某鐵礦采空區(qū)治理技術(shù)研究

曹建立,任鳳玉,張東杰，甘小泉

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.浙江華東建設工程有限公司，浙江 杭州 310004)

地下金屬礦山采用空場法或崩落法進行采礦時，不可避免的會形成采空區(qū)，受爆破震動與巖體軟弱結(jié)構(gòu)的影響，將導致采空區(qū)頂板巖體發(fā)生失穩(wěn)冒落，對井下安全生產(chǎn)及地表設施造成嚴重威脅。因此，對采空區(qū)進行及時治理變得尤為重要。近年來，我國學者在采空區(qū)治理方面進行了大量研究，并取得了良好的效果[1-5]。賈海波等[6]利用數(shù)值技術(shù)分析了采空區(qū)充填治理過程中圍巖應力及位移變化特征，提出了隔一充一間隔充填采空區(qū)并回收點柱的方法；任鳳玉等[7]利用數(shù)值方法驗證了廢石+碎石混凝土接頂充填采空區(qū)的可行性；劉海林等[8]通過對采空區(qū)進行三維探測，在評估采空區(qū)穩(wěn)定性的基礎上開發(fā)了采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。總之，有效的采空區(qū)處理方法在消除空區(qū)威脅的同時，還能為礦山帶來顯著的經(jīng)濟效益。

某鐵礦主要應用淺孔留礦法開采。目前開采中主要存在的問題是，隨著開采的延深，在井下形成了不同規(guī)模的采空區(qū)(圖1)，受采空區(qū)冒落及地表塌陷威脅，迫切需要對采空區(qū)進行及時處理，消除潛在的風險，實現(xiàn)礦山安全高效開采。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，井下采空區(qū)埋深較淺，地表排巖場廢石散體充足，并且采空區(qū)頂板賦存一定厚度的礦石資源有待回收，研究采用地表廢石充填+頂板崩落的方法處理采空區(qū)并回收礦石。

圖1 采空區(qū)賦存形態(tài)Fig.1 The occurrence of goafs

1 充填散體結(jié)拱性質(zhì)研究

合理的充填井尺寸與充填散體的有效流動性是成功充填的關鍵。因此，需根據(jù)現(xiàn)場充填散體的粒度分布情況來研究充填散體的結(jié)拱性質(zhì)，確定合理的充填井尺寸。

1.1 充填散體塊度評估

對充填散體進行塊度評估的目的在于準確掌握充填散體粒度分布，以此為依據(jù)，結(jié)合相似理論進行實驗室充填散體結(jié)拱相似模擬實驗。散體塊度評估方法有很多種，應用比較廣泛的有篩分法、現(xiàn)場觀測統(tǒng)計法、照相法等[9]。研究中將采用現(xiàn)場觀測統(tǒng)計法進行散體塊度評估。實踐表明，在松散廢石堆體表面，各級散體塊所占的面積百分比，與其堆體內(nèi)各級散體塊體積百分比基本一致。因此，測量塊度組成，可直接在松散堆表面上圈出一定尺寸的測量面積，通過測量該面積內(nèi)不同粒徑散體塊度的分布情況，來進行粒度劃分，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果計算出每一級巖石塊的總面積所占整個面積的百分比，由此確定充填散體的塊度組成，其計算公式見式(1)。

(1)

式中：δm為某一級巖石塊面積百分比，%；Sm為某一級巖石塊度的總面積，m2；Sn為被測范圍內(nèi)的總面積，m2。

統(tǒng)計計算結(jié)果見表1。

1.2 充填散體結(jié)拱實驗

實驗中，使高55 cm的散體礦巖流從充填井模型底部出口均勻放出，觀察結(jié)拱現(xiàn)象，稱量每次放出的散體礦巖質(zhì)量，并記錄結(jié)拱次數(shù)、結(jié)拱位置、空區(qū)大小、上部散體高度。充填散體采用白云巖進行混合配制，散體粒徑分布見表2。

模擬散體顆粒選取受現(xiàn)實條件的制約，因此不能完全吻合實際散體塊度值，研究重點在于該配比下不同充填井直徑的散體結(jié)拱情況，從而不會影響實驗結(jié)果有效性。充填井模型高70 cm，直徑分別為2 cm、2.5 cm、3 cm、3.5 cm，進行散體結(jié)拱相似實驗，實驗中記錄散體放出量及出現(xiàn)結(jié)拱的次數(shù)(圖2)。

表1 充填散體塊度統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Block statistical results of filling granular media

