汝陽東溝鉬礦南區(qū)采空區(qū)分類治理方案研究

東 玲

(金堆城鉬業(yè)汝陽有限責(zé)任公司)

汝陽東溝鉬礦南區(qū)采空區(qū)分類治理方案研究

東 玲

(金堆城鉬業(yè)汝陽有限責(zé)任公司)

根據(jù)東溝鉬礦南區(qū)采空區(qū)賦存情況，通過對國內(nèi)采空區(qū)治理實(shí)例分析，對采空區(qū)進(jìn)行分類治理，Ⅰ類采空區(qū)頂部滿足最小安全厚度，采用中深孔崩落的方法進(jìn)行治理；Ⅱ類空區(qū)情況復(fù)雜，采用側(cè)翼揭露斜孔逐漸推進(jìn)法、同步豎拉槽深孔崩落法、深孔切割崩落法、臺階分段或并段深孔崩落法處理；Ⅲ類空區(qū)位于露天開采最終邊坡以內(nèi)，影響邊坡的穩(wěn)定，采用混凝土充填。經(jīng)過分類處理，復(fù)雜的采空區(qū)可基本得到治理，既排除了安全隱患，又不影響生產(chǎn)，成本低，資源回收率高，礦石貧化低，產(chǎn)生了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益，為其他礦山采空區(qū)治理提供了很好的借鑒。

地下轉(zhuǎn)露天 采空區(qū)分類 采空區(qū)治理 經(jīng)濟(jì)效益

采空區(qū)治理一直是地下轉(zhuǎn)露天開采礦山的難題，大量未處理的采空區(qū)均存在不同程度的安全隱患，我國大中型采空區(qū)主要分布在有色金屬礦山[1]，嚴(yán)重制約了礦山的發(fā)展。汝陽東溝鉬礦為一特大斑巖型鉬礦床，2003年以前主要是個體民采，采用地下開采方式，生產(chǎn)規(guī)模小，2003年以后被金堆城鉬業(yè)整合，進(jìn)行大規(guī)模地下開采，在北區(qū)和南區(qū)都留下了大量的采空區(qū)。為了礦山大規(guī)模露天開采，排除安全隱患，詳細(xì)分析南區(qū)采空區(qū)賦存情況，對采空區(qū)進(jìn)行分類，制定合理的治理方案，以期取得理想的效果。

1 采空區(qū)賦存現(xiàn)狀及處理原則

東溝鉬礦采空區(qū)情況復(fù)雜，空區(qū)面積為5.26萬m2，體積約78.48萬m3。井下空區(qū)、采場呈棋盤式布置，大部分由礦山自行設(shè)計開采。空區(qū)頂板連續(xù)暴露面積不大，一般為500～600 m2；靠近地表、頂板巖石破碎的空區(qū)，底板垮塌現(xiàn)象嚴(yán)重，部分空區(qū)已與地表直接塌透；部分坑口空區(qū)上下重疊復(fù)合，空區(qū)之間頂板原巖厚度較薄，甚至相互采透貫通；有大量未探明的民采盲空區(qū)存在。

根據(jù)目前東溝鉬礦開采現(xiàn)狀，采空區(qū)處理應(yīng)遵循以下原則：安全可靠，成本低；工藝簡單，易于操作，能最大限度地利用已有工程和現(xiàn)有設(shè)施；適應(yīng)性好，資源回收率較高，貧化較?。荒芘c露天剝離采礦相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開采。

2 國內(nèi)外采空區(qū)治理方法

目前國內(nèi)外采空區(qū)處理方法通常有封閉、崩落、加固和充填四大類，有時采用多類方法聯(lián)合處理。

2.1 地下崩落法

用崩落的圍巖充填空區(qū)或形成緩沖巖石墊層，以控制礦山壓力，轉(zhuǎn)移或緩和應(yīng)力集中，防止圍巖大面積突然崩落產(chǎn)生氣浪，危害生產(chǎn)區(qū)巷道、設(shè)備和人身，分為強(qiáng)制崩落和自然崩落。和充填處理空區(qū)比較，本方法簡單易行，一般成本較低。如能及時處理，并達(dá)到要求的崩落范圍和厚度，可以保證生產(chǎn)區(qū)的安全，緩解直至消除應(yīng)力集中。該方法已在國內(nèi)礦山廣泛使用。

2.2 充填法

用充填料(廢石、尾砂)充填采空區(qū)，支撐圍巖，可以減緩或阻止圍巖的變形，以保持其相對穩(wěn)定，因?yàn)槌涮畈牧峡蓪ΦV柱施以側(cè)向力，有助于提高其強(qiáng)度。常用的充填法有干石充填法、尾砂充填法、膠結(jié)充填法。

