某鐵礦采空區(qū)處理方案與安全技術(shù)措施研究

方 承 楊家冕 劉允秋

(1.馬鋼(集團(tuán))控股有限公司桃沖礦業(yè)公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司)

桃沖礦于1956年3月開始生產(chǎn)，設(shè)計(jì)服務(wù)年限48 a，采用平硐+盲豎井+斜坡道開拓方式，主、副井布置在礦體東端，西端設(shè)有一條回風(fēng)井，形成+90 m 平硐，主、副井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)井出風(fēng)的單翼對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)。隨著采準(zhǔn)工作的深入，相鄰礦山盜采后所形成的采空區(qū)逐步揭露，井下形成了近百萬立方的采空區(qū)遺留至今。為了保證安全生產(chǎn)，依據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及采空區(qū)治理相關(guān)文件要求對(duì)礦山采空區(qū)進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)礦山實(shí)際情況制定采空區(qū)安全高效經(jīng)濟(jì)的處理方案，消除采空區(qū)安全隱患。

1 采空區(qū)調(diào)查

本礦采空區(qū)目前雖處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，但空區(qū)東部地表已累計(jì)下沉27.09 mm，地面道路出現(xiàn)兩長兩短(3～10 m)4條縱向裂紋，分析認(rèn)為空區(qū)巖移活動(dòng)處于緩慢發(fā)展階段。

隨著采空區(qū)體積不斷增大，受力隨之增大，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到巖石穩(wěn)定強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起變形破壞而冒落，甚至可能是較大規(guī)模的冒落，而且冒落是突發(fā)性的。若井下無法形成安全規(guī)程所規(guī)定的覆蓋層厚度，一旦發(fā)生大規(guī)模冒落，后果非常嚴(yán)重，因此，采空區(qū)的治理必要且緊迫。

空區(qū)治理前，首先對(duì)井下采空區(qū)進(jìn)行逐個(gè)調(diào)查，利用激光3D掃描系統(tǒng)(CMS)以及全站儀對(duì)井下可測采空區(qū)進(jìn)行三維定位掃描和測量，得出現(xiàn)有井下采空區(qū)形態(tài)、體積等參數(shù)：頂部空區(qū)長210 m，平均寬21.4 m，面積為0.45萬m2；-50 m水平空區(qū)長280 m，平均寬51.8 m，面積為1.45萬m2；-93 m水平空區(qū)長330 m，平均寬70.6 m，面積為2.33萬m2；采空區(qū)高60～80 m，體積約99.1萬m3。其中，-50 m以上約16.7萬m3，-50～-100 m為75.4萬m3，-100 m以下為7萬m3。采空區(qū)典型剖面見圖1。

2 采空區(qū)處理方案

2.1 采空區(qū)常規(guī)處理方法

空區(qū)處理有充填、隔離和疏通空區(qū)、永久礦柱支撐、崩落圍巖4種方法。

充填法處理空區(qū)有尾砂、碎石水力充填，廢石干式充填等方法，對(duì)本礦來說，前者充填工藝復(fù)雜、成本高，后者因廢石中含泥多，不能使用。

留永久礦柱(采場中規(guī)則或不規(guī)則間柱、頂柱、底柱等)支撐空區(qū)頂板及兩盤圍巖，并封閉空區(qū)，多適用于開采緩傾斜礦床。本礦-100 m階段以上用空?qǐng)龇ㄩ_采留下礦柱，經(jīng)過近幾年的大量回采，已所剩無幾。因此，這種處理方法現(xiàn)已無法實(shí)施。

對(duì)于這樣大的采空區(qū)可以采用崩落圍巖至地表和崩落圍巖與隔離疏通相結(jié)合的方法。前者是放頂崩落圍巖至地表，徹底消除空區(qū)，后者是崩落部分圍巖充填采空區(qū)，保證足夠厚度的礦巖墊層[1]。

2.2 采空區(qū)處理方案選擇

本礦空區(qū)圍巖屬于暫時(shí)不能自行冒落的情況，需要強(qiáng)制崩落。東部厚大部位沒有達(dá)到安全規(guī)程所規(guī)定的覆蓋層厚度，即2倍分段高度25 m，必須進(jìn)行強(qiáng)制放頂，本次設(shè)計(jì)了3個(gè)方案，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

