遠，過去采礦管理水平落后且缺少準確的井上井下對照圖件，造成地面鉆孔很難準確揭露采空區(qū)頂板，很大程度上增加了采空區(qū)治理難度。本文結合江西某金屬礦山采空區(qū)充填治理工程，通過施工過程中的不斷探索改進，形成了一套行之有效的條帶狀老舊采空區(qū)治理技術，對于指導類似工程實踐具有重要意義。

1 工程概述

1.1 采空區(qū)分布特征

本采空區(qū)治理項目位于江西省上饒市，由于礦山新建地面建筑物，需要對場區(qū)范圍內(nèi)存在潛在塌陷風險的老舊采空區(qū)進行治理，采空區(qū)平面分布特性見圖2。

圖2 擬建場區(qū)采空區(qū)平面分布特征

根據(jù)設計治理方案，該區(qū)域主要分布3條采空區(qū)需要治理，礦脈厚度2～3 m，形成采空區(qū)水平寬度不足2 m，頂板埋深20～58 m。

1.2 充填治理方法

從地表直接鉆孔，直達空區(qū)頂板，地表充填孔保證終孔口徑應不小于Φ150 mm。鉆孔達到設計要求后再鋪設充填管路，將尾砂膏體漿液注入鉆孔內(nèi)，最后采用高壓注稀釋漿液的方式完成空區(qū)接頂。為保證空區(qū)充填質(zhì)量要求，還應鉆鑿充填檢測鉆孔，檢測充填后采空區(qū)是否充滿，必要時還應進行補注，以實現(xiàn)采空區(qū)的完全充填。

治理鉆孔布置見圖3，其中Ⅰ、Ⅱ序孔為充填孔，孔間距20 m，Ⅰ序充填孔原則上按40 m間距布置，Ⅱ序充填孔位于兩側(cè)Ⅰ序孔中間，Ⅲ序檢測孔位于Ⅰ、Ⅱ序充填孔中間。

圖3 充填鉆孔孔位布置

1.3 設計工程量

本工程主要包括采空區(qū)鉆孔和充填灌漿兩部分。設計鉆孔28個，其中充填孔18個，檢測孔10個，鉆探工作量1635 m，采空區(qū)總充填工作量約35000 m3。

2 采空區(qū)鉆孔

由于采空區(qū)水平分布不足2 m，地面充填鉆孔能否直接揭露采空區(qū)頂板是關乎最終充填治理效果的決定性因素。為了查明采空區(qū)分布位置，前期由勘察設計單位進行了資料收集、物探探查和鉆孔驗證，布置的鉆孔平面位置基本準確。施工過程中，如果鉆孔向采空區(qū)頂?shù)装鍍蓚?cè)發(fā)生偏斜，將無法保證鉆孔直達采空區(qū)頂板或者根本無法揭露采空區(qū)(見圖4)。因此，如何采取有效的鉆孔方法和技術措施保證鉆孔的垂直度是治理工程的主要環(huán)節(jié)。

2.1 改進鉆探機具

施工采用XY-150巖芯鉆機，鉆探能力可達150 m，成孔口徑符合設計要求，但在項目開展前期，鉆機普遍配備的是3 m長度的短鉆具巖芯管且沒有安裝扶正器，造成鉆孔開孔以后極易發(fā)生較大的偏斜。

針對上述情況，項目部要求鉆機全部配置5 m長鉆具并安裝雙層扶正器，通過后期測試，鉆孔垂直度有了較大改善，其偏斜率降低到0.2%，能夠滿足設計要求。

圖4 鉆孔偏斜無法揭露采空區(qū)示意圖

2.2 采用高精度測斜儀

由于鉆孔垂直度要求高，施工過程中設計鉆孔每鉆進10 m即進行一次孔斜測量，為了準確獲取鉆孔軌跡，采用了JDT-6型高精度陀螺測斜儀。

該測斜儀采用半捷聯(lián)式結構，利用陀螺的定軸性和進動性作為鉆孔傾斜方位的定向基準，利用石英撓性重力加速度計和方位器，分別測量頂角和自轉(zhuǎn)角，精度高并且具有抗磁性干擾性能。精度為：頂角誤差不大于±3′，方位誤差不大于1°，各項技術參數(shù)符合施工要求。

2.3 采取先進糾斜工藝

在鉆孔跟蹤測斜過程中，如果發(fā)現(xiàn)鉆孔軌跡存在超偏趨勢，繼續(xù)鉆進將無法滿足設計要求時，必須及時采取糾斜措施。

鉆孔糾斜采用公司專利技術—垂直鉆孔陀螺偏心糾斜施工工藝及相關裝置(見圖5)。該裝置可以精確定位糾偏方位，現(xiàn)場根據(jù)偏斜率要求可快速制作偏心楔，工藝操作簡便，準確性高，有效解決了現(xiàn)有垂直鉆孔糾斜技術中存在的精度低、效果差及操作復雜等問題。

