錫鐵山鉛鋅礦采空區(qū)治理方案優(yōu)選

高天宇 馬 麟

（1.西部礦業(yè)股份有限公司錫鐵山分公司；2.大冶有色設(shè)計(jì)研究院有限公司）

我國(guó)礦山重特大安全事故時(shí)有發(fā)生，采空區(qū)災(zāi)害是主要誘因之一。采空區(qū)災(zāi)害的主要有片幫、冒頂、突水、地震、巖爆、沖擊地壓、地面塌陷、地面沉降、地裂縫以及由其導(dǎo)致的滑坡、泥石流、地表植被破壞等多種形式［1-3］。采空區(qū)破壞了礦山開采技術(shù)條件，對(duì)礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，造成環(huán)境惡化、礦產(chǎn)資源嚴(yán)重浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)損失巨大，已經(jīng)成為制約礦山發(fā)展的一個(gè)重要難題［4］。隨著礦山向深部開采，地壓增大使采空區(qū)更容易發(fā)生事故，若不及時(shí)治理，就有可能導(dǎo)致大面積地壓活動(dòng)，造成礦山重特大事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2016年，我國(guó)金屬非金屬礦山采空區(qū)體積已超過(guò)12.8億m3。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)因采礦引起的地表塌陷面積達(dá)1 150 km2，發(fā)生采礦塌陷災(zāi)害的礦業(yè)城市有30多個(gè)，每年因采礦地面塌陷造成的損失達(dá)4億元以上。錫鐵山鉛鋅礦采空區(qū)數(shù)量多，總體積規(guī)模大，單個(gè)采空區(qū)的體積規(guī)模較大，采空區(qū)之間相互貫通的情況較多，空間關(guān)系復(fù)雜，為了安全開采深部礦體，必須加以治理。

1 采空區(qū)現(xiàn)狀

錫鐵山鉛鋅礦采礦方法為留礦采礦法和分段空?qǐng)龇ǎ?種采礦方法設(shè)計(jì)的采出礦石比例為2∶8，采用留礦采礦法開采過(guò)程中，頂板穩(wěn)定性差，安全性得不到保障，礦山目前僅有2個(gè)采場(chǎng)采用留礦法進(jìn)行開采，其余采用分段空?qǐng)龇ㄩ_采。

礦山在采礦過(guò)程中，在礦山溝設(shè)置了2個(gè)永久保安礦柱，礦山溝以東至無(wú)名溝地段的礦體都進(jìn)行了“三柱”回收以及圍巖崩落工作，該地段采空區(qū)已與地表塌透貫通，大量崩落圍巖進(jìn)入采空區(qū)，并在3 002 m中段形成了大于30 m的巖石緩沖層。2 702~3 002 m地段開采的Ⅱ、Ⅲ號(hào)礦體厚度大于5 m則采用分段空?qǐng)霾傻V法回采，并進(jìn)行了“三柱”回收工作，在三柱回采爆破的同時(shí)，采取了崩落圍巖形成采空區(qū)緩沖層的方式治理空區(qū)。通過(guò)3Dmine軟件建立鉛鋅礦采空區(qū)立體可視化模型如圖1所示，通過(guò)統(tǒng)計(jì)，礦山形成的采空區(qū)體積總量超過(guò)900萬(wàn)m3，并且隨著礦山采礦向深部延續(xù)，采空區(qū)體積規(guī)模將按每年約40萬(wàn)m3的速度進(jìn)一步增大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分相鄰采場(chǎng)在頂、底和間柱開采后，采空區(qū)連成一片，且一些獨(dú)立、偏遠(yuǎn)的盲礦體形成的采空區(qū)也未及時(shí)處理，從安全角度分析，長(zhǎng)期存在未治理的大面積和數(shù)量眾多的采空區(qū)已成為礦山的一個(gè)重大安全隱患，并在一定程度上嚴(yán)重威脅著礦山的生產(chǎn)安全。圖1為錫鐵山鉛鋅礦采空區(qū)立體模型及地表復(fù)合圖。

通過(guò)在礦山調(diào)研可知，由于礦山已開采多年，3 062 m中段以上的3 142、3 222、3 282 m中段人員已經(jīng)不能進(jìn)入，經(jīng)過(guò)和礦上人員進(jìn)行交流分析，預(yù)計(jì)已經(jīng)發(fā)生較大規(guī)模的冒落；現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查主要針對(duì)3 062 m中段及其以下中段。由調(diào)研得到已開采中段采空區(qū)現(xiàn)狀見表1。

2 采空區(qū)治理方案選擇

2.1 采空區(qū)治理技術(shù)

采空區(qū)治理是空?qǐng)龇ㄩ_采后必須解決的一個(gè)重要問題。影響采空區(qū)治理方法的主要因素有采空區(qū)的大小、形態(tài)，礦巖特性，充填物料的來(lái)源和質(zhì)量，礦柱的合理回收情況，建筑物、構(gòu)筑物能否拆遷，河流能否改道、池塘能否填平，山崩、滑坡、泥石流對(duì)礦區(qū)的影響等。

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根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外礦山所采用的采空區(qū)治理方法，主要包括充填治理采空區(qū)、崩落圍巖治理采空區(qū)、留永久礦柱支撐采空區(qū)、隔離與疏導(dǎo)采空區(qū)和聯(lián)合法治理采空區(qū)5類，前4類是最基本的采空區(qū)治理方法，聯(lián)合法是采用上述4種方法聯(lián)合治理采空區(qū)［5］。由表2可以看出不同治理方法都有其適應(yīng)的適用條件，在不同條件下各有利弊。

