廣西大新錳礦復雜采空區(qū)群綜合治理研究

賢梁明，朱 唯，陳遠光，李建文，玉安寧

(1.中信大錳礦業(yè)有限責任公司 大新錳礦分公司，廣西 大新 532315；2.中信大錳礦業(yè)有限責任公司，廣西 南寧 530029)

近些年來，國內(nèi)采空區(qū)造成的重大安全事故的頻率不斷增加。廣西大新錳礦分公司礦山是中國已探明礦儲量最大的錳礦山之一，地下礦山自1999年建設以來，經(jīng)過長期探索和建設，碳酸錳生產(chǎn)能力已經(jīng)達60萬t/a。至今開采礦石總量達到400萬t，累計形成了超過100萬m3的采空區(qū)。為防范采空區(qū)塌陷，造成人員財產(chǎn)損失確保安全生產(chǎn)，需要對采空區(qū)進行危險性評價，并對隱患空區(qū)進行綜合治理。

1 大新錳礦采空區(qū)概況

1.1 采空區(qū)巖體質(zhì)量

大新錳礦Ⅱ礦體為堅硬巖且?guī)r體較完整，屬好的巖體[1]，分級標準為Ⅱ級，其在不支護地情況下，10 m跨度平均自穩(wěn)時間1年；夾Ⅰ巖體和Ⅰ礦體底板為較堅硬巖，巖體較完整，屬一般巖體，分級標準為Ⅲ級，在不支護地情況下，5 m跨度平均自穩(wěn)時間1周；而Ⅲ礦體頂板雖較堅硬，但破碎，分級標準Ⅳ級，屬差的巖體，在不支護地情況下，2.5 m跨度平均自穩(wěn)時間10 h。

1.2 采礦方法

根據(jù)礦脈分布采礦方法：中部采區(qū)急傾斜中厚礦體，采用中深孔爆破分段鑿巖礦房法；西北采區(qū)急傾斜薄礦體，采用淺孔留礦法；緩傾斜礦體，采用房柱法。

1.3 地表特征

大新錳礦采空區(qū)整體埋深較淺，中部采區(qū)、西北采區(qū)局部采空區(qū)甚至與地表貫通。西北地采采空區(qū)地表主要存在西北排土場及露天西北采區(qū)的露天邊坡；西北采區(qū)地表主要為露天西北采區(qū)部分露天邊坡；中部采區(qū)地表主要為露天西南采區(qū)露天邊坡、露天中東部采區(qū)露天邊坡、南部山體及山坡沿邊公路、礦區(qū)通道。

1.4 采空區(qū)分布特征

近年來露天礦逐漸枯竭，礦山開采逐漸露天轉(zhuǎn)地采，隨著地采產(chǎn)能的增加，采空區(qū)形成加速，現(xiàn)有采區(qū)采礦深度不到200 m。采空區(qū)形成的時間大部分不到10年。淺層采空區(qū)有少部分已與地表連通，采空區(qū)排列總體與礦脈一致。中部采區(qū)采空區(qū)數(shù)量較西北采區(qū)少，但體積規(guī)模大，大部分為中等規(guī)模和大規(guī)模采空區(qū)。西北采區(qū)數(shù)量多，但體積規(guī)模小。采空區(qū)主要為淺層及中深層采空區(qū)，其中淺層礦體已開采結(jié)束；中深層礦體正在開采中，即將開采結(jié)束；深層礦體為未來開采的主要對象。

2 采空區(qū)模型構(gòu)建

2.1 中部采區(qū)中深孔留礦法空區(qū)模型構(gòu)建

根據(jù)礦脈特征，中部采空區(qū)經(jīng)開采后，已經(jīng)無法進行實測，急傾斜中厚礦體鉆孔探測難度大，且效果也很難達到?，F(xiàn)直接利用礦體模型構(gòu)建，如圖1所示。