表2 散體顆粒級配表Table 2 Granule gradation table

圖2 結(jié)拱實驗過程圖片F(xiàn)ig.2 Pictures of the arching experiment process

不同井筒直徑條件下的結(jié)拱情況見表3，井筒直徑為3.0 cm條件下的散體結(jié)拱實驗數(shù)據(jù)見表4。由表3可知，在現(xiàn)場廢石散體配比條件下，井筒直徑為3.0 cm時，有短暫的點柱形成，隨著散體繼續(xù)放出，點柱逐漸消失，后續(xù)散體流動過程順利。

表3 不同井筒尺寸的結(jié)拱現(xiàn)象Table 3 Arching phenomena of different wellbore sizes

表4 井筒直徑3.0 cm的結(jié)拱實驗數(shù)據(jù)表Table 4 Arching experimental data with a diameter of mineshaft 3.0 cm

根據(jù)實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到井筒直徑與結(jié)拱概率的關系見圖3，可知當井筒直徑達到3.5 cm時，結(jié)拱概率趨近于0。根據(jù)散體結(jié)拱相似實驗結(jié)果，現(xiàn)場充填井直徑選為3.5 m。采用廢石散體進行充填時，應盡量避免一次充填塊度整體較大，散體塊度應滿足粒徑大小均勻混合充填。

2 充填散體自然安息角確定

充填散體自然安息角對于充填井間距的選擇至關重要。實驗中將白云巖根據(jù)現(xiàn)場廢石散體粒徑分布進行配比(配比參數(shù)見表2)，進行散體流動特性實驗，得出現(xiàn)場實際充填條件下充填散體的自然安息角值與散體流動范圍。將配比好的散體分別裝入大口徑漏斗中，裝入前將漏斗口封堵，并架設50 cm高度，裝填完成后，打開漏斗口，控制好散體流出速度，使散體緩慢下流，同時利用刻度尺記錄，當散體堆頂?shù)竭_20 cm高度時，封閉漏斗，對散體的自然安息角與流動范圍進行測量，實驗進行5次，最終結(jié)果取其平均值。實驗完成后散體堆積情況見圖4，計算得到散體的自然安息角均值為33.2°，散體流動范圍均值為60.9 cm。

3 采空區(qū)治理方法

3.1 采空區(qū)地表鉆孔勘測

準確的采空區(qū)位置及頂板巖層厚度是實現(xiàn)采空區(qū)有效治理的關鍵。研究采用RG井下電視監(jiān)測系統(tǒng)[10]對采空區(qū)頂板的厚度進行測量(圖5)，同時監(jiān)測頂板巖體的裂隙發(fā)展及穩(wěn)定性情況。沿礦體走向，以5#勘探線所在位置為基準(向1#勘探線方向)，在主要采空區(qū)分布范圍內(nèi)鉆鑿地質(zhì)鉆孔，鉆孔間距為20 m，沿走向共布置8個鉆孔(圖6)。查明采空區(qū)存在狀態(tài)，并用于指導空區(qū)頂板礦體的回收。

圖3 不同井筒直徑條件下結(jié)拱概率曲線Fig.3 Arching probability curve under different mineshaft conditions

圖4 混合配比下自然安息角測定值Fig.4 Determination of natural angle of repose under mixed ratio

圖5 井下電視探測系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測圖Fig.5 Field monitoring diagram of underground TV detection system

圖6 地表監(jiān)測鉆孔分布圖Fig.6 Surface monitoring drilling map

3.2 地表充填井合理間距確定

通過充填散體相似模擬結(jié)拱實驗與散體流動特性實驗研究，得出合理充填井尺寸為3.5～4 m，廢石充填散體的自然安息角為33.2°，根據(jù)該參數(shù)值進行充填井合理間距確定。充填井的合理間距應能保證采空區(qū)內(nèi)部廢石得到均勻充填，并且充填接頂完成后，兩充填井之間應盡可能留有較小的剩余采空區(qū)高度，該采空區(qū)剩余高度應滿足人員及設備的安全作業(yè)條件，《安全生產(chǎn)操作規(guī)程》規(guī)定作業(yè)人員的安全作業(yè)高度應小于2 m，礦石破碎后的松散系數(shù)為1.6，計算得出安全臨界采空區(qū)高度值為3.2 m，由于采空區(qū)充填后形成的為錐型散體坡面，平面結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖7 充填散體分布結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the filling granular media

圖7中H為臨界安全空頂高度，L為充填井合理間距，可以看出，兩充填井間形成的臨空面為錐型，其面積約為兩充填井之間空區(qū)面積的1/2(黑色方框曲線圈定位置)，確定出臨界空頂高度為2×3.2=6.4 m，綜合安全因素考慮，安全因子取為1.15，則臨界安全空頂高度計算見式(2)。

H=6.4-6.4×(1.15-1)=5.44 m

(2)