2.3 封閉和隔離

封閉和隔離處理采空區(qū)是一種經(jīng)濟(jì)、簡便的方法，多在下列情況應(yīng)用：①礦石與圍巖極穩(wěn)固，礦體厚度與延深不大，埋藏不深，地表允許崩落;②埋藏較深的分散孤立的盲采空區(qū)，離主要礦體或主要生產(chǎn)區(qū)較遠(yuǎn)，采空區(qū)上部無作業(yè)區(qū)。

2.4 地表中深孔崩落法

露天剝離和回采的同時，在滿足最小安全厚度的露天臺階布置中深孔，通過爆破崩落頂板巖體充塞空區(qū)，崩落礦巖從地表鏟裝運(yùn)輸。地表中深孔崩落法見圖1。

圖1 露天臺階中深孔崩落法示意

露天臺階中深孔崩落法處理空區(qū)，成本低，工藝簡單，施工難度小，資源回收率較高、貧化較小，安全可靠。但深部空區(qū)需等到露天臺階降至一定標(biāo)高后才能處理，存放周期長。

3 南區(qū)采空區(qū)分類及處理方法

根據(jù)采空區(qū)賦存情況，將井下采空區(qū)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3類。

Ⅰ類空區(qū)為無構(gòu)造帶，頂板巖石穩(wěn)固性好，頂板連續(xù)，暴露面積較小，空區(qū)距地表原巖厚度大于最小安全厚度的單層空區(qū)；空區(qū)雖已垮塌，但透地表，空區(qū)基本已充填密實(shí)。Ⅰ類空區(qū)示意見圖2。

圖2 Ⅰ類空區(qū)示意

頂板至臺階頂面的原巖厚度大于最小安全厚度，利用臺階坡面與空區(qū)為自由面，采用單層空區(qū)中深孔崩落法處理。該方法在國內(nèi)類似礦山已應(yīng)用多年，安全可靠、技術(shù)成熟，經(jīng)濟(jì)合理。葛虎勝等在采空區(qū)的處理中取得了良好的效果[1]。

Ⅱ類空區(qū)為有相對獨(dú)立的構(gòu)造帶，頂板巖石不穩(wěn)固，空區(qū)頂板連續(xù)暴露面積較大，頂板或礦柱部分塌落的單層空區(qū)；上下空區(qū)相復(fù)合，上層空區(qū)底板與下層空區(qū)底板間的原巖厚度小于最小安全厚度的多層空區(qū)；因開采導(dǎo)致單層空區(qū)頂板與臺階面之間的原巖厚度小于安全厚度。Ⅱ類空區(qū)示意見圖3。

圖3 Ⅱ類空區(qū)示意

Ⅱ類空區(qū)的處理可根據(jù)空區(qū)賦存形態(tài)及關(guān)聯(lián)性分一次或兩次處理，其主要方法有側(cè)翼揭露斜孔逐漸推進(jìn)法、同步豎拉槽深孔崩落法、深孔切割崩落法、臺階分段或并段深孔崩落法。葛虎勝等在南湖鉬礦采空區(qū)處理中對Ⅱ類空區(qū)采用了側(cè)翼揭露斜孔逐漸推進(jìn)法和臺階分段或并段深孔崩落法，實(shí)踐證明，2種方法既經(jīng)濟(jì)，又相對安全合理[2]。程建勇等曾采用深孔切割崩落法處理復(fù)合采空區(qū)[3]。

Ⅲ類空區(qū)位于露天開采最終邊坡以內(nèi)，空區(qū)的存在會影響最終邊坡的穩(wěn)定性，甚至出現(xiàn)邊坡垮塌。Ⅲ類空區(qū)示意見圖4。

圖4 Ⅲ類空區(qū)示意

為了保護(hù)露天永久邊坡的穩(wěn)定性，對邊坡下的采空區(qū)采用混凝土充填。在露天邊坡下空區(qū)與地表相通破壞之前，先堵塞該空區(qū)與其他空區(qū)的通道。當(dāng)空區(qū)頂板至臺階面的厚度滿足最小安全厚度的要求時，停止臺階采礦。在臺階面布置充填鉆孔，建立地表移動式充填系統(tǒng)，制備C150混凝土，通過充填鉆孔充填采空區(qū)，并用砂漿接頂。

4 采空區(qū)處理設(shè)計

4.1 Ⅰ類空區(qū)

5#、6#井680臺階628 m水平空區(qū)屬于Ⅰ類空區(qū)，其中C2804、C2806、C2807、C2809滿足最小安全厚度及設(shè)備穿孔作業(yè)的要求。分別在680，668臺階采用地表中深孔崩落法分4次處理。628 m水平其余的空區(qū)將在降至668臺階后，再采用地表中深孔崩落法分次處理。

