廣西大新錳礦南部礦段采空區(qū)治理研究與實踐

李富念

(廣西錫山礦業(yè)有限公司，廣西 南寧 530022)

0 前 言

2021年2月10日，廣西壯族自治區(qū)應急管理廳印發(fā)了《安全生產重大事故隱患掛牌督辦通知書》(桂應急督〔2021〕1號)，決定將大新錳礦分公司地采礦山采空區(qū)列為安全生產重大事故隱患實行掛牌督辦。結合國務院安委會辦公室發(fā)布的《金屬非金屬地下礦山采空區(qū)事故隱患治理工作方案》，堅決遏制采空區(qū)引發(fā)的重特大事故要求，對大新錳礦南部礦段采空區(qū)的治理已經迫在眉睫。為了避免在下一步開采工作中出現采空區(qū)災害性事故，需要對采空區(qū)存在的安全隱患提出治理措施，消除采空區(qū)安全隱患，為礦山安全生產奠定基礎。

1 礦山地質條件與采空區(qū)現狀

1.1 礦山地質條件

1.1.1 地形地貌

礦區(qū)屬低山丘陵地形，地形西高東低，地形地貌受地層構造控制，碳酸鹽巖類出露區(qū)為巖溶峰叢地形，并形成特有的喀斯特地貌景觀，而碎屑巖類出露區(qū)呈緩坡地貌[1]。

1.1.2 礦區(qū)巖體結構分類

礦區(qū)構造以向斜為主，次為斷裂構造。向斜軸向為北東向20(°)～50(°)，位于礦區(qū)南部的平移斷層F1走向，走向近于東西，長度大于3 km，為Ⅱ級結構面。根據斷層的性質、產狀及相互關系等，礦區(qū)內的斷層分為5期9組，大多數為正斷層，少數逆斷層，沿走向延伸長度為數百米至數千米，為Ⅲ級結構面。而巖層層理裂隙和巖石節(jié)理裂隙線裂隙率為3～11條/m，其裂隙淺部多為泥質充填，深部則為石英脈充填，延伸長度有限，屬于Ⅳ級或Ⅴ級結構面。

1.1.3 地下開采主要地質問題

1)礦層出露地表，礦段淺部巖石因風化強烈裂隙發(fā)育，呈碎裂狀，屬穩(wěn)定性差的軟巖石，礦山地下開采過程中，使巖體完整性再次遭到破壞，地表水或地下水沿裂隙、斷裂下滲，使坑道易產生片幫、冒頂現象，邊坡易形成崩塌、滑坡。

2)礦層發(fā)育在向斜內，巖層次級小褶皺、小斷裂及裂隙發(fā)育，當在破碎地段或薄層泥巖或含錳泥巖地段開采時易產生片幫、冒頂等現象。

3)在有地下水活動的地帶開采時，由于地下水因素作用，更易加速導致軟弱面、軟弱巖及軟弱層(如薄層微層泥巖或含錳泥巖)的失穩(wěn)，易產生崩塌、冒頂等工程地質問題。

1.2 采空區(qū)現狀

西北區(qū)域340中段以淺孔留礦法、房柱法為主，淺孔留礦法基本保留8 m間柱，8 m頂柱，6 m底柱，礦房內部根據地質條件不同保留一定量的點柱。房柱法以10 m寬度采幅的小型礦房為主，每回采8 m寬的采幅保留2 m寬的條形間柱，2種采礦方法采空區(qū)暴露面積在500 m2以內?？諈^(qū)至今保存完好，同時采空區(qū)與已回填礦房呈間隔式或間段式分布，最大可能避免了340中段采空區(qū)區(qū)域性坍塌。310中段、280中段采用房柱法回采，同樣以10 m寬度采幅的小型礦房為主，每回采8 m寬的采幅保留2 m寬的條形間柱，頂柱保留3 m，底柱保留3～6 m不等，采空區(qū)暴露面積在500 m2以內，采空區(qū)基本保留完好。

東部0～4a線為原布及錳礦民采礦區(qū)，礦體相對較薄，2014年民采退出后停止采礦作業(yè)至今。3～4a線保留36～62 m寬的豎狀的條形隔離間柱。4a～6勘探線區(qū)間在6勘探線附近留設約40 m的礦柱可靠隔離，其礦體產狀和采礦方式與布及錳礦類似。

通過開展井下采空區(qū)穩(wěn)定性研究，得到了西北區(qū)域的大部分采空區(qū)的穩(wěn)定性結果：①14～28線的380與420中段的采空區(qū)經過廢石充填后，穩(wěn)定性較好；②13～16線的220中段的44號-52號采空區(qū)穩(wěn)定性較好；③26～29線的340中段14號-19號采空區(qū)穩(wěn)定性較好；④中東部14～15a線的280-29號、280-30號，16～24線間的340-10號，25～26線的340-13號為不穩(wěn)定采空區(qū)。礦井范圍內采空區(qū)分布情況見表1。