2.2.1 方案Ⅰ

方案Ⅰ為強(qiáng)制崩落兩盤圍巖、隔離、疏通處理采空區(qū)。

圖1 采空區(qū)典型剖面

根據(jù)空區(qū)形態(tài)和需要補(bǔ)充覆蓋巖石的部位，設(shè)計(jì)擬在5～7勘探線南北兩盤圍巖中鉆鑿傾斜扇形深孔，強(qiáng)制崩落圍巖，形成巖石覆蓋層。

目前仍在使用的井巷工程，要加以保護(hù)，使之不受空氣沖擊波的影響。為此，要在與空區(qū)相通的穿脈巷道中設(shè)置密閉墻進(jìn)行封堵。

除了用深孔爆破強(qiáng)制崩落圍巖形成安全規(guī)程所要求的覆蓋層以外，設(shè)計(jì)在空區(qū)西部選擇適當(dāng)位置與原露天采礦留下的塘口底部貫通，形成“開窗”[2]，以疏通釋放圍巖突然大規(guī)模冒落所產(chǎn)生的氣浪。

隨著礦山開采深度的增加，采空區(qū)體積隨之增大，覆蓋層也隨采礦分段的下降而下降，當(dāng)空區(qū)頂部和兩盤圍巖受力變形而陸續(xù)自然冒落甚至發(fā)生大量冒落時(shí)，由于有25 m左右厚的覆蓋層作緩沖，加上塘口“天窗”疏波和巷道中眾多的阻波墻阻波等措施，覆蓋層以上巖石冒落產(chǎn)生的沖擊波、地震波和氣浪不會(huì)給生產(chǎn)作業(yè)人員和設(shè)施造成危害。

2.2.2 方案Ⅱ

方案Ⅱ?yàn)閺?qiáng)制崩落頂板和兩盤圍巖處理采空區(qū)。

采空區(qū)規(guī)模大，其頂板距地表較近，一般為10～50 m；頂板及圍巖不能自行冒落。因此，采用強(qiáng)制崩落頂板和圍巖充填采空區(qū)，使之與地表聯(lián)通，在較大程度上減少了空區(qū)頂板巖石較大規(guī)模的突然冒落。崩落巖石、殘留礦柱與存窿礦石一起形成25 m以上厚度的礦巖覆蓋層。崩落頂板巖石充填空區(qū)，減少了崩落兩盤圍巖量，有利于空區(qū)的穩(wěn)定。

本方案密閉空區(qū)工程布置、密閉方法等基本同方案Ⅰ。由于空區(qū)頂板巖石已崩落，預(yù)計(jì)空區(qū)圍巖突然大規(guī)模冒落產(chǎn)生的空氣沖擊波強(qiáng)度較方案Ⅰ要小，因此，阻波墻由每處2道改為1道。

2.2.3 方案Ⅲ

方案Ⅲ為西區(qū)開“天窗”，東區(qū)強(qiáng)制崩落頂板和兩盤圍巖處理采空區(qū)。

為了減少崩落巖石的工程量，同時(shí)減少頂板巖石較大規(guī)模的突然冒落，該方案為方案Ⅰ的西部開天窗工程與方案Ⅱ的東部強(qiáng)制崩落頂板與兩盤圍巖的組合，即崩落-87 m以上的礦柱和存窿礦石作為礦石覆蓋層；西區(qū)在原504采場頂板開“天窗”，減少了空區(qū)頂板巖石較大規(guī)模的突然冒落；東區(qū)崩落頂板巖石與地表聯(lián)通，并崩落圍巖充填空區(qū)，形成25 m左右厚的礦石覆蓋層。

3個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較見表1。

由表1可見，方案Ⅰ投資最少，實(shí)施較容易，施工周期最短，能比較好地解決礦山安全與生產(chǎn)問題。而方案Ⅱ、Ⅲ雖較大程度上減少了頂板大規(guī)模的冒落，但對(duì)今后井下生產(chǎn)造成影響，甚至出現(xiàn)新的安全隱患。因此，推薦方案Ⅰ。