4.1.1 超前探測

在692臺階布置超前鉆孔，采用351鉆機(jī)施工，探測孔至少深42 m，穿透空區(qū)，掌握頂板厚度和空區(qū)高度的真實(shí)情況。692臺階超前鉆孔工程量見表1。

680臺階主要處理C2804、C2806、C2807、C2809空區(qū)，各空區(qū)分次處理主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

4.1.2 穿 孔

設(shè)計孔網(wǎng)參數(shù)為4 m×5 m，其中前排孔抵抗線為3.5～4 m，孔距為4.5～5 m，采用HCR23型潛孔鉆穿孔。對空區(qū)頂板提前探測，探測孔孔深至少為37 m，應(yīng)穿透空區(qū)?？諈^(qū)上方炮孔穿至距空區(qū)頂板2 m，礦柱上深孔應(yīng)超深空區(qū)頂板2～3 m，局部根據(jù)情況可作適當(dāng)調(diào)整。

表1 692臺階超前鉆孔工程量

表2 680臺階628 m水平空區(qū)處理主要技術(shù)指標(biāo)

680臺階628 m水平空區(qū)處理總孔數(shù)201個，其中探測孔23個，淺孔22個，深孔156個；鉆孔總孔深5 269 m，其中淺孔深297 m，深孔深4 280 m，探測孔深692 m。工程量見表3。

表3 680臺階628 m水平空區(qū)處理工程量

4.1.3 爆 破

以前端臺階坡面及下部空區(qū)為自由面爆破，采用粒狀銨油炸藥，水孔采用乳化炸藥。采用導(dǎo)爆管雷管排間微差起爆方式，導(dǎo)爆索起爆網(wǎng)絡(luò)。淺孔采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，孔口充填3.5 m，孔內(nèi)為同段雙發(fā)雷管。深孔采用孔內(nèi)上、下2段，孔間間隔裝藥，即孔內(nèi)下部以空區(qū)為自由面超前上部1～2段起爆。透孔應(yīng)先吊孔，底部充填2 m后再進(jìn)行裝藥?？變?nèi)間隔裝藥時下部先裝藥8～10 m，同時下起爆彈與2發(fā)同段非電雷管，中間采用細(xì)巖粉充填2 m，然后再進(jìn)行上部裝藥，孔口充填3.5 m。

采用單孔起爆網(wǎng)絡(luò)時，炮孔全部采用柱狀連續(xù)裝藥，超過15 m的深孔孔內(nèi)下2個起爆彈及2發(fā)400 ms雷管，一個位于炮孔下部偏孔底，一個位于炮孔上部偏孔口，孔口充填3.5 m。采用澳瑞凱高精度雷管地表延時傳爆，控制排采用17 ms雷管，傳爆排采用42 ms雷管。680臺階628 m水平空區(qū)處理爆破材料消耗見表4。

4.2 Ⅱ類空區(qū)

700 m水平空區(qū)屬于Ⅱ類空區(qū)，由9#，10#井回采形成，空區(qū)寬10～12 m，長45～50 m，高6～14 m。700 m水平空區(qū)距地表淺，與地表塌透的空區(qū)有11個，分別為C1、C3、C5、C11、C31、C32、C33、C34、C43、C71、C72。700 m水平空區(qū)部分與下部682 m水平空區(qū)相互重疊，中間有6 m左右的隔層，部分采場上下中段相互采透連通。700m水平空區(qū)距地表較近，巖石風(fēng)化破碎，為保證臺階作業(yè)安全，根據(jù)最小安全厚度分析，空區(qū)頂板至臺階面的原巖最小厚度為20 m。

表4 680臺階628 m水平空區(qū)處理材料消耗

740臺階距空區(qū)頂板原巖厚度為26～32 m，滿足最小安全厚度要求。位于地表自然坡面740 m標(biāo)高以下的700 m水平空區(qū)都在740臺階進(jìn)行處理；10#井C12與C42空區(qū)部分位于740自然坡面以下，采用分段中深孔崩落法在740與734臺階一次同時處理。

4.2.1 超前探測

在752臺階布置超前鉆孔，掌握空區(qū)頂板厚度及空區(qū)高度等情況。在9#、10#井空區(qū)上方布置1～2個探測孔,采用351鉆機(jī)施工，探測孔至少深42 m，穿透空區(qū)。752臺階超前鉆孔工程量見表5。

700 m水平空區(qū)在740臺階分11次處理。已塌透的空區(qū)不再進(jìn)行穿孔爆破處理，臺階可正常推進(jìn)。分次處理主要技術(shù)指標(biāo)見表6。

