馬山采區(qū)第四系下淺埋民采空區(qū)探測及治理方案研究

李 寧 劉海林，3 肖益蓋 王雨波 李鴻飛 劉 帥，3 李鵬程

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司）

上世紀(jì)90年代，受礦業(yè)大環(huán)境影響，較多國有礦山企業(yè)紛紛破產(chǎn)關(guān)閉，導(dǎo)致民采泛濫。長期無序盜采亂采，打破了礦體賦存的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，同時，缺乏技術(shù)上的指導(dǎo)，任意而為的民采行為造成了部分礦產(chǎn)永久損失，使國家自然資源蒙受了嚴(yán)重?fù)p失，遺留的大量采空區(qū)三維形態(tài)、空間位置不詳，給后續(xù)安全生產(chǎn)和資源合理開發(fā)帶來了極大困難和安全隱患。近年來，隨著國家生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度的不斷加大和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防工作的持續(xù)加強(qiáng)，開展民采空區(qū)探測、制定民采空區(qū)處置方案、消除民采空區(qū)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害隱患已成為監(jiān)管部門和礦山主體企業(yè)不得不面對的難題，國內(nèi)外專家和學(xué)者在這方面開展了較深入的研究：宋衛(wèi)東等［1］利用空區(qū)精密探測系統(tǒng)查明了石人溝鐵礦井下采空區(qū)群分布特征，數(shù)值分析了采空區(qū)群的穩(wěn)定性；王德勝等［2］在廢棄巷道內(nèi)通過鉆鑿鉆孔摸清了首云礦淺埋特大采空區(qū)三維形態(tài)，提出了采用毫秒微差爆破技術(shù)形成泄壓天窗處置遺留采空區(qū)方案；程久龍等［3］結(jié)合具體工程實例系統(tǒng)介紹了探地雷達(dá)在查明地表淺部采空區(qū)的應(yīng)用原理和技術(shù)方法；王丹等［4］綜合運(yùn)用物探、鉆探與CMS法對民采空區(qū)進(jìn)行了勘察，準(zhǔn)確掌握了民采空區(qū)的賦存形態(tài)和規(guī)模；戴前偉等［5］選取瞬變電磁及EH-4 2種方法驗證了在鉬礦采空區(qū)探測應(yīng)用的準(zhǔn)確性；張西良等［6］提出采用“采空區(qū)頂板崩落+邊坡削坡”的綜合治理方案消除民采空區(qū)安全隱患；師永海等［7］采用地表鉆孔注漿方式充填鳳凰山鐵礦井下廢棄采空區(qū)，然后在地表覆土復(fù)綠，有效改善了治理區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境；謝其全等［8］依靠留設(shè)人工點柱、廢石充填和崩落上覆圍巖來處理工作面頂部民采空區(qū)；王海軍等［9】通過預(yù)留隔離礦柱、開展民采空區(qū)圍巖體監(jiān)測等技術(shù)手段降低采礦生產(chǎn)影響。

本項目以鳳陽縣金鵬礦業(yè)中家山鉛鋅金銀礦馬山采區(qū)為研究背景，綜合運(yùn)用瞬變電磁和地表鉆孔探測等技術(shù)手段開展馬山采區(qū)淺埋民采空區(qū)勘察，依據(jù)探查到的民采空區(qū)三維形態(tài)和空間分布，分析與井下生產(chǎn)相互影響，進(jìn)行民采空區(qū)處置方案設(shè)計，為礦山消除地質(zhì)災(zāi)害和安全隱患提供指導(dǎo)。

1 礦床開采技術(shù)條件及現(xiàn)狀

1.1 礦床開采技術(shù)條件

中家山鉛鋅金銀礦床是受北北東和北西西向兩組構(gòu)造擠壓破碎帶控制的脈狀半隱伏鉛鋅為主、伴生金銀的構(gòu)造蝕變巖型礦床，馬山礦段由4條近似平行的含礦構(gòu)造蝕變帶組成，即Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ號礦體，地表出露構(gòu)造蝕變帶走向長1 100 m，寬6～8 m。礦體走向近東西，傾向北北東，傾角80°～88°，局部近直立或反傾；礦體厚度0.17～7.75 m，平均真厚度1.71 m；礦體埋深0～425 m，控制最大延深466 m，礦體賦存標(biāo)高為-385～+46.5 m；礦石平均地質(zhì)品位Pb3.35%、Zn4.17%、Au2.08 g/t、Ag51.48 g/t；礦體由含鉛鋅金銀礦構(gòu)造角礫巖、碎裂巖、碎裂變粒巖組成，屬于連續(xù)性好、厚度穩(wěn)定狹長型礦體。礦體頂、底板圍巖主要為變粒巖、黑云母微斜長片麻巖，受到構(gòu)造活動影響，近礦圍巖多屬破碎。礦體上部為厚度0～20 m的第四系表土層和坡積物覆蓋，第四系之下為廣泛分布于礦區(qū)內(nèi)太古界五河雜巖組，其巖性主要為黑云母微斜長片麻巖、變粒巖，另含有少量方解石、綠簾石、黃鐵礦。

