近地表采空區(qū)處理及殘礦開(kāi)采技術(shù)研究與應(yīng)用

董凱程，陳 何，崔 松

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160； 2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

某鉛鋅礦礦體埋深較淺，最上部開(kāi)采中段(1 005 m)距離地表約45 m。主要開(kāi)采1#、9#礦體，945 m中段為生產(chǎn)中段。1 005 m中段的1#礦體采空區(qū)已經(jīng)塌陷且與地表貫通，形成泄壓通道，空區(qū)再次垮塌不會(huì)對(duì)井下生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響；1 005 m中段的9#礦體存在2個(gè)大型的空區(qū)，空區(qū)中部預(yù)留隔離礦柱?？諈^(qū)頂板無(wú)通地表的泄壓通道，如頂板出現(xiàn)大面積垮塌，勢(shì)必對(duì)井下生產(chǎn)造成災(zāi)難性破壞。采空區(qū)中部及頂板預(yù)留部分礦柱未開(kāi)采，導(dǎo)致礦山生產(chǎn)難以接續(xù)。因此，亟需解決9#礦體空區(qū)安全隱患的處置及生產(chǎn)銜接難題。

采空區(qū)及殘礦分布類型較多，周圍工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，因此采空區(qū)處理及殘礦開(kāi)采問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外普遍存在的采礦技術(shù)難題[1-3]。采空區(qū)及殘礦開(kāi)采一方面需要全面處置采空區(qū)安全隱患，同時(shí)回采采空區(qū)殘礦資源，實(shí)現(xiàn)空區(qū)處置與殘礦開(kāi)采的協(xié)同開(kāi)展。國(guó)內(nèi)外關(guān)于采空區(qū)處理及殘礦開(kāi)采方法的研究較多[4-6]，針對(duì)礦山的具體開(kāi)采條件制定相應(yīng)的技術(shù)方案。開(kāi)展針對(duì)性的采空區(qū)處理與殘礦開(kāi)采技術(shù)研究與工程應(yīng)用，亦為其它類似開(kāi)采技術(shù)條件的礦山提供參考。

1 采空區(qū)及殘礦現(xiàn)狀分析

9#礦體1005水平以上采用中深孔分段鑿巖階段出礦的空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采，沿礦體走向方向上劃分為1901和1902兩個(gè)大型采場(chǎng)，采場(chǎng)間預(yù)留24 m礦柱支撐采空區(qū)頂板，采空區(qū)頂板厚度約為6～10 m，如圖1所示。其中1901采場(chǎng)頂板暴露面積為1 998.32 m2，1902采場(chǎng)頂板暴露面積為3 125.55 m2，礦柱殘留礦量為10.66萬(wàn)t，礦體整體面積為5 880.08 m2。

圖1 采空區(qū)現(xiàn)狀平面圖Fig.1 Goaf status plan

礦體西部靠近礦區(qū)木哈爾斷裂帶，該斷層為礦區(qū)的成礦斷層，斷層厚度大，巖層極其不穩(wěn)定。1005以上采場(chǎng)回采結(jié)束后，1901采場(chǎng)西部已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的垮塌。采空區(qū)雖然有礦柱支撐，但穩(wěn)定性問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，局部已出現(xiàn)跨落。同時(shí)，由于采空區(qū)尚未有效處理且壓覆大量礦柱資源，采空區(qū)大面積垮落勢(shì)必會(huì)影響礦山生產(chǎn)安全，造成礦山安全及生產(chǎn)接續(xù)困難，亟需對(duì)采空區(qū)進(jìn)行有效處理，盡可能回采殘礦資源。

2 空區(qū)頂板暴露面積分析

大面積采空區(qū)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到井下開(kāi)采安全及采空區(qū)處理方案的選擇，通過(guò)對(duì)頂板允許暴露面積著手，利用Mathews穩(wěn)定性分析方法分析現(xiàn)有采空區(qū)頂板的穩(wěn)定狀況，研究得出現(xiàn)有采空區(qū)允許的初始崩落面積及最大暴露面積為空區(qū)處理方案提供支撐[7-8]。

Mathews穩(wěn)定圖方法在空?qǐng)霾傻V法設(shè)計(jì)中的利用是1980年MATHEWS等人首次提出的，后來(lái)TRUEMAN等人基于大量礦山現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)例，對(duì)Mathews穩(wěn)定圖進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)穩(wěn)定區(qū)、大破壞區(qū)等應(yīng)用對(duì)數(shù)回歸的方法重新進(jìn)行了定義，可以使用平行直線劃分對(duì)數(shù)坐標(biāo)系各個(gè)不同的區(qū)帶間，并將該方法擴(kuò)展到崩落法開(kāi)采的可崩性研究[7]。