圖1 中部采區(qū)采空區(qū)模型

2.2 西北采區(qū)房柱法空區(qū)模型構(gòu)建

西北采區(qū)開采方法采用房柱法，采空區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)復雜、構(gòu)造多，儀器探測很難達到理想效果。故該區(qū)域采空區(qū)模型參照礦體模型，并結(jié)合實際開采情況，測量圖整理分析調(diào)整，模型如圖2所示。

圖2 西北采區(qū)采空區(qū)模型

2.3 西北地采房柱法及淺孔留礦法采空區(qū)模型構(gòu)建

西北采區(qū)參照礦體模型，結(jié)合房柱法及淺孔留礦法采空區(qū)，分兩個區(qū)域分別構(gòu)建后合并得出整體模型，如圖3所示。

圖3 西北地采整體模型

3 采空區(qū)危險性評價

3.1 中部采區(qū)采空區(qū)危險性評價結(jié)果

采用模糊綜合評價模型對中部采區(qū)+280，+340，+380，+420 m這4個中段采空區(qū)進行危險性評價[3]結(jié)果可知：+420 m中段礦體內(nèi)空區(qū)存在9個，其中A3類空區(qū)5個，體積占比為整個+420 m中段空區(qū)的48%，A2類空區(qū)2個，體積占比為25.4%，A1類空區(qū)2個，體積占比為26.6%；+380 m中段礦體內(nèi)空區(qū)存在17個，其中A3類空區(qū)7個，體積占比為整個+380 m中段空區(qū)的42.9%，A2類空區(qū)4個，體積占比為24.2%，A1類空區(qū)6個，體積占比為32.9%；在+340 m中段礦體內(nèi)空區(qū)存在19個，其中A3類空區(qū)5個，體積占比為整個+340 m中段空區(qū)的24.2%，A2類空區(qū)12個，體積占比為63.4%，A1類空區(qū)2個，體積占比為12.4%；在+280 m中段礦體內(nèi)空區(qū)存在14個，其中A3類空區(qū)8個，體積占比為占整個+280 m中段空區(qū)的55.8%，A2類空區(qū)6個，體積占比為44.2%。

大新錳礦中部采區(qū)的滯留空區(qū)群危險性較高，很可能會發(fā)生各種地質(zhì)災害，其中在+280 m中段及+340，+380，+420 m中段的兩端空區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)域，很可能發(fā)生塌陷、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災害[2]。在接近兩端區(qū)域，其空區(qū)穩(wěn)定性一般，受兩端不穩(wěn)定采空區(qū)破壞的影響，其穩(wěn)定性隨時可能下降，發(fā)生破壞；采區(qū)的中部空區(qū)則相對穩(wěn)定區(qū)域。因此對于后期空區(qū)治理而言，+280 m中段及+340，+380，+420 m中段兩端空區(qū)群應作為重點治理對象。

3.2 西北采區(qū)采空區(qū)危險性評價結(jié)果

西北采區(qū)+340，+310 m中段采空區(qū)危險性評價結(jié)果可知：Ⅰ礦內(nèi)空區(qū)存在13個，其中A3類空區(qū)3個，總暴露面積占比為整個Ⅰ礦空區(qū)暴露面積的24.9%，A2類空區(qū)3個，總暴露面積占比為29.7%，A1類空區(qū)7個，總暴露面積占比為45.4%。Ⅱ-Ⅲ礦內(nèi)空區(qū)存在13個，該礦層空區(qū)類型皆為A2型，空區(qū)危險性一般。因此可知，大新錳礦西北采區(qū)滯留空區(qū)群，與中部采區(qū)采空區(qū)危險性等級相比較，其危險性較低，后期治理應以中部空區(qū)作為重點。

4 各采區(qū)治理方案

4.1 中部采區(qū)采空區(qū)治理方案的確定

綜合考慮中部采區(qū)采空區(qū)危險性評估結(jié)果及施工技術條件，建議對采空區(qū)進行分區(qū)治理。+340 m以上老采空區(qū)采用廢石充填處理采空區(qū)，+340 m以下中深層采空區(qū)可選用膠結(jié)充填進行處理。