1.2 礦山現(xiàn)狀

中家山鉛鋅金銀礦始建于1985年，為地下生產(chǎn)礦山，1996年礦山停產(chǎn)關(guān)閉，2006年由鳳陽縣金鵬礦業(yè)收購整合，成為采選聯(lián)合企業(yè)，全礦設(shè)計生產(chǎn)能力15萬t/a，馬山采區(qū)生產(chǎn)能力6萬t/a，目前，礦山已進(jìn)入生產(chǎn)末期，服務(wù)年限不足5 a。

馬山采區(qū)范圍內(nèi)有9座非法民采井，形成于1998—2003年，2008年礦山重組后全部取締民采并進(jìn)行了回填治理。根據(jù)礦山掌握前期資料和生產(chǎn)過程中揭露情況，民采井筒及民采空區(qū)具有如下分布特征。①所有民采井筒均為獨(dú)眼井，民采空區(qū)長度有限，空區(qū)基本分布在井筒周邊；②民采空區(qū)豎直范圍分布在-60～+10 m水平，水平范圍分布在29#～34#勘探線，走向長度266 m；③井筒位置及民采空區(qū)位置分布無規(guī)律性，隨礦體形態(tài)起伏而變化；④民采空區(qū)形成時間較長，距離地表較近，受井下爆破回采影響，無法排除部分采空區(qū)是否發(fā)生了冒落，周邊圍巖處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)；⑤-60 m中段巷道掘進(jìn)揭露了一處民采空區(qū)，空區(qū)完整性差，多被冒落礦巖體松散充填；⑥民采空區(qū)對應(yīng)地表為林地和一般農(nóng)田，無重要建（構(gòu)）筑物。部分治理后民采井筒見圖1，民采井筒參數(shù)見表1。

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采空區(qū)分布特征一般與礦體的分布特征具有一致性。根據(jù)礦巖賦存地質(zhì)特征和民采井位置可推測出民采空區(qū)分布在31#～38#勘探線，采空區(qū)在深部分布上具有差異性，不同民采空區(qū)寬度隨礦體厚度和采礦方法不同而異。受馬山礦段主要礦體控制，民采空區(qū)走向一般為110°，傾角70°～90°，采空區(qū)頂、底板圍巖主要為變粒巖。

2 民采空區(qū)探測分析

2.1 瞬變電磁法空區(qū)探測

本次物探使用CUGTEM-GK型瞬變電磁儀，瞬變電磁法勘探裝置類型采用重疊回線組合裝置，布設(shè)邊長3 m的激發(fā)和接收正方形線圈，激發(fā)線圈3匝，接收線圈16匝。供電脈寬10 ms，采樣率16μs。每個測點至少采用15次疊加方式提高信噪比，確保了原始數(shù)據(jù)的可靠性。為保證探測區(qū)域完全覆蓋民采空區(qū)，獲取最佳的地電信號，采取垂直礦體走向布置瞬變電磁勘探線，并擴(kuò)至兩端部民采井筒外50 m，勘探線間距20～80 m。本次探測區(qū)域內(nèi)共布置14條測線，測線自西向東編號從A到N，勘探線總長度1 120 m，剖面點距10 m，形成網(wǎng)格密度（20～80）m（線距）×10 m（點距），共設(shè)計測點126個，勘探線位置及測點分布見圖2。