根據(jù)Mathews穩(wěn)定性指數(shù)的計(jì)算參數(shù)，按公式N=Q′×A×B×C以及穩(wěn)定性指數(shù)與水力半徑的相關(guān)關(guān)系圖，可得出穩(wěn)定性指數(shù)N和穩(wěn)定狀況下的容許水力半徑HR[7-8]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。其中，Q′為修正的NGI巖體質(zhì)量指數(shù)，A為巖石應(yīng)力系數(shù)，B為節(jié)理方位修正系數(shù)，C為重力調(diào)整系數(shù)。

表1 穩(wěn)定性指數(shù)N和容許水力半徑HR計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculated results of stability index N and allowable hydraulic radius HR

注：HR1為穩(wěn)定區(qū)的容許水力半徑，HR2為無(wú)支護(hù)過(guò)渡區(qū)的容許水力半徑。

采場(chǎng)上覆頂板穩(wěn)定性是該方案頂板處理過(guò)程的一個(gè)重要指標(biāo)。Mathews穩(wěn)定性方法是在考慮采場(chǎng)上覆頂板及上盤(pán)圍巖穩(wěn)定性和礦巖力學(xué)性質(zhì)、開(kāi)采深度、裂隙發(fā)育及采場(chǎng)暴露面等因素的基礎(chǔ)上對(duì)采場(chǎng)上覆頂板穩(wěn)定性做出分析的。由水力半徑計(jì)算公式可計(jì)算出回采采場(chǎng)的初始崩落參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 采場(chǎng)的穩(wěn)定暴露面積和初始崩落面積計(jì)算

根據(jù)Mathews穩(wěn)定性分析方法得出，該礦采場(chǎng)可能出現(xiàn)頂板崩落的初始崩落面積為900～2 100 m2。目前該礦1#礦體采空區(qū)已經(jīng)塌陷，結(jié)合9#礦體采空區(qū)賦存情況，其允許的最大頂板暴露面積為2 100 m2左右，現(xiàn)有采空區(qū)穩(wěn)定性欠佳。因此亟需對(duì)9#礦體采空區(qū)進(jìn)行有效的處理，消除采空區(qū)突然垮塌造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 采空區(qū)處理及殘礦回收方案

采空區(qū)處理及殘礦回收方案的選擇考慮的因素比較多，選擇合理的技術(shù)方案能夠有效減少采空區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)，充分回采殘礦資源[8]。常用的采空區(qū)處理方式一般有封閉、崩落、充填及聯(lián)合處理的方式。

3.1 總體處理方案

該礦9#礦體采空區(qū)范圍比較大、距離地表較近，且頂板已經(jīng)出現(xiàn)局部的垮落。采用封閉的方式不能實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的有效處置，采用充填的方式能夠有效解決采空區(qū)隱患，但殘礦回收周期較長(zhǎng)，回收成本較高。結(jié)合礦山現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外常用的技術(shù)手段，采用崩落采空區(qū)頂板的方式處理該近地表大型采空區(qū)。崩落過(guò)程中利用1 005 m中段出礦底部塹溝，回收采空區(qū)中部礦柱的礦石資源，殘礦回收結(jié)束后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填從而達(dá)到采空區(qū)處理與殘礦開(kāi)采協(xié)同進(jìn)行的目的。

充分考慮到礦山現(xiàn)狀及頂板穩(wěn)定性狀況，采取自上盤(pán)至下盤(pán)后退式崩落的方式。如圖2所示，自礦柱上盤(pán)至下盤(pán)5次后退式爆破，第一次爆破首先使采空區(qū)爆破破頂與地表貫通形成泄壓通道，并形成礦柱崩落自由面。通過(guò)依次爆破逐步形成采空區(qū)暴露頂板，從而使得采空區(qū)頂板逐步垮落。崩落礦柱的礦石落至1 005 m出礦塹溝，通過(guò)鏟運(yùn)機(jī)鏟裝運(yùn)至地表。

圖2 采空區(qū)處理方案Fig.2 Gob area treatment project

3.2 布孔及爆破方案

根據(jù)礦山穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)，采空區(qū)頂板允許的暴露面積為2 100 m2，且采空區(qū)頂板已經(jīng)出現(xiàn)不同程度垮落?？傮w采用后退式崩落采空區(qū)中部隔離礦柱，采空區(qū)頂板自然垮塌形成大范圍采空區(qū)，消除采空區(qū)長(zhǎng)時(shí)間懸頂突然垮塌造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于兩側(cè)均為采空區(qū)的礦柱崩落，采用中深孔及大直徑深孔是比較常見(jiàn)的方式[9-10]。大直徑深孔一般在地表采用潛孔鉆機(jī)鑿巖，采空區(qū)距離地表較近且采空區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了部分垮塌，地表鑿巖的安全風(fēng)險(xiǎn)較大。中深孔鑿巖對(duì)設(shè)備的要求不高，且可以充分利用井下原有的鑿巖巷道及工業(yè)設(shè)施，作業(yè)均位于井下，安全性較好，因此本方案考慮采用礦柱內(nèi)布置中深孔爆破的方式。

