某鐵礦淺孔留礦法采空區(qū)治理治理措施研究

夏朝科

（福建省冶金工業(yè)設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350000）

我國(guó)金屬非金屬地下礦山采空區(qū)分布范圍廣，采空區(qū)總量大，且空間形態(tài)變化大、分布規(guī)律性差，受爆破震動(dòng)與巖體軟弱結(jié)構(gòu)的影響，將導(dǎo)致采空區(qū)頂板垮落失穩(wěn)，對(duì)井下安全生產(chǎn)及地表設(shè)施造成嚴(yán)重威脅，屬于礦山重大安全隱患，由此誘發(fā)了多起采空區(qū)塌陷引發(fā)的安全事故，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2]。

地下鐵礦普遍采用淺孔留礦法開采，每個(gè)礦房留頂?shù)字㈤g柱，采后形成框架結(jié)構(gòu)，特別是隨著開采深度增加，地壓增大，沖擊地壓發(fā)生的頻率升高，若個(gè)別礦柱失穩(wěn)，采場(chǎng)頂板實(shí)際跨度過(guò)大導(dǎo)致冒頂，同時(shí)上部覆巖壓力轉(zhuǎn)移到其它相鄰礦柱上，可能觸發(fā)相鄰礦柱破壞，引起連鎖反應(yīng)，引發(fā)大規(guī)模的冒頂事故，其影響是災(zāi)難性的。

掘進(jìn)廢石堆排在廢石堆場(chǎng)，選礦產(chǎn)生的尾砂多數(shù)堆排在尾礦庫(kù)，會(huì)帶來(lái)資源、環(huán)境、安全和土地等諸多問(wèn)題。如果使用尾礦充填采空區(qū)，采空區(qū)不僅成為礦山廢棄物的存儲(chǔ)空間，而且采空區(qū)頂板圍巖得到支撐，既可以消除安全隱患，又可以實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展[3]。

本文以福建某鐵礦為例，介紹利用尾礦充填大礦房和小礦房隔離的采空區(qū)處理方法。

1 礦山采空區(qū)現(xiàn)狀

礦山一直采用淺孔留礦法開采，礦體總體傾向西，傾角60°～75°，近地表局部直立，已控制延深最大達(dá)160m。采用主井提升、斜坡道輔助運(yùn)輸?shù)拈_拓方式，掘進(jìn)脈內(nèi)、脈外平巷。已形成+690m、+650m中段的采空區(qū)，根據(jù)礦山提供的井下中段測(cè)量圖，其+690m中段井下采空區(qū)長(zhǎng)約170m、寬10m～30m，采高20m～40m，中間分布不同形成的礦柱支撐著，面積已達(dá)到8500m2，采空區(qū)容積約14萬(wàn)m3，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，其頂板不穩(wěn)定，部分已崩塌至+690m采空區(qū)；+650m中段井下采空區(qū)長(zhǎng)約140m、寬10m～20m，采高30m～40m，采空區(qū)面積約為3000m2，中間分布不同形成的礦柱支撐著，+650m采空區(qū)頂板相對(duì)穩(wěn)定；隨著開采深度增加，地壓增大，沖擊地壓發(fā)生的頻率升高，若個(gè)別礦柱失穩(wěn)，采場(chǎng)頂板實(shí)際跨度過(guò)大導(dǎo)致冒頂，同時(shí)上部覆巖壓力轉(zhuǎn)移到其它相鄰礦柱上，可能觸發(fā)相鄰礦柱破壞，引起連鎖反應(yīng)，引發(fā)大規(guī)模的冒頂事故，其影響是災(zāi)難性的。

2 采空區(qū)治理方案

目前常用的采空區(qū)處理方法主要有崩落圍巖、充填采空區(qū)、封閉采空區(qū)三種，可歸納為“崩、充、封”。采用崩落圍巖與充填礦房適用于大面積空區(qū)和大量殘存空區(qū)，而封閉采空區(qū)主要用于“孤”、“小”空區(qū)和礦巖極穩(wěn)固空區(qū)[4]。

即崩落圍巖可以填滿空區(qū)（全充），或形成緩沖墊層（部分充填），這也可以減小集中應(yīng)力并轉(zhuǎn)移周圍的巖石壓力；用尾礦或膠結(jié)料充填（全充或部分充填）采空區(qū)，以支撐頂板圍巖，并使礦柱由單向受力變?yōu)槿蚴芰Γ岣叩V柱承壓能力，保持圍巖穩(wěn)定性；封閉采空區(qū)就是密閉或隔離空區(qū)通向生產(chǎn)區(qū)域的通道，以防止空區(qū)頂板圍巖垮落時(shí)發(fā)生的空氣沖擊波危害生產(chǎn)區(qū)域安全。其中充填法處理空區(qū)費(fèi)用較高，主要應(yīng)用于地表與圍巖不允許塌陷、要求提高礦柱回收率、有現(xiàn)成廉價(jià)充填料可利用（尾礦）等情況。