將外業(yè)觀測原始數(shù)據(jù)存儲至計算機(jī)，首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點檢查，驗證其有效性并進(jìn)行誤差統(tǒng)計，之后進(jìn)行濾波處理，以達(dá)到壓制干擾、突出有效信號的目的，最后用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析，繪制各測線視電阻率剖面圖。通過對各視電阻率剖面圖進(jìn)行資料解釋，推測民采空區(qū)分布見圖3。由圖3可知，本次利用瞬變電磁儀共探測5個民采空區(qū)，民采空區(qū)分布在29#～34#勘探線，除CK3空區(qū)外其余基本位于0 m水平以上，距離地表最近的是CK5民采空區(qū)，距離地表最深是CK3民采空區(qū)，各民采空區(qū)參數(shù)見表2。

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2.2 定向鉆孔探測分析

定向鉆孔作為最直接、最簡單、最準(zhǔn)確的采空區(qū)探測技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于地下礦山，但由于鉆孔探測造價高、周期長，使得其只有在資金充足和孔位精度要求高的情況下才使用。

本次鉆孔設(shè)計應(yīng)結(jié)合地表物探和前期地質(zhì)詳查成果，綜合考慮地表現(xiàn)狀與環(huán)境、礦巖構(gòu)造條件、礦體賦存形態(tài)、鉆機(jī)鑿巖能力、民采井分布情況。設(shè)計從地表鉆鑿定向孔用于探測民采空區(qū)，鉆孔直徑為110 mm，孔內(nèi)安裝?95 mm×6 mm的雙金屬耐磨鋼管，套管下至基巖面以下5 m，定向鉆孔布置堅持如下原則。①鉆孔間距不得大于8 m；②現(xiàn)場實地測量放點，孔位偏差不超過0.1 m；③鉆孔每15 m測斜一次，每百米孔斜不應(yīng)超過2°；④優(yōu)先選擇布置在較為確定的采空區(qū)頂板上方，以便于施工垂直鉆孔；⑤結(jié)合前期物探成果和地質(zhì)勘察等資料綜合確定。根據(jù)上述布孔原則，針對民采空區(qū)探測共布置定向鉆孔22個，鉆孔總進(jìn)尺1 458 m，定向鉆孔位置分布見圖3，相關(guān)定向鉆孔參數(shù)見表3。

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由表3結(jié)合圖3可知，本次共有9個定向鉆孔探測到了空區(qū)，占鉆孔總個數(shù)的40.9%，鉆孔進(jìn)尺利用率40.3%。9個定向鉆孔較為集中分布在3處區(qū)域，推測3號和4號鉆孔探測到的為同一空區(qū)，即CK2空區(qū)，8號、9號和10號鉆孔探測到的為同一空區(qū)，即CK3空區(qū)，14號、15號、16號和17號探測到的為同一空區(qū)，即CK5空區(qū)。定向鉆孔探測與物探民采空區(qū)數(shù)量未能一致。分析認(rèn)為，導(dǎo)致這一差異的主要原因有2方面：第一，由于民采空區(qū)存在時間較長，規(guī)模又較小，距離地表較近，上覆巖層較薄，受井下采礦擾動和時間效應(yīng)影響，部分原民采空區(qū)已被冒落廢石和第四系坡積松散體充填壓實；第二，原部分民采井未進(jìn)行采礦活動，而在民采井治理時未將井底積水全部排出，在充填治理后積水向周邊破碎圍巖內(nèi)滲入，加上淺部地層富水特性好，形成了局部富水區(qū)域?qū)ξ锾浇Y(jié)果產(chǎn)生了一定影響。

3 民采空區(qū)治理方案

3.1 民采空區(qū)治理方案選擇

常用的民采空區(qū)處理方法有如下4類。

（1）崩落頂板和上、下盤圍巖法處理采空區(qū)。前者是放頂崩落圍巖至地表，徹底消除采空區(qū)；后者是崩落部分圍巖充填采空區(qū)，保證足夠厚度的礦巖墊層，將采空區(qū)與下部生產(chǎn)區(qū)隔離，使之形成緩沖巖石墊層，以控制礦山地壓，轉(zhuǎn)移和緩和應(yīng)力集中，防止圍巖大面積突然塌落產(chǎn)生的巖石沖擊、地震波和氣浪（又稱空氣沖擊波）對生產(chǎn)區(qū)作業(yè)人員和設(shè)施的危害。

（2）注漿充填法處理采空區(qū)。用碎石、尾砂、水砂、混凝土等充填料充填采空區(qū)，控制地壓活動。充填法處理采空區(qū)適用范圍廣，可以較好地保護(hù)地表和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

（3）留永久礦柱（采場中規(guī)則或不規(guī)則間柱、頂柱、底柱等）支撐采空區(qū)頂板及兩盤圍巖，并封閉采空區(qū)，或者在采空區(qū)內(nèi)澆筑人工點柱。

