香爐山鎢礦東部采區(qū)空區(qū)分級與充填治理研究

萬林海

(江西省修水香爐山鎢業(yè)有限責(zé)任公司, 江西 修水縣 332438)

目前,全面采礦法、房柱采礦法仍是回采緩傾斜礦體的重要采礦方法[1],其共同要求是:在采場采礦時,留設(shè)一定比例的礦石點(diǎn)柱于采場內(nèi),用于支撐頂板,控制頂板地壓。不同之處在于,全面采礦法,留設(shè)點(diǎn)柱位置,沒有明確規(guī)律,隨采礦作業(yè)進(jìn)度進(jìn)行調(diào)整,而房柱采礦法,則是提前規(guī)劃好礦柱位置。

上述兩種采礦方法,采場內(nèi)礦石點(diǎn)柱的設(shè)置,往往根據(jù)極限跨度和礦柱安全系數(shù)計算的結(jié)果來確定。開采前期,由于采場內(nèi)頂板安全性往往較高,因而采場結(jié)構(gòu)參數(shù)上采場長度、采場寬度較大,單個采場垂直投影面積往往大于2000 m2以上。但隨著采場回采的結(jié)束,如果嗣后充填工作未能及時開展或滯后時,該類型采場空區(qū),可能將會轉(zhuǎn)化為重大安全隱患區(qū)域,給后續(xù)采場的平面工程布置造成一定的不良影響。因此,研究判斷并優(yōu)先治理重點(diǎn)隱患采空區(qū),對于礦山減少空區(qū)治理投入并維持礦山正常開采,顯得尤為重要。

1 礦區(qū)開采技術(shù)條件

江西省修水香爐山鎢業(yè)有限責(zé)任公司位于修水縣港口鎮(zhèn)內(nèi),由11家礦山企業(yè)重組而來。礦區(qū)采用地下開采,開拓方式為平硐＋輔助斜坡道,鏟運(yùn)機(jī)裝載,礦卡運(yùn)輸。礦區(qū)主采的1 W礦體,具有儲量大、品位高、厚度大、礦體及頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)固、分布范圍廣、連續(xù)性好、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件簡單等特點(diǎn)。

井下礦區(qū),以16線為界,劃分為東、西部兩個采區(qū)。其中:東部采區(qū)為原11家礦山的主采礦區(qū),井下采場大量使用留設(shè)不規(guī)則點(diǎn)柱、條柱的全面法進(jìn)行開采[2],已形成大規(guī)模復(fù)雜采空區(qū),現(xiàn)采用充填采礦法進(jìn)行開采及空區(qū)處理,處于殘礦回采階段,亦是本次空區(qū)穩(wěn)定性計算分級與充填治理規(guī)劃研究的重點(diǎn)區(qū)域。

1.1 井下空區(qū)現(xiàn)狀

目前,井下已利用原全面法留設(shè)礦柱,改造點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法進(jìn)行開采,但同時受限于充填能力,尚有大量空區(qū)沒能進(jìn)行充填治理。因此,采用“區(qū)域充填、區(qū)域回采,逐步推進(jìn)治理空區(qū)”的思路,進(jìn)行殘礦回采。

井下空區(qū)情況:2013年以前,井下空區(qū)主要以東部礦區(qū)空場法空區(qū)為主,西部礦區(qū)未進(jìn)行大量開采,2013年之后礦山開始進(jìn)行現(xiàn)場充填工業(yè)試驗(yàn),西部礦區(qū)開始采用兩步驟空場嗣后充填法開采,該方法產(chǎn)生的采空區(qū)隨著回采作業(yè)水平的升高,被大量充填,因此,截至2019年,井下空區(qū)仍然以東部礦區(qū)為主。

表1 2013—2018年采空區(qū)體積變化

1.2 井下回采工藝

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,香爐山鎢業(yè)東部頂板采場采用點(diǎn)柱式上向水平分層充填采礦法,利用原開采留設(shè)的點(diǎn)柱作為盤區(qū)采場劃分的節(jié)點(diǎn),砌筑充填擋墻(預(yù)留盤區(qū)采場出入口),充分利用井下現(xiàn)有工程,圈定回采區(qū)域,并對圈定區(qū)域進(jìn)行充填作業(yè),充填體達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后,利用充填體作為作業(yè)平臺,開始頂板回采,采場布置如圖1所示。在回采、充填區(qū)域圈定時,必須保證回采區(qū)域的運(yùn)輸、通風(fēng)等系統(tǒng)的暢通與安全。

圖1 東部采區(qū)采礦工程布置與回采

原采空區(qū)充填時充填體與頂板之間預(yù)留1.5～2 m的作業(yè)空間,回采分層高度根據(jù)頂板跨度大小確定,一般為2～3 m,在頂板巖體較為穩(wěn)固的情況下,配備撬毛臺車等設(shè)備后,采用高分層4～6 m進(jìn)行回采;淺孔鑿巖落礦,崩落礦石采用鏟運(yùn)機(jī)鏟裝,礦用卡車運(yùn)出地表,并視礦巖穩(wěn)固情況,可增設(shè)一定數(shù)量人工礦柱,減少頂板跨度,保證回采安全,回采時,嚴(yán)禁回采點(diǎn)柱礦體。