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2.2 采空區(qū)治理方案優(yōu)選

針對(duì)錫鐵山鉛鋅礦采空區(qū)的治理，具體分析如下。

（1）該鉛鋅礦礦石品位高，采用留永久礦柱支撐的方法，將造成礦山資源量大幅損失，顯然不經(jīng)濟(jì)；隨著開采深度的增加，小尺寸礦柱難以保障生產(chǎn)安全，礦柱尺寸勢(shì)必增大，將造成更大的經(jīng)濟(jì)損失；當(dāng)采空區(qū)積累到一定程度時(shí)，局部礦柱的應(yīng)力集中達(dá)到極限，礦柱的崩塌只是時(shí)間問題，不能從根本上消除采空區(qū)的安全隱患。

（2）采用充填法治理采空區(qū)被認(rèn)為是目前治理采空區(qū)效果最佳的方法，但是其成本往往也是最高的，工藝也最復(fù)雜。根據(jù)采空區(qū)統(tǒng)計(jì)，8、9、10這3個(gè)中段的采空區(qū)總量在137萬(wàn)m3。通過(guò)充填成本測(cè)算，灰砂比1∶15的料漿，當(dāng)濃度70%~72%，7 d充填體強(qiáng)度≥0.3MPa，可用于治理采空區(qū)，充填成本為91.16元/m3，則治理成本達(dá)到1.25億元，按30%治理計(jì)算，也要3 746萬(wàn)元，治理成本高，而且短期內(nèi)就要投入，研究認(rèn)為不是最佳的方案。

（3）應(yīng)用封閉隔離法的主要目的是控制采空區(qū)冒落時(shí)的影響范圍，而不以阻止采空區(qū)頂板位移為目標(biāo)，應(yīng)用封閉隔離法治理采空區(qū)的礦山比較多，通常與其他治理方法結(jié)合使用，這是一種經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的采空區(qū)治理方法。

目前，礦山2 822 m中段以上礦體已全部回采完畢，礦塊在礦房回采后，已完成了“三柱”的回采工作。據(jù)礦方統(tǒng)計(jì)，3 002 m以上采空區(qū)墊層厚度均達(dá)到30 m，由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，2 822 m以上采空區(qū)基本冒落，與上部采空區(qū)冒通，預(yù)計(jì)形成了至少20 m厚度的緩沖墊層。

礦山現(xiàn)采取的圍巖自然崩落或強(qiáng)制崩落的方法治理采空區(qū)，未發(fā)生大的采空區(qū)安全事故，證明采取崩落法治理采空區(qū)的辦法是合理有效的。和充填治理采空區(qū)的方法比較，崩落礦巖治理采空區(qū)較為簡(jiǎn)單易行，成本較低，投資少，采空區(qū)如能及時(shí)治理，并達(dá)到要求的崩落范圍和厚度，可以緩解巖層應(yīng)力集中，保證井下生產(chǎn)區(qū)的安全。國(guó)內(nèi)外的大量實(shí)例也證明這種治理方法是安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理和見效最快的一種治理措施。

因此通過(guò)采空區(qū)治理方案優(yōu)選，認(rèn)為錫鐵山鉛鋅礦采空區(qū)治理宜采取封閉隔離和崩落圍巖形成緩沖墊層的方法，即隔離采空區(qū)與生產(chǎn)區(qū)，懸掛安全警示標(biāo)志，開展安全檢查相結(jié)合的方法；對(duì)一定規(guī)模以上并對(duì)生產(chǎn)有安全影響的采空區(qū)，應(yīng)采取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控措施，在有大冒落預(yù)兆時(shí)及時(shí)撤除人員、設(shè)備及設(shè)施。

針對(duì)不同類型的采空區(qū)具體治理方案如下。

（1）對(duì)相對(duì)較為獨(dú)立和遠(yuǎn)離生產(chǎn)作業(yè)區(qū)的采空區(qū)，采用圍巖自然冒落，在通道口構(gòu)筑格柵隔離，在區(qū)域內(nèi)礦塊回采結(jié)束后，在主要巷道構(gòu)筑隔離墻治理采空區(qū)，懸掛警示標(biāo)志，定期開展安全檢查。

（2）對(duì)同一中段連通和靠近生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域的較小規(guī)模采空區(qū)，采用密閉墻封閉，懸掛警示標(biāo)志，定期開展安全檢查的方法治理。

（3）對(duì)于同一礦帶上，且上、下中段采場(chǎng)采空區(qū)直接或間接連成一片形成的大規(guī)模采空區(qū)，采用密閉墻封閉，并在通道口懸掛安全警示標(biāo)志，定期開展安全檢查，實(shí)時(shí)監(jiān)控空區(qū)狀態(tài)，在有大冒落預(yù)兆時(shí)及時(shí)撤除人員，懸掛安全警示標(biāo)志，定期開展安全檢查。

3 結(jié)論

（1）為了安全開采錫鐵山鉛鋅礦深部礦體，消除采空區(qū)數(shù)量多，規(guī)模大，空間關(guān)系復(fù)雜的問題，采用3DMine軟件建立鉛鋅礦采空區(qū)立體可視化模型，掌握采空區(qū)的三維形態(tài)，統(tǒng)計(jì)出該鉛鋅礦采空區(qū)體積總量已超過(guò)900萬(wàn)m3。

（2）通過(guò)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析，統(tǒng)計(jì)分析礦山已開采中段采空區(qū)現(xiàn)狀，從安全可靠、經(jīng)濟(jì)效益、治理周期等方面對(duì)不同的采空區(qū)治理方案進(jìn)行比選，研究得出該鉛鋅礦治理采空區(qū)適合封閉隔離和崩落圍巖形成緩沖墊層的方案，該方案簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)合理和見效快，能為類似礦山采空區(qū)治理提供參考依據(jù)。