針對(duì)本礦區(qū)情況，主井附近設(shè)置充填站，在+690、+650中段采用大采空區(qū)“充填+封閉”處理工程措施，即大采空區(qū)尾砂膠結(jié)料充填，端部小采空區(qū)封堵隔離。后來(lái)隨著充填成本的增加，并且在+650中段西礦段頂板穩(wěn)定，上方遠(yuǎn)離工業(yè)場(chǎng)地等主要建筑物，采用汽車運(yùn)輸尾礦經(jīng)斜坡道—中段運(yùn)輸平巷干式充填采空區(qū)。

3 大采空區(qū)“充填+封閉”處理工程措施

3.1 尾砂膠結(jié)料充填

在主井附近設(shè)置充填站，選礦廠排放的尾砂作為充填骨料，水泥、膠固粉等作為膠凝材料，灰砂比：1：4～1：15，同時(shí)設(shè)有絮凝劑聚丙烯酰胺溶液添加器，保證粗尾砂的充分沉降。用內(nèi)徑100mm的鋼管運(yùn)輸，最大輸送濃度為78.6%，配置料漿濃度63%～72%。各原料在攪拌筒內(nèi)攪拌均勻完成充填料漿的制備，砂倉(cāng)尾砂流量控制在70m3/h，膠固粉流量控制在15m3/h，充分?jǐn)嚢韬笮纬删|(zhì)性、流動(dòng)性較好的充填料漿。

采用“隔一充一”充填方式，采空區(qū)間隔充填。充填之前，有必要對(duì)已采礦房間柱聯(lián)絡(luò)巷封堵，封堵墻有空心磚封堵和木封堵兩種，考慮到木封堵材料可回收，成本較低、勞動(dòng)強(qiáng)度小，采用木封堵。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的充填經(jīng)驗(yàn)，一般礦房充填工序分3次充填，即一次試充、預(yù)接頂充填、接頂充填，注意接頂充填工序必須在上次充填24h以后進(jìn)行，保證膠結(jié)料全面接頂[5]。

3.2 尾礦干式充填

礦區(qū)西礦段離主井較遠(yuǎn)，并且+650m采空區(qū)頂板相對(duì)穩(wěn)定，隨著水泥價(jià)格上漲，采空區(qū)充填成本較高，因此通過(guò)決策考慮采用汽車運(yùn)輸尾礦干式充填采空區(qū)，充填料來(lái)自地表廢渣臨時(shí)堆場(chǎng)和選礦廠排放的干尾砂，廢石和干尾砂交替充填。

尾礦倒入充填井后在井下用礦車轉(zhuǎn)運(yùn)，從礦房上方的回風(fēng)巷道卸礦孔倒入礦房?jī)?nèi)，自然安息角約33°。由于不能接頂充填，所以不采用“隔一充一”充填方式，而是大礦房全部充填的方式。

經(jīng)過(guò)比較尾礦干式充填采空區(qū)的成本更低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但存在不能接頂充填的弊端，阻止頂板垮落能力差，但頂板變形到一定程度又能全面支撐頂板。尾礦干式充填采空區(qū)適用于對(duì)于地表與圍巖允許輕微陷落，如果頂板穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，應(yīng)采用尾砂膠結(jié)料“隔一充一”或者全部充填采空區(qū)。

4 小采空區(qū)“封閉”處理工程措施

+680、+650m中段兩端采空區(qū)均較小，對(duì)礦山安全生產(chǎn)威脅不大，其封閉措施以達(dá)到防止漏風(fēng)和防止人員進(jìn)入的目的即可。設(shè)計(jì)在巷道設(shè)置鋼筋混凝土墻密閉，具體方案如下。

（1）在封閉巷道底部挖槽，槽深30cm。

（2）在封閉巷道周邊的壁上鑿孔，裝錨桿，深30cm。

（3）布置鋼筋，鋼筋網(wǎng)度20×20cm，鋼筋與錨桿焊接，鋼筋為雙層。

（4）澆注混凝土墻厚度為1.2m。

密閉材料：混凝土C25、φ20螺紋鋼。

密閉巷道規(guī)格：2.3m×2.3m（三心拱）。

混凝土墻底部及中間留有一個(gè)30×30cm的瀉水孔，同時(shí)在排水管口部開挖截水溝，把水通過(guò)水溝引入礦井外排。

5 結(jié)語(yǔ)

鐵礦采空區(qū)采用尾砂膠結(jié)充填法、尾礦干式充填法和隔離法相結(jié)合的處理方式是最為有效的方法，既消除采空區(qū)對(duì)井下生產(chǎn)及地表環(huán)境設(shè)施造成的威脅，提高礦石資源回采率，又使得尾礦能綜合利用，減少環(huán)境污染。創(chuàng)造了更大的社會(huì)益、環(huán)境、安全和經(jīng)濟(jì)效益。