表1 礦井范圍內采空區(qū)分布情況

2 采空區(qū)治理方案

2.1 誘導放頂

誘導放頂處理空區(qū)是用中深孔、深孔或藥室爆破方法，將空區(qū)圍巖頂板大量崩落充填空區(qū)并形成緩沖保護墊層，以防止空區(qū)內大量巖石突然冒落所造成的危害。對于大新錳礦接近地表露天采場的中段，例如：西北區(qū)域的340中段，中東部的420中段、380中段、340中段等，采用誘導放頂處理空區(qū)，從露天采場對采空區(qū)進行廢石充填。

空區(qū)頂板崩落或上盤圍巖崩落形成緩沖墊層如圖1所示。

圖1 空區(qū)頂板崩落或上盤圍巖崩落形成緩沖墊層

2.2 廢石充填

西北區(qū)域的340中段，中東部的340中段、280中段、220中段等中段的下部，根據各采區(qū)井下掘進產生的廢石量，采用充填井或從空區(qū)入口對目前生產系統(tǒng)周邊、危險性大的采空區(qū)進行一部分充填，在采空區(qū)底部形成緩沖墊層如圖2所示。

圖2 采空區(qū)廢石充填形成緩沖墊層示意

緩沖層的主要作用為：①吸收崩落巖層所產生的沖擊壓力，使底柱不受破壞而倒塌，此點對空區(qū)下部正在進行生產尤為重要；②采空區(qū)崩落巖層壓縮的氣流，通過緩沖層后減速，達到對人體無害的速度。

大新錳礦南部礦段采空區(qū)高度一般在50～60 m，因此采空區(qū)充填墊層高度最少12 m。如果井下有多余掘進廢石，可對采空區(qū)進行大量充填，提高采空區(qū)安全保障。

2.3 采空區(qū)隔離

采空區(qū)隔離的形式主要有鋼筋混凝土+廢石和廢石充填隔離兩種。當主要生產和運輸系統(tǒng)經過采空區(qū)而無法避開時，采用鋼筋混凝土和廢石充填隔離采空區(qū)，保證生產系統(tǒng)的安全[2-3]。

廢石充填隔離采空區(qū)主要在采區(qū)之間，當采區(qū)之間的邊界相距較近，空區(qū)橫跨兩邊時，為形成礦區(qū)或采區(qū)之間的隔離帶，應對此類采空區(qū)進行廢石充填以形成隔離帶，隔離帶采空區(qū)的充填一般需盡可能接頂，空頂高度小于2 m，形成的隔離帶寬度大于20 m。在條件允許下，盡可能采用鋼筋混凝土+廢石充填隔離方式，能夠有效防止空區(qū)垮塌冒落形成沖擊地壓對巷道中人員設備造成影響。采空區(qū)隔離示意見圖3。

圖3 采空區(qū)隔離示意

2.4 巷道隔離

1)巷道隔離形式

為防止采空區(qū)頂板圍巖垮落時產生的沖擊波危害，在采空區(qū)與生產系統(tǒng)之間構筑一道隔離帶，巷道隔離墻示意見圖4，帶有廢石充填巷道隔離墻示意見圖5。

圖4 巷道隔離墻示意

圖5 帶有廢石充填巷道隔離墻示意

鋼筋混凝土密閉墻內布置單層鋼筋網，鋼筋與密閉墻兩側的錨桿焊接，長度不小于2 m，錨桿間距一般為0.6 m。

當采空區(qū)頂板暴露面積大，垮塌后產生的空氣沖擊波強度足夠大時，在鋼筋混凝土隔離墻后巷道內充填10～25 m長的廢石，減緩沖擊波對隔離墻的沖擊。

2)隔離墻厚度

隔離墻采用錨桿插入式鋼筋混凝土墻時，擋墻厚度1～1.2 m即可滿足40～60 m空區(qū)高度冒落產生的沖擊波。根據采空區(qū)具體情況選擇不同厚度的混凝土擋墻。

采空區(qū)隔離擋墻厚度選擇參考見表2。

表2 采空區(qū)隔離擋墻厚度選擇

擋墻兩邊采用HRB400級鋼筋網片支護，直徑20 mm，基底預留2個直徑為200 mm的PVC泄水孔，并在墻中間預留觀察孔。

2.5 尾砂充填

南部礦段220中段20號采場、21號采場、22號采場均已回采完畢，形成了采空區(qū)未處理，隨著空頂時間的推移，空區(qū)頂底板會逐漸發(fā)生垮落。為了保護地表邊坡和地表構建筑物，利用選礦尾砂作為充填骨料，建立充填系統(tǒng)。通過采空區(qū)的天井或充填專用管道將充填物料加壓充填至采空區(qū)對采空區(qū)進行充填，使充填體與采空區(qū)圍巖共同作用，改變圍巖應力分布狀態(tài)，達到有效控制地表巖石的移動和防止地表塌陷等目的[4-5]。