利用礦山原有的1016、1027、1038三個(gè)鑿巖水平，利用中深孔鉆機(jī)施工上向扇形中深孔，如圖3所示。其中1038水平為最上部鑿巖水平，其炮孔穿透地表，以利于頂板的爆破破頂。

圖3 礦柱炮孔設(shè)計(jì)三維模型Fig.3 Three dimensional model hole design of pillar

受礦山地理位置及鑿巖設(shè)備的限制，采用YGZ90鉆機(jī)施工，扇形孔的孔底距為2.2 m，排距1.6 m。拉槽區(qū)炮孔排面與礦柱垂直，利用礦柱兩側(cè)采空區(qū)作為自由面，側(cè)向爆破形成拉槽區(qū)為正常排炮孔提供補(bǔ)償空間。圖4為礦柱炮孔設(shè)計(jì)橫剖面圖。

圖4 礦柱炮孔設(shè)計(jì)橫剖面圖Fig.4 Three dimensional model hole design of pillar

礦柱爆破共分為七次，其中拉槽區(qū)爆破三次，正常排爆破四次。第一次爆破形成頂板破頂，后續(xù)隨著礦柱逐次爆破，礦柱兩側(cè)采空區(qū)逐步垮塌，形成高端壁采空區(qū)。

礦柱及采空區(qū)頂板垮落礦石落入1 005 m中段塹溝出礦水平，通過(guò)鏟運(yùn)機(jī)鏟至運(yùn)礦卡車運(yùn)至地表。由于地表覆蓋層存在一定厚度的廢石層，出礦過(guò)程中控制出礦品位，盡可能回收殘礦資源。

3.3 采空區(qū)充填

由于該礦山1 005 m以下為正常開(kāi)采區(qū)域，上部采空區(qū)處理及殘礦回采結(jié)束后，須對(duì)1 005 m以上采空區(qū)進(jìn)行有效的充填。一方面完全徹底消除頂板崩落后形成高端壁采空區(qū)的幫壁垮落風(fēng)險(xiǎn)，另一方面保障采空區(qū)下部中段采礦的安全，實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)的有效過(guò)渡銜接。

爆破出礦后形成的采空區(qū)高度約為45 m、長(zhǎng)度約136 m、寬度約47 m、采空區(qū)體積約26.5萬(wàn)m3。按照國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果及生產(chǎn)實(shí)踐，采取組合式充填強(qiáng)度設(shè)計(jì)，一方面在采空區(qū)底部形成高強(qiáng)度充填體假底，假底上部采用較低配比設(shè)計(jì)，減少充填成本[11-12]。

采空區(qū)均采用尾砂膠結(jié)充填，如圖5所示。為了保障下部中段的正常開(kāi)采，底部應(yīng)采用高強(qiáng)度的尾砂膠結(jié)充填體，因此底部尾砂灰砂比為1∶4，充填的高度為10 m。中部及上部充填體強(qiáng)度需求較底部低，主要是進(jìn)一步提高充填體整體穩(wěn)定性，支撐采空區(qū)周邊圍巖穩(wěn)定。中部尾砂灰砂比為1∶4，充填的高度為10 m。上部尾砂灰砂比為1∶4，充填的高度為25 m。采空區(qū)尾砂膠結(jié)充填總的水泥使用量為9.4%。

圖5 采空區(qū)充填強(qiáng)度設(shè)計(jì)Fig.5 Backfill strength design of the goaf

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析評(píng)價(jià)，充分評(píng)估技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)可行性，指導(dǎo)方案的進(jìn)一步優(yōu)化。

從表3可以看出，由于采空區(qū)頂板存在一定廢石層，頂板和礦柱崩落后，造成礦石與廢石混入比較嚴(yán)重，使得殘礦資源的損失率與貧化率指標(biāo)控制較差。同類礦山在采空區(qū)崩落前，可對(duì)地表廢石層進(jìn)行預(yù)先剝離，盡可能減少?gòu)U石混入，提高殘礦回采過(guò)程中的貧化。

表3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Table 3 Technical-economic indicators

5 結(jié)論

本文基于采空區(qū)及殘礦賦存現(xiàn)狀，結(jié)合礦山設(shè)備配置狀況，研究提出中深孔分次爆破礦柱形成頂板逐步垮落的總體技術(shù)方案，得到以下結(jié)論：

1)利用礦柱爆破破頂采空區(qū)頂板逐步垮落的技術(shù)方案，可操作性好、安全可靠，可作為類似空區(qū)處理的有效技術(shù)手段。

2)利用采空區(qū)作為補(bǔ)償空間，采用中深孔爆破施工簡(jiǎn)單，安全性高。

3)采空區(qū)膠結(jié)充填后，可實(shí)現(xiàn)與下部中段生產(chǎn)的有效銜接，保障礦山持續(xù)有效生產(chǎn)。