（4）隔離和封堵采空區(qū)方法。利用封堵墻將采空區(qū)進(jìn)行封堵，將工作區(qū)域和采空區(qū)進(jìn)行隔離，待頂板自然崩落。

馬山采區(qū)地處丘陵地區(qū)，地表為村民農(nóng)田和礦山工業(yè)場地，隨著國家及地方對環(huán)保問題的重視，礦山地表不允許出現(xiàn)塌陷，結(jié)合馬山采區(qū)下一步生產(chǎn)計劃，采空區(qū)不進(jìn)行治理會對安全開采構(gòu)成隱患。綜合考慮以上幾點因素，馬山采區(qū)井下采空區(qū)設(shè)計選用尾砂膠結(jié)充填法進(jìn)行治理。

3.2 民采空區(qū)治理方案設(shè)計

綜合考慮瞬變電磁探測和鉆孔探測結(jié)果，確定需要治理的空區(qū)有3處，分別為CK2、CK3和CK5空區(qū)，設(shè)計采用尾砂膠結(jié)充填治理，充填原料為礦山尾砂和外購膠固粉，充填配比1:8，料漿濃度72%，要求充填體強(qiáng)度不低于1 MPa。在利用9個民采空區(qū)探礦鉆孔作為充填鉆孔的基礎(chǔ)上，再分別在CK2、CK3、CK5空區(qū)沿走向兩端各布置定向鉆孔作為驗證鉆孔，驗證鉆孔與距離其最近的充填鉆孔間距8 m，若驗證鉆孔探測到空區(qū)，則將驗證鉆孔作為充填鉆孔并外推8 m繼續(xù)施工驗證鉆孔，直至驗證鉆孔布置在圍巖中為止。

料漿制備系統(tǒng)利用礦山現(xiàn)有成套充填設(shè)備即TD5C-500型礦井充填站，充填工藝包括備料、制漿、輸送和充填。所需尾砂需由汽車從尾礦庫運(yùn)輸?shù)匠涮钫疚采岸蚜蠄?，再采用裝載設(shè)備鏟裝至尾砂儲料倉，料倉內(nèi)尾砂通過給料機(jī)和拉力傳感器電子秤定量輸送到混合拌料機(jī)內(nèi)。與此同時，安裝在充填系統(tǒng)一側(cè)的粉料倉通過螺旋輸送機(jī)和電子秤定量將膠固材料輸送至混合拌料機(jī)中與尾砂混合，通過攪拌桶的強(qiáng)力攪拌形成性質(zhì)穩(wěn)定、濃度均勻的充填料漿。充填料漿通過柱塞加壓泵后由地表充填管道經(jīng)充填鉆孔輸送至井下民采空區(qū)。為保障充填質(zhì)量，相鄰2個充填鉆孔中的1個鉆孔充填時，要保證另外1個鉆孔與大氣相通作為排氣孔。為有效提高接頂質(zhì)量，可在每個鉆孔充填期間施加1～3 MPa充填壓力，當(dāng)出現(xiàn)返漿時，代表充填結(jié)束。

4 結(jié)論

（1）對反映民采空區(qū)分布特征的民采井和礦巖賦存條件進(jìn)行了調(diào)查和分析。結(jié)果表明，民采空區(qū)分布在31#～38#勘探線-60～+10 m，走向110°，傾角70°～90°，寬度與礦體厚度保持一致。

（2）綜合運(yùn)用瞬變電磁法和定向鉆孔技術(shù)手段，準(zhǔn)確探明了民采空區(qū)數(shù)量及位置分布，給出了測區(qū)范圍內(nèi)3處民采空區(qū)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，為民采空區(qū)治理提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

（3）基于實測民采空區(qū)分布特征，給出了民采空區(qū)治理設(shè)計方案，采用采用尾砂膠結(jié)充填治理，充填原料為礦山尾砂和外購膠固粉，充填配比1∶8，料漿濃度72%，充填體強(qiáng)度不低于1 MPa。

（4）民采空區(qū)探測與治理設(shè)計方案的成功實施，可有效消除馬山采區(qū)民采空區(qū)遺留的地質(zhì)災(zāi)害與次生災(zāi)害隱患，避免與井下生產(chǎn)相互影響，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，同時為其它礦山民采空區(qū)探測與治理提供了成功實例。