表1 3種方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3 安全技術(shù)措施

(1)在靠近空區(qū)巷道中鉆鑿深孔時(shí)，要時(shí)刻注意空區(qū)動(dòng)靜，發(fā)現(xiàn)異常，作業(yè)人員應(yīng)立即撤離。打孔前，在作業(yè)點(diǎn)與空區(qū)相通的一端，要用石塊壘一座臨時(shí)阻波墻，以保證安全，亦可防止人員誤入空區(qū)。

(2)經(jīng)過近幾年多次深孔爆破，證明最大一段裝藥量控制在1.6 t以內(nèi)，爆破震動(dòng)對(duì)附近建構(gòu)筑物的安全沒有影響。排孔裝藥量超過1.6 t時(shí)，增加雷管段數(shù)，加以控制。

(3)在井下深孔爆破中采取一些措施防御爆破沖擊波，包括作業(yè)人員全部撤至地表，副井罐籠落到-200 m中段，副井-100 m井底車場和運(yùn)輸巷道不存放運(yùn)輸車輛，-50，-100 m平巷風(fēng)門和東西風(fēng)井風(fēng)道門開啟疏波等，避免爆破沖擊波對(duì)井下作業(yè)人員和生產(chǎn)設(shè)施造成危害。

(4)井下深孔大爆破后，大量有毒有害氣體聚積在空區(qū)以及相通的井巷中，須加強(qiáng)通風(fēng)，將有毒有害氣體抽出地表，通風(fēng)時(shí)間不得少于8 h。經(jīng)安全檢查確認(rèn)無危險(xiǎn)，才允許工人下井作業(yè)。

(5)大爆破通風(fēng)后必須對(duì)礦山井巷及回采工作面進(jìn)行安全檢查，特別要及時(shí)處理浮石，經(jīng)安全檢查確認(rèn)后方可恢復(fù)井下生產(chǎn)。

(6)回采工作面中深孔爆破很頻繁，要采取微差爆破技術(shù)和控制藥量等減震措施，以減輕頻繁爆破對(duì)空區(qū)穩(wěn)定性的影響。

(7)建立較完善的采空區(qū)巖移監(jiān)控機(jī)構(gòu)和觀測系統(tǒng)，補(bǔ)充巖移監(jiān)測儀器，以健全采空區(qū)巖石移動(dòng)監(jiān)控體系；定期匯總觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以掌握采空區(qū)地表和頂板圍巖移動(dòng)狀態(tài)和規(guī)律；如果發(fā)現(xiàn)巖移變化異常，要增加觀測頻率，并及時(shí)報(bào)告有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，以便處置[3]。

(8)塌陷區(qū)要保持警戒，警示標(biāo)志醒目，禁止人、畜、車輛進(jìn)入圈定界線內(nèi)；堅(jiān)持日常巡視和檢查。

(9)確保河溝的過水?dāng)嗝嬗凶銐虻男购榕潘芰?，防止洪水進(jìn)入采空區(qū)陷落帶內(nèi)。

(10)在雨季時(shí)，含水泥土易形成泥石流，有可能突入回采工作面，要做好應(yīng)急預(yù)案，并定期演練。

4 結(jié) 語

(1)通過對(duì)采空區(qū)處理方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較分析，最終選擇強(qiáng)制崩落兩盤圍巖、隔離、疏通處理采空區(qū)，強(qiáng)制崩落圍巖，形成巖石覆蓋層，為下部采場安全生產(chǎn)提供保障。

(2)通過對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理，上覆可形成25 m厚的巖石覆蓋層，加上塘口“天窗”疏波和巷道中眾多的阻波墻阻波等措施，即使覆蓋層以上巖石冒落，所產(chǎn)生的沖擊波、地震波也不會(huì)給生產(chǎn)作業(yè)人員和設(shè)施造成危害。

(3)項(xiàng)目完成后，基本消除了采空區(qū)相關(guān)隱患,保證深部采礦作業(yè)安全。該民采空區(qū)隱患治理項(xiàng)目的成功實(shí)施，產(chǎn)生了較好的社會(huì)效益、安全效益和環(huán)境效益，對(duì)礦山企業(yè)有較好的示范作用。