隱伏采空區(qū)治理與殘礦回采技術(shù)分析

侯禹丞

(本溪市聚鑫達礦業(yè)有限公司，遼寧 本溪 117000)

0 引 言

我國在1980年以來，大多數(shù)地下金屬礦產(chǎn)采取的開采方法主要為空場法、崩落法，由于對開采區(qū)未能及時填充，導(dǎo)致礦區(qū)中存在較多隱伏采空區(qū)，采空區(qū)對原有的巖體應(yīng)力有一定的損傷，采空區(qū)附近的巖石會在一定程度上進行應(yīng)力的再分配，在達到臨界變形的條件下，會出現(xiàn)位移和破壞，如果再動一次，則會導(dǎo)致空上覆蓋的巖石崩塌、崩塌，采空區(qū)的崩塌會引起強烈的沖擊波、氣浪等，嚴重威脅到采礦工人及設(shè)備安全，而且在采空區(qū)內(nèi)的積水也會出現(xiàn)突水，塌方蔓延到地面，導(dǎo)致地面開裂、塌陷、塌陷，破壞地面的生態(tài)和建筑的安全。根據(jù)相關(guān)學(xué)者和專家對采空區(qū)治理的研究，空洞型開采區(qū)的填充治理，采用傳統(tǒng)的水泥漿有極高的泌水率、較低結(jié)石率，同時水泥漿料分散性較大，治理成本較高，因此提出了采用高濃度膠結(jié)材料進行填充的技術(shù)，具有治理效果好、治理成本低的優(yōu)勢。根據(jù)研究者的分析，以礦山開采產(chǎn)生的大量采空區(qū)為背景，介紹了采用廢棄尾砂填充法、誘導(dǎo)放頂法、采空區(qū)隔離法、巷道隔離法等多種治理措施；一些科研工作者對尾礦的富集處理系統(tǒng)進行了改進，采用了注漿帷幕進行充填，同時對采空區(qū)進行了治理，有效地解決了采空區(qū)的安全問題，使采空區(qū)的空間功能與尾礦資源的協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。

1 隱伏采空區(qū)填充方案

1.1 設(shè)計工藝流程

井下充填站、工業(yè)泵、充填管線等。本課題所研究的礦井現(xiàn)已建成年產(chǎn)1 000 m3/d的填充站，采用1：16的充填充填工藝對隱蔽采空區(qū)進行充填。由于采空區(qū)位于東北方，與地下充填站相距較遠，其直線距離也超過1 260 m，充填工位的標高為+1 055 m，采空區(qū)的頂面標高+1 035 m，垂直落差小，充填倍線64，故必須用充填泵進行繼發(fā)性抽水，注滿管經(jīng)4中段，用33線間柱采準天井充填至隱蔽采空區(qū)中[2]。

1.2 填充管道的壓力計算

通過對國內(nèi)外礦井充填倍線資料的分析，發(fā)現(xiàn)在礦井進行自流式運輸時，充填倍線一般為4.1～6.1。充填站到4號中段的高度相差150 m，在150 m的高度下，橫向運輸?shù)脑?，可以達到600～900 m。根據(jù)充填倍線5：1的比例來計算輸送的阻力，根據(jù)流體力學(xué)中水頭計算的結(jié)果為：150 m高層的填充料漿、水頭為2.65 MPa，按照5：1的充填倍線得出的結(jié)果為：水平輸送1 495 m的距離需要的壓力為5.28 MPa。從33號線間柱的底部到頂部垂直傳送的距離是140 m，其阻力包含了沿程阻力和高差損耗，按照5：1的填充倍數(shù)，則要求0.49 MPa的傳送壓力。根據(jù)流體力學(xué)計算，140 m的高差損耗為2.47 MPa[3]。

根據(jù)工作經(jīng)驗，以及充填倍線的計算方法，可以看出，在1 495 m處，填充倍率為1：16，漿液濃度為70 %～75 %，當輸送距離為1 495 m時，無需考慮自身壓力，并施加6 MPa的泵壓，管道壓力分布情況見圖1。