4.2 西北采區(qū)采空區(qū)治理方案的確定

綜合考慮西北采區(qū)采空區(qū)危險性評估結(jié)果及施工技術條件，建議對采空區(qū)進行崩落法、封閉隔離法聯(lián)合治理。其中西北采區(qū)+340 m中段淺層采空區(qū)(頂板厚度小于50 m)需要在地表劃分警戒帶，待塌陷后廢石充填；Ⅱ-Ⅲ礦層采空區(qū)需要對運輸巷連通口進行簡單封閉隔離；+310 m中段Ⅰ礦層采空區(qū)進行崩落—封閉隔離聯(lián)合處理。

4.3 建議

1)大新錳礦中部采空區(qū)較其他各區(qū)采空區(qū)具有單體空區(qū)體積大、空區(qū)集中、危險性大等特點，應作為空區(qū)治理的重點進行研究和治理。

2)適用于大新錳礦采空區(qū)治理的方案較多，在具體治理時，需要經(jīng)過技術、經(jīng)濟比選并根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

3)在回采中部采區(qū)+280 m水平以下礦體時，如經(jīng)濟上允許，可在回采結(jié)束后及時對采空區(qū)進行嗣后充填，并考慮對部分礦柱的回收。

5 結(jié) 論

針對大新錳礦中部采區(qū)、西北采區(qū)采空區(qū)的分布特點，通過構(gòu)建采空區(qū)三維數(shù)字模型，利用數(shù)值模擬，模糊數(shù)學等方法對采空區(qū)穩(wěn)定性及危險性進行分析與評價[3]，根據(jù)結(jié)果對采空區(qū)治理方案進行選擇，其結(jié)論如下：

1)大新錳礦中部采區(qū)主要為中等規(guī)模和大規(guī)模采空區(qū)，西北采區(qū)主要為小規(guī)模采空區(qū)，數(shù)量較多且相對分散。采空區(qū)治理應以中部采空區(qū)治理為主，加強地壓監(jiān)測管理。中部采區(qū)的大型、中等單體采空區(qū)是抓好采空區(qū)地壓管理及防治采空區(qū)災害的關鍵點。

2)通過模糊數(shù)學的方法對單體采空區(qū)危險性進行評價，并對采空區(qū)進行分類。結(jié)果顯示：大新錳礦Ⅰ級狀況采空區(qū)占空區(qū)統(tǒng)計數(shù)量的28%，體積占總空區(qū)體積的38%；Ⅱ級狀況采空區(qū)占空區(qū)統(tǒng)計數(shù)量的39%，體積占總空區(qū)體積的28%；Ⅲ級狀況采空區(qū)占空區(qū)統(tǒng)計數(shù)量的35%，體積占總空區(qū)體積的34%。其中，中部采區(qū)以Ⅰ、Ⅱ級采空區(qū)為主，其數(shù)量占比高達83%；西北采區(qū)以Ⅱ、Ⅲ級采空區(qū)為主，Ⅰ、Ⅱ級采空區(qū)主要分布在Ⅱ-Ⅲ礦層采空區(qū)及+340 m中段。Ⅲ級采空區(qū)為+310 m中段Ⅰ礦層采空區(qū)。

3)根據(jù)各采區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級采空區(qū)的分布及施工條件，確定各采區(qū)采空區(qū)治理方案為：①中部采區(qū)+340 m以上老采空區(qū)采用廢石充填處理采空區(qū)，+340 m以下中深層采空區(qū)可選用膠結(jié)充填進行處理；②西北采區(qū)+340 m中段淺層采空區(qū)在地表劃分警戒帶，待自然塌陷后廢石充填，Ⅱ-Ⅲ礦層采空區(qū)進行崩落頂板處理，+310 m中段Ⅰ礦層采空區(qū)進行封閉隔離處理。