這里取H=5.44 m作為臨界安全空頂高度，充填井的直徑選為3.5 m，進而確定出充填井的合理間距值，計算見式(3)。

(3)

確定充填井合理間距值為20.13 m。綜合測量施工便利條件，設計充填井合理間距值選為20 m。

3.3 地表充填方法

根據(jù)地表鉆孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)與充填井尺寸及間距的優(yōu)化結(jié)果，選擇在頂板相對穩(wěn)定的部位利用VCR法鉆鑿充填井[11]，充填井與監(jiān)測鉆孔的位置關系見圖8。充填的同時利用監(jiān)測鉆孔對頂板巖體的穩(wěn)固性進行實時監(jiān)測，即采用同步監(jiān)測充填方法進行充填作業(yè)，這樣有利于保護地表充填作業(yè)人員及設備的安全。

充填井施工與充填期間，利用監(jiān)測鉆孔建立空區(qū)冒落監(jiān)測與報警系統(tǒng)，以保障施工安全。監(jiān)測鉆孔報警系統(tǒng)主要由水泥砣、重力傳感報警拉線、報警電盒及揚聲器和信號燈組成(圖9)。

圖8 充填井與監(jiān)測鉆孔位置關系Fig.8 Relationship between filling shaft and monitoring borehole

圖9 監(jiān)測孔報警安置示意圖Fig.9 Schematic diagram of monitoring hole alarm

當監(jiān)測孔內(nèi)巖體冒落時，封堵位置必然發(fā)生下沉或者掉落，此時水泥砣拉動報警拉線，再由報警拉線拉緊電閘開關，使報警裝置電路閉合，發(fā)出預警報告。充填井施工完畢后，采用廢石場堆的廢石對采空區(qū)進行充填，充填散體的主要作用在于增強采空區(qū)頂板圍巖及兩幫巖體的穩(wěn)固性，消除采空區(qū)存在的危害。采用卡車直接運輸廢石至充填井，在卡車充填側(cè)設置擋車矮墻，避免卡車卸料時發(fā)生掉井事故，保障作業(yè)人員安全，充填作業(yè)現(xiàn)場見圖10。

充填廢石使采空區(qū)圍巖承載最薄弱部位得以完整充填，有效控制空區(qū)圍巖冒落，增強了頂板巖體的穩(wěn)固性，為頂板礦石的安全高效回收提供保障。

4 采空區(qū)頂板礦體回收方法

綜合考慮地表人員安全作業(yè)條件，研究提出地表臺階剝離+中深孔爆破的頂板礦體回收方法。避免剝離作業(yè)破壞底板巖層的穩(wěn)定性，保留臺階最小安全厚度為10 m，剩余頂板礦巖從地表沿走向逐層向下剝離。由于地表出露礦體厚度約為6 m，在剝離作業(yè)過程中，沿礦體走向，按照75°擴幫進行刷幫，在幫底兩側(cè)分別留有2 m的安全距離，同時在地表做好防護工作，避免巖石塊體滾落，對設備及人員造成傷害，見圖11。

圖10 現(xiàn)場卡車充填作業(yè)示意圖Fig.10 Schematic diagram of on-site truck filling operation

圖11 地表礦體剝離回采方法Fig.11 Surface ore body stripping and recovery method

圖12 臺階退崩落礦示意圖Fig.12 Schematic diagram of the step ore breaking

剝離工作完成后進行10 m的臺階淺孔爆破回收，臺階爆破退崩方式見圖12，從最終剝離層底板的端部向后退崩。礦石回收后形成的塌陷坑可被用作排巖場，即井下采出的廢石統(tǒng)一運至此處進行大規(guī)模充填，充填作業(yè)完成后，對地表進行平整復墾，有效解決可能造成的環(huán)境問題。目前，該方法已被礦山成功應用，并取得了良好的效果。

5 結(jié) 論

1) 通過實驗分析某鐵礦地表充填散體結(jié)拱與流動特性，確定出合理充填井尺寸為3.5 m，散體自然安息角為33.2°，并進一步確定出合理充填井間距為20 m，該參數(shù)值可用于指導現(xiàn)場充填井布置與施工。

2) 針對井下采空區(qū)存在狀態(tài)，研究提出了地表鉆孔監(jiān)測與廢石充填相結(jié)合的采空區(qū)治理方法，可有效避免地表充填作業(yè)時所面臨的頂板巖體冒落風險，保障了安全高效充填作業(yè)的進行。

3) 根據(jù)采空區(qū)頂板礦體的分布情況，研究提出了地表臺階剝離+中深孔爆破的頂板礦體回收方法。實踐表明，采空區(qū)頂板礦石資源可得到充分回收，該方法可為類似條件礦山提供借鑒。