圖1 管道壓力分布情況

2 隱伏采空區(qū)處理在實際工程中的應(yīng)用

2.1 工程概括

在某斜坡露天采礦工程中，礦床、圍巖的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，巖體穩(wěn)定性好，不存在大斷層、夾層、風(fēng)化層等。礦區(qū)內(nèi)有2個露天采場，2個采場間相隔30 m，在露天采場的斜坡上有若干巷道暴露，露天采場下部可能有隱蔽采空區(qū)。由于采坑較大，長110 m，寬64 m，坑底最低標高+250 m左右，邊坡最大高度15 m，采坑最低標高距離采空區(qū)頂板25 m左右。通過對采空區(qū)的勘察，礦區(qū)范圍中共有5個巷道，巷道與采空區(qū)相連，寬2～3 m，采空區(qū)可分為4個區(qū)域，呈水平分布，采空區(qū)上覆巖層厚為10～30 m，采空區(qū)中有少量積水，未出現(xiàn)塌陷。

2.2 采空區(qū)處理方案

(1)根據(jù)采空區(qū)分布情況以及剝離后的臺階情況，3號和4號可劃分為1個區(qū)塊單獨進行治理，1號和2號的距離較近且面積較小，也可劃分為1個區(qū)塊進行治理。

(2)采空區(qū)的管理次序。采空區(qū)的開采高度由上而下，4個采空區(qū)的治理順序為：3—4—1—2。對同一個采空區(qū)的不同區(qū)域，要按照依次治理的原則，從采空區(qū)的一側(cè)向另一側(cè)治理。

(3)采空區(qū)剝離界限。根據(jù)礦山圍巖的穩(wěn)定性和生產(chǎn)實驗結(jié)果，為了保證操作的安全性，確定空區(qū)上覆頂板巖層的安全度要在10 m以上這意味著要在上方的巖石中穿孔和裝藥，所以，在垂直方向上，必須保證10 m以上的穩(wěn)定巖石[4]。橫向上，空區(qū)治理境界根據(jù)空區(qū)的賦存部位和高度，根據(jù)最少的工作面，根據(jù)調(diào)整高度、安全平臺確定放坡。

(4)對采空區(qū)進行劃分。采空區(qū)邊界為露天邊坡上一步坡底線，從坡底線到地面的逆向放坡，以確定邊坡邊界的邊界。

(5)開放剝離工藝。利用KQY90潛孔鉆機對空區(qū)的賦存階梯進行深鉆孔，并進行微差爆破，將爆破后的巖石用CE420-6液壓挖掘機進行采裝，15 t礦采用自卸汽車進行運輸。剝巖臺的高度為17～18 m。詳見表1。

表1 采空區(qū)削頂剝離水平及空區(qū)處理臺階劃分

3 殘礦回采技術(shù)的的現(xiàn)狀及特點

3.1 地質(zhì)情況

該文研究的礦體厚度為2～78 m，延長100～1 230 m，大約為東西走向，略向北傾斜。圍巖為變質(zhì)巖、板巖，較為穩(wěn)定，巖石節(jié)理發(fā)育。

3.2 殘礦現(xiàn)狀及特點

礦區(qū)殘礦一般分布在496、448、388幾個區(qū)域，見表2。具有以下特點。

表2 礦區(qū)殘礦分布情況

(1)采主留次。受到開采方法和開采設(shè)備的影響，最大的采幅為8～12 m之間，在中段上，一般只能選擇品位較高的礦帶或大主脈進行回采，礦帶其余部分以及較薄的礦脈則放棄回采。

(2)采房留柱。礦體回采的時候，將礦體沿著走向劃分為幾個礦塊實施回采，礦柱為礦體間柱和頂?shù)字瑸椴扇∵M一步的回收。同時，由于礦區(qū)礦帶中的含脈率和礦化分布不夠均勻，歷史上有選擇性的回采礦脈以后，礦帶中相對含脈率較少，地質(zhì)品位較低的礦脈則會被舍棄。

(3)民采破壞。很多民采企業(yè)受到利益的誘惑，民窿工非法潛入到礦區(qū)中胡亂開采，導(dǎo)致部分殘礦受到損壞，而且民窿工的開采手段不夠科學(xué)，會留下很多不規(guī)則的殘礦。