此采礦方法充分利用原有工程,一般不增加新的采切工程,特殊情況下為保證人員、設(shè)備運(yùn)輸線路安全,可添加一定掘進(jìn)工程或構(gòu)筑人工假巷。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性安全分級

2.1 頂板穩(wěn)定性分級

采用Mathews穩(wěn)定性圖解法和Bieniawski推薦的礦柱強(qiáng)度公式計算分析了不規(guī)則礦柱的穩(wěn)定性[3-8],根據(jù)頂板穩(wěn)定性計算結(jié)果,結(jié)合風(fēng)險分級評判標(biāo)準(zhǔn)《金屬非金屬礦山采空區(qū)安全風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)》(DB43/T 1385—2018),進(jìn)行頂板安全分級。香爐山鎢礦東部采區(qū)頂板穩(wěn)定性分區(qū)如圖2所示。

圖2 頂板穩(wěn)定性采空區(qū)安全分區(qū)

(1)Ⅰ級(安全)狀況的采空區(qū)57個,占采空區(qū)總數(shù)的21%,面積占11%;

(2)Ⅱ級(較安全)狀況的采空區(qū)74個,占采空區(qū)總數(shù)的27%,面積占22%;

(3)Ⅲ級(較不安全)狀況的采空區(qū)113個,占采空區(qū)總數(shù)的42%,面積占50%;

(4)Ⅳ級(不安全)狀況的采空區(qū)27個,占采空區(qū)總數(shù)的10%,面積占17%。

2.2 礦柱穩(wěn)定性分級

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)將礦柱的穩(wěn)定性安全系數(shù)分為四級,并按照國家常用的預(yù)警顏色賦予其不同的預(yù)警色[9],礦柱穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 礦柱穩(wěn)定性安全分級

根據(jù)礦柱穩(wěn)定性分級表,對五坑口、二坑口、四坑口礦柱穩(wěn)定性的計算結(jié)果進(jìn)行分析,各坑口礦柱的安全級別按照不同的預(yù)警色分區(qū)域顯示,采空區(qū)安全分區(qū)如圖3所示。

圖3 礦柱穩(wěn)定性采空區(qū)安全分區(qū)

(1)Ⅰ級(安全)狀況的采空區(qū)為73%;

(2)Ⅱ級(較安全)狀況的采空區(qū)為12%;

(3)Ⅲ級(較不安全)狀況的采空區(qū)為10%;

(4)Ⅳ級(不安全)狀況的采空區(qū)為5%。

2.3 綜合分級

綜合頂板穩(wěn)定性、礦柱穩(wěn)定性安全分級及分區(qū)的結(jié)果,根據(jù)其影響范圍將Ⅳ級(不安全)狀況的采空區(qū)在圖中分區(qū)(根據(jù)坑口定義分區(qū)的編號)表示,如圖4所示,由Ⅳ級狀況采空區(qū)分區(qū)圖分析可知,影響不同區(qū)域采空區(qū)安全狀況的主要為以下9個分區(qū)。

圖4 Ⅳ級(不安全)狀況采空區(qū)影響范圍

(1)5-1區(qū):采空區(qū)頂板暴露面積較大或跨度較大。

(2)5-2區(qū):該區(qū)域礦柱處于較不安全或不安全狀況。

(3)5-3區(qū):頂板暴露面積較大,且部分礦柱處于不安全狀況。

(4)2-1區(qū):采空區(qū)頂板暴露面積大或跨度較大,且不安全狀況采空區(qū)較集中。

(5)2-2區(qū):頂板暴露面積較大,且部分礦柱處于不安全狀況。

(6)2-3區(qū):采空區(qū)頂板暴露面積大或跨度較大[10]。

(7)4-1區(qū):頂板暴露面積較大,且部分礦柱處于不安全狀況。

(8)4-2區(qū):頂板暴露面積較大,且部分礦柱處于不安全狀況。

(9)4-3區(qū):較不安全狀況的礦柱在該區(qū)域較集中,分布范圍較大,且該區(qū)域存在多層空區(qū)重疊,部分上下分層礦柱錯位。

3 采空區(qū)治理規(guī)劃

3.1 空區(qū)充填接頂

香爐山鎢礦目前已經(jīng)充填了一百多萬立方米的采空區(qū),但是充填接頂?shù)膮^(qū)域較少,重大安全隱患區(qū)很少有充填接頂,采空區(qū)頂板的連續(xù)暴露面積依然較大。香爐山鎢礦重大安全隱患的降低或者消除急需大面積充填體的有效接頂,以保證充填體對頂板起到良好的支撐作用。在合理的充填規(guī)劃下,對香爐山鎢礦采空區(qū)進(jìn)行充填并確保接頂,可以起到如下主要作用:

(1)對上述分析的9個Ⅳ級不安全區(qū)進(jìn)行充填接頂,消除重大安全隱患區(qū)域;

(2)充填隔離條帶,將連續(xù)、高大的采空區(qū)分隔成多個獨(dú)立采空區(qū),有效控制采空區(qū)垮塌可能產(chǎn)生的“多米諾效應(yīng)”,降低大面積采空區(qū)垮塌的重大風(fēng)險;

(3)充填隔離條帶,有效防止局部采空區(qū)垮塌產(chǎn)生的沖擊波對其他區(qū)域的影響,減少沖擊波帶來的危害;

(4)大范圍的充填接頂,形成連續(xù)的充填體條形礦柱,控制整體頂板的沉降變形。

3.2 充填接頂規(guī)劃

在對香爐山鎢礦的采空區(qū)及礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行分析、復(fù)核,對目前已經(jīng)充填區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)的勘察、統(tǒng)計和分析,以及對已經(jīng)充填接頂采空區(qū)區(qū)域和充填未接頂?shù)牟煽諈^(qū)區(qū)域的面積、體積等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計的基礎(chǔ)上,結(jié)合香爐山鎢礦目前的開采狀況,為了消除香爐山鎢礦高大采空區(qū)的重大安全隱患,編制了香爐山鎢礦采空區(qū)充填接頂規(guī)劃。

為降低香爐山鎢礦高大采空區(qū)重大安全隱患,當(dāng)前需要重點(diǎn)充填接頂14個采空區(qū)重大隱患區(qū)域,采空區(qū)充填編號分別為:2- 1- 1,2- 1- 2,2- 1- 3,2- 1- 4,2- 2- 1,2- 2- 2,2- 3- 1,2- 3- 2,2- 3-3,5- 3- 1,5- 1- 1,5- 2- 1,4- 1- 1,4- 3-1,包含了大部分Ⅲ級采空區(qū)范圍。

香爐山鎢礦東部采空區(qū)充填規(guī)劃主要考慮Ⅳ級和Ⅲ級風(fēng)險分級區(qū)域,在東部開采區(qū)域形成自北向南的4條連續(xù)充填體礦柱,以控制地壓活動,降低重大安全隱患,充填規(guī)劃順序考慮的原則是自中間向兩邊充填,二坑口為第一步充填區(qū)域,五坑口為第二步充填區(qū)域,四坑口為第三步充填區(qū)域,具體充填規(guī)劃順序如下:

(1)第一階段充填采空區(qū)編號:2- 1-1,2-1-2,2- 1- 3,2- 1- 4,2- 2- 1,2- 2- 2;

(2)第二階段充填采空區(qū)編號:2- 3-1,2-3-2,2- 3- 3,5- 3- 1;

(3)第三階段充填采空區(qū)編號:5-1-1,5-2- 1;

(4)第四階段充填采空區(qū)編號:4-1-1,4-3- 1。

香爐山鎢礦充填接頂規(guī)劃所涉及到的面積、體積、時間和充填順序見表3。

表3 香爐山鎢礦充填接頂規(guī)劃參數(shù)

4 結(jié)論

本文圍繞采空區(qū)穩(wěn)定性分析工作,對香爐山鎢礦的采空區(qū)進(jìn)行了充填規(guī)劃,得出如下結(jié)論。

(1)通過使用目前主流的頂板穩(wěn)定性計算方法、礦柱穩(wěn)定性計算方法,分別對香爐山井下采空區(qū)進(jìn)行了各自安全分級,并對兩者計算結(jié)果進(jìn)行了綜合考慮分析;

(2)為了消除香爐山采空區(qū)重大安全隱患,必須優(yōu)先對9個Ⅳ級采空區(qū)區(qū)域(包含大部分Ⅲ級采空區(qū)區(qū)域)進(jìn)行充填接頂處理,即:五坑口的5-1,5- 2,5-3區(qū),二坑口的2-1,2-2,2-3區(qū)及四坑口的4- 1,4- 2,4-3區(qū);

(3)結(jié)合香爐山鎢礦現(xiàn)場生產(chǎn)情況,進(jìn)行充填接頂規(guī)劃分析,充填接頂規(guī)劃細(xì)分為14個采空區(qū)區(qū)域,進(jìn)一步明確了香爐山鎢礦充填規(guī)劃所涉及到的面積、體積、充填時間和充填順序;

(4)按照充填規(guī)劃充填接頂14個采空區(qū)區(qū)域后,與現(xiàn)在已經(jīng)充填接頂區(qū)域相連接,形成了大體積連續(xù)性的充填隔離礦柱,極大地提高了采空區(qū)的穩(wěn)定性,有效控制了采空區(qū)頂板大面積垮塌的安全風(fēng)險,消除了礦山因采空區(qū)引起的重大安全隱患,改善了礦山的安全生產(chǎn)條件。