4.2.2 穿 孔

設(shè)計孔網(wǎng)參數(shù)為4 m×5 m，其中前排孔抵抗線為3.5～4 m，孔距為4～4.5 m，采用HCR23潛孔鉆穿孔。對空區(qū)頂板提前探測，探測孔孔深至少為37 m，應(yīng)穿透空區(qū)。空區(qū)上方炮孔穿至距空區(qū)頂板2 m，礦柱上深孔應(yīng)超深空區(qū)頂板2～3 m，局部根據(jù)現(xiàn)場可作適當(dāng)調(diào)整。

740臺階700 m水平空區(qū)處理總孔數(shù)1 625個，其中探測孔140個，淺孔110個，深孔1 375個；鉆孔總孔深40 455 m，其中淺孔深1 547 m，深孔深35 220 m，探測孔深3 688 m。工程量見表7。

表5 752臺階超前鉆孔工程量

表6 740臺階700 m水平空區(qū)處理主要技術(shù)指標(biāo)

表7 740臺階700 m水平空區(qū)處理工程量

4.2.3 爆 破

采用粒狀銨油炸藥，水孔采用乳化炸藥,柱狀連續(xù)裝藥。超過15 m的深孔孔口充填3.5 m，充填2個起爆彈和2發(fā)400 ms雷管，一個位于上部偏孔口，一個位于下部偏孔底。 爆破以臺階面或空區(qū)頂部為自由面，采用澳瑞凱高精度雷管地表延時傳爆，控制排采用17 ms雷管，傳爆排采用42 ms雷管。爆破材料消耗見表8。

4.3 Ⅲ類空區(qū)

4#井635 m水平空區(qū)C0、C4、C8、C23、C26、C34、C36空區(qū)位于最終邊坡以內(nèi)，屬于Ⅲ類空區(qū)。為保證露天永久邊坡的穩(wěn)定性，以上空區(qū)應(yīng)采用尾砂膠結(jié)充填法處理，在滿足最小安全厚度的臺階建立移動式充填攪拌站，通過鉆孔將混凝土充入空區(qū)，確保臺階及最終邊坡的穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)際情況，采用混凝土罐裝車進(jìn)行充填料漿制備。最終邊坡下的空區(qū)下部1/3充填料采用(1∶6)～(1∶8)灰砂比，料漿濃度為75%；采空區(qū)下部2/3充填料采用(1∶6)～(1∶8)灰砂比，料漿濃度為70%～72%。采用間歇式充填方式，作業(yè)開始階段，一次充填高度控制在 1 m 以內(nèi)，待充填體凝固后繼續(xù)充填。充填面超過空區(qū)高度1/3時，一次充填高度可為1.5～2 m，但以充填體表面無積水為原則。空區(qū)充填結(jié)束后，充填體養(yǎng)護(hù)周期為60 d。

表8 740臺階700水平空區(qū)處理材料消耗

5 結(jié) 語

(1)對于地下轉(zhuǎn)露天的礦山，采空區(qū)賦存情況復(fù)雜，應(yīng)收集詳細(xì)的基礎(chǔ)資料，對其進(jìn)行分類。

(2)通過分類，選擇針對性的治理方案。在兼顧安全和生產(chǎn)的同時，以較低的經(jīng)濟(jì)成本排除安全隱患。

(3)針對空區(qū)分類、賦存情況，除了選擇相應(yīng)的、合理的處理方法外，還要制定具體的設(shè)計方案，如超前探測、孔網(wǎng)布置、裝藥量、堵塞長度、起爆網(wǎng)絡(luò)及起爆順序等有詳細(xì)的設(shè)計。

(4)為了保障采空區(qū)治理安全順利進(jìn)行，還需要制定合理的空區(qū)處理安全防范技術(shù)方案，如空區(qū)監(jiān)測，先探后處理，邊探邊處理，對可能發(fā)生的空區(qū)頂板垮塌事件進(jìn)行預(yù)測預(yù)報；在生產(chǎn)恢復(fù)階段，空區(qū)爆破處理后，應(yīng)對爆區(qū)進(jìn)行安全評估；在雨季空區(qū)處理時，做好采場排水，制定雨季應(yīng)急預(yù)案，并實(shí)施演練；加強(qiáng)空區(qū)地壓監(jiān)測；各井封閉后要制定井下排水方案以及其他的安全技術(shù)措施。

[1] 王 明，徐必根，唐紹輝，等.我國金屬非金屬礦山采空區(qū)現(xiàn)狀與治理對策分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2009,29(4):5-6.

[2] 葛虎勝，聶永祥，王文軍.中深孔崩落法處理采空區(qū)在南泥湖鉬礦中的應(yīng)用[J].采礦技術(shù),2010,10(1):1-2.

[3] 程建勇，王春毅，林衛(wèi)星.露天臺階深孔切割崩落處理多層復(fù)合空區(qū)的工程實(shí)踐[J].采礦技術(shù)，2008，8(3):1-2.

2015-03-13)

東 玲(1972—)，女，工程師，471200 河南省洛陽市汝陽縣。