礦區(qū)常見的3種殘礦：①掛壁礦，表示之前有人采礦的時候未采完的原礦上下盤的礦脈，也就是礦壁；②礦柱礦，表示以往開采中剩下的礦體頂?shù)字?、間柱和含脈夾墻；③存窿礦，礦體回采的時候，礦房中為出完的和未采取充填的礦石，也包括自然塌陷落入到采礦區(qū)中的礦石[5]。

3.3 殘礦回采技術(shù)實施原則

(1)必須落實安全第一的操作原則。保證安全是殘礦回采的基本原則，在殘礦回采技術(shù)應(yīng)用階段，一切以保證安全為主。

(2)重視效益。殘礦回采的目的是為了將資源優(yōu)勢變?yōu)榻?jīng)濟優(yōu)勢，合理、充分地利用礦產(chǎn)資源來提高經(jīng)濟效益。殘礦回采要先確定回采的界限，制定合理的殘礦回采技術(shù)，減少礦石二次貧化。每個殘礦都是獨立的礦壁、夾墻、頂板柱構(gòu)成的，在處理的時候要保證選擇回采技術(shù)的合理性，在做好底部出礦的情況下，攤銷在處理每噸殘礦需要的費用不可超過正常的采礦費用。根據(jù)級差品位指標的相關(guān)原理，確定了掛壁礦可采品位指標，對上下掛壁礦重新進行界定[6]。

(3)要做好統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。根據(jù)礦區(qū)的發(fā)展規(guī)劃和開采順序，對各殘礦回采進行統(tǒng)籌規(guī)劃，確定回采的順序且制定回采方案。

4 礦柱殘礦資源的回收方案

4.1 礦塊的相關(guān)參數(shù)分析

以某殘礦回收舉例，對礦塊的長度、垂直走向分布情況進行分析，礦塊的尺寸為：厚度12 m、寬度是保安礦柱長的18 m、高度50 m、進路寬度3 m、高度4 m、底柱高5 m，由于膠結(jié)填充體的嵌固端較低，因此保留保安礦柱，取消頂柱。

4.2 采準切割

采準工程中包括階段巷道、出礦進路、礦石溜井、鑿巖平巷等。

(1)階段巷道、出礦進路以及礦石溜井技術(shù)。階段巷道在礦塊的下部，出礦進路在礦體下部，與礦體呈垂直方向分布，礦石溜井在礦體中，與上盤圍巖的距離大概為3 m。

(2)人行通風(fēng)天井，在礦塊的右端，斷面為2 m×2 m，主要用于人和設(shè)備的通行，還具有通風(fēng)的作用[7]。

(3)鑿巖平巷。斷面為2 m×2 m，每層設(shè)置1根，總長度148 m。在鑿巖平巷施工完畢后，采用上向鉆孔，以滑井作橫向塌方，形成工作面和補償面，實施進路礦產(chǎn)回采。

(4)分級聯(lián)系渠道。通訊通道里有一臺電動耙式卷揚機，可以將礦石耙入礦槽，然后從出礦平巷運輸。

4.3 礦柱殘礦的回采

(1)鉆孔和爆破。鑿巖巷道采用了間歇回采技術(shù)，利用氣腿式鉆頭，在中段水平淺孔處，利用毫秒級非電導(dǎo)爆管進行微差爆破。

(2)采用風(fēng)流式通風(fēng)方式，巷道、出礦進路、通風(fēng)通道均有新鮮空氣流入，而受污染的空氣則會經(jīng)采空區(qū)、上部溜礦井等排入回風(fēng)巷。

(3)開采出來的礦石被電耙和卷揚機送到了礦場的內(nèi)部，礦體依靠自身的重量進入到礦巷中，再用鏟運機將礦巷和階段巷道輸送到采區(qū)的滑井中。

5 結(jié) 語

根據(jù)國內(nèi)外目前常用的采空區(qū)治理方法，大致可分為崩落、填充、支撐、封閉隔離、聯(lián)合5種方法，該文針對幾個案例進行分析，結(jié)合國內(nèi)外采空區(qū)治理技術(shù)，并對不同采空區(qū)治理方式的優(yōu)越性、缺點和具體應(yīng)用情況。通過案例分析，泵送接力膠結(jié)充填進行隱伏采空區(qū)的處理是新型且可行的技術(shù)方案，同時，根據(jù)礦柱特征及賦存情況，采用充填開采方法，保證了余礦安全有效的回采。