3 安全技術措施

3.1 管理安全技術措施

管理安全技術措施有：①現場所有作業(yè)人員必須接受過“三級”安全培訓教育，并參加過治理采空區(qū)專項安全技術措施培訓，考核合格后才能上崗作業(yè)；②現場作業(yè)要有安全員蹲點值班，把好現場安全關；③按規(guī)范編制施工方案、制訂有針對性的安全技術措施，同時工區(qū)技術負責人必須對現場作業(yè)人員進行書面安全技術交底，并明確現場施工安全條件；④根據施工過程中出現的新情況，要不斷修改施工方案，不斷完善相應的安全技術措施；⑤注意收集地質、地壓、安全狀況等現場信息，為進一步研究地壓提供參考資料；⑥制訂相應的安全技術措施及現場處置方案，提高現場突發(fā)事故的處置能力。

3.2 施工現場安全技術措施

施工現場安全技術措施有：①在施工人員進入工作地點前，應首先配備專職安全員，做好施工地點敲幫問頂工作，檢查和處理兩幫及頂板松動的浮石；②對施工中使用到的主要井巷，經檢查和確認后，應對其圍巖不穩(wěn)固地段的巷道采用有效的支護加固措施；③在施工人員進入井下巷道及采空區(qū)作業(yè)之前，應首先恢復作業(yè)點的通風，保證作業(yè)地點有足夠的風量；④作業(yè)人員在進入采空區(qū)和獨頭工作面等無風作業(yè)點之前，必須利用局扇通風并符合作業(yè)要求，采空區(qū)和獨頭工作面有人作業(yè)時，局扇必須連續(xù)運轉；⑤施工人員在作業(yè)人員進入采空區(qū)工作面作業(yè)之前，應隨身攜帶便攜式有毒有害氣體報警儀，對采空區(qū)內的空氣成分進行檢測，并在確認安全后方準進入；⑥在密閉施工過程中，施工方應加強對井下涌水量的監(jiān)測，發(fā)現異常及時通知井下人員撤離至地表；⑦作業(yè)人員必須按要求穿戴好手套、雨鞋和安全帽等勞動防護用品；⑧作業(yè)人員進入作業(yè)面作業(yè)前，必須先認真檢查和處理頂板和兩幫的浮石，清理浮石時，應至少兩人在場，必須有良好的照明，必須在安全地點操縱工具；⑨在構筑隔離墻時，現場負責人要認真檢查，堅持安全第一、不安全不施工，嚴防操作器械傷人；⑩在封閉采空區(qū)開始到完畢之前，除封閉采空區(qū)人員外，其他人員嚴禁在該區(qū)段內作業(yè)、停留。

4 結 語

1)采空區(qū)治理工程方案設計合理，施工現場管理有效，安全技術措施落實到位，經過努力，大新錳礦南部礦段采空區(qū)治理工程的研究與實踐工作獲得很大成功。 經過大新錳礦采空區(qū)的治理，可在安全的條件下回收礦石，創(chuàng)造較高的經濟價值，同時減少了礦山開采廢棄物排放，既節(jié)約了充填治理資金，又改善了礦區(qū)周邊環(huán)境，其經濟效益與社會效益顯著。

2)采用充填和崩落處理采空區(qū)，并輔助采用封閉和分區(qū)隔離等方式，從地表充填廢石，充填井進行井下采空區(qū)的充填，對大新錳礦的采空區(qū)進行全面治理，可以有效改善空區(qū)周邊圍巖和礦體內的應力分布，提高空區(qū)的穩(wěn)定性，消除采空區(qū)潛在的安全隱患，減小空區(qū)冒頂、垮塌發(fā)生的可能性，為下一步深部礦體的開采創(chuàng)造可靠的安全生產條件，也為深部礦體資源最大限度的回收提供一定程度的安全保障。

3)地采礦山井下滯留大量的采空區(qū)，誘發(fā)山體塌方、透水、地表沉陷等地質災害的現象，在全國各類礦山都有存在。因此，開展治理地采礦山井下采空區(qū)的研究，最大限度降低礦產資源開采活動對礦山周邊地區(qū)的環(huán)境影響和破壞，切實保護礦山地質環(huán)境，促進礦產資源開發(fā)的經濟、環(huán)境和社會效益相協(xié)調具有重要意義。