圖5 垂直鉆孔陀螺偏心糾斜裝置

通過上述裝置和工藝的應用，現(xiàn)場鉆孔一次性糾斜成功率達到70%，兩次糾斜成功率達到90%以上，有效保證了充填孔按設計靶點揭露采空區(qū)頂板。

2.4 利用井下電視對空區(qū)進行探測

對于鉆孔揭露的采空區(qū)，施工中采用井下電視探測技術查明采空區(qū)的冒落坍塌和頂板裂隙發(fā)育情況，以便制定有針對性的充填計劃。該井下電視可以精確記錄探頭下放深度，對孔壁巖體裂隙及空洞發(fā)育情況適時記錄，并以錄像形式長期保存。

圖6為鉆孔揭露采空區(qū)頂板時的孔內(nèi)圖像，圖7為采空區(qū)洞壁發(fā)育形態(tài)，該技術可以將地下隱伏且人體無法進入直接觀察的采空區(qū)形態(tài)直觀展現(xiàn)出來，為充填施工和治理效果檢測提供重要依據(jù)。

圖6 鉆孔揭露采空區(qū)頂板圖像

圖7 采空區(qū)洞壁發(fā)育形態(tài)

3 采空區(qū)充填

為了降低工程造價，實現(xiàn)因地制宜、綠色環(huán)保的施工理念，本項目設計采用礦山選礦產(chǎn)生的廢棄尾礦砂作為主要材料，同時輔以水泥、水配置成為膏狀漿液。通過建立攪拌站、鋪設輸漿管路，利用充填泵通過充填孔將膏狀漿液泵送至采空區(qū)內(nèi)，形成具有一定強度的結石體，防止采空區(qū)坍塌和地面變形。

3.1 工藝流程

本項目采取的充填工藝流程見圖8。

3.2 漿液配比

設計采用尾礦砂-水泥膏狀漿液，為了保證充填質(zhì)量，要求漿液既具有良好坍落度和一定的流動性，便于充填采空區(qū)中不同大小的空洞，又要具有較高的結石率和一定強度(設計結石體28 d抗壓強度不低于2 MPa)。

為了使?jié){液滿足上述性能，充填施工前即針對進場材料進行了配合比試驗，最終篩選出的漿液配比見表1。

圖8 充填施工工藝流程

表1 充填漿液配比

使用部位重量比(水泥∶尾砂∶水)質(zhì)量濃度/%28d抗壓強度/MPa塌落度/mm坍塌冒落帶1∶7∶1．42854．5250大空洞部位1∶7∶1．28864．6225充填接頂1∶6∶7502．3/

3.3 充填接頂技術措施

采空區(qū)治理的最終效果是要求漿液結石體完全充滿空區(qū)內(nèi)部空間，關鍵環(huán)節(jié)是充填即將結束時漿液能否接觸采空區(qū)頂板而不留空隙，施工中采取的主要技術措施如下：

(1) 不同充填時段采用不同性能的漿液配比，充填即將接頂時變換質(zhì)量濃度較低、流動性較好的漿液；

(2) 采取加壓充填措施，當充填鉆孔孔口壓力大于1 MPa，流量小于70 L/min時，仍然需要維持20 min以上方可結束充填；

(3) 利用Ⅲ序檢測孔和井下電視系統(tǒng)對充填效果進行檢查評價，如果揭露相鄰充填孔之間仍存在未充滿的空隙，需要再次進行充填補強。

4 采空區(qū)冒落堆填體處理

施工過程中通過鉆孔揭露和井下電視探測，發(fā)現(xiàn)約有三分之一的采空區(qū)已經(jīng)產(chǎn)生大范圍的冒落坍塌，除采空區(qū)上部存在較大空洞以外，下部全部為圍巖冒落后的塊石堆填體，由于空隙狹小，現(xiàn)有的膏狀漿液無法有效擴散膠結，針對上述情況，采取的主要處理工藝如下：

(1) 首先利用Ⅰ、Ⅱ序充填孔對采空區(qū)上部空洞區(qū)進行膏狀漿液的充填；

(2) 待充填漿液凝固以后，通過Ⅲ序鉆孔對充填接頂情況進行探查，同時將鉆孔加深穿過采空區(qū)下部堆填區(qū)直達采空區(qū)底板；

(3) 利用Ⅲ序孔灌注經(jīng)過稀釋的膏狀漿液和純水泥漿液，對采空區(qū)內(nèi)的堆填體進行膠結，增強堆填體的完整性和強度，防止發(fā)生沉降變形。

堆填區(qū)處理措施見圖9。

圖9 堆填區(qū)膠結治理

5 結 論

(1) 針對本項目施工中的條帶狀采空區(qū)，綜合采用了改進型組合鉆具、高精度陀螺測斜儀、陀螺偏心糾斜施工工藝及井下電視探測技術，保證充填鉆孔能夠直達采空區(qū)頂板。

(2) 充填施工中，優(yōu)化選取了尾砂-水泥膏狀漿液配比，采取了多項技術措施，有效保證了充填接頂和冒落堆填體的膠結，保證了采空區(qū)最終治理效果。

(3) 本項目中采用的多項技術措施和取得的主要研究成果對于指導類似工程實踐具有重要作用。

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何端華(1965-)，男，湖南新寧縣人，工程師，主要從事礦山行業(yè)管理和安全監(jiān)管工作，Email：13762858588@163.com。

2016￣09￣28)