隱伏采空區(qū)治理與殘礦回采技術(shù)研究*

紀(jì)曉東

(赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 赤峰市 025450)

0 引言

二十世紀(jì)八十年代以來，我國大多數(shù)地下金屬礦山由于使用傳統(tǒng)的空場法、崩落法等開采方法，未及時進(jìn)行充填，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)形成了大量的采空區(qū)。采空區(qū)的存在破壞了原有巖體的應(yīng)力狀態(tài)，空區(qū)周圍的巖體為了保持平衡而使應(yīng)力重新分布，當(dāng)空區(qū)邊界巖體達(dá)到臨界變形時，就會發(fā)生移動和破壞，巖體進(jìn)一步移動會導(dǎo)致空區(qū)上覆巖層全部塌陷、崩落，空區(qū)突然塌陷產(chǎn)生巨大的沖擊波和高速氣浪會對井下的人員和設(shè)備的安全造成巨大的威脅，采空區(qū)老窿的積水也會形成突水隱患，同時當(dāng)塌陷延伸至地表時，會導(dǎo)致地表開裂、下沉以及塌陷，對地表的生態(tài)環(huán)境和建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重影響。長期以來，由于采空區(qū)突然塌陷而造成的礦井災(zāi)害不計其數(shù)，造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，對采空區(qū)的治理就顯得尤為重要，關(guān)系到礦山能否安全、持續(xù)生產(chǎn)。

參照國內(nèi)外礦山已有的采空區(qū)治理方法，從治理方式可劃分為崩落、充填、支撐、封閉隔離和聯(lián)合5類方法，其具體的適用條件及優(yōu)缺點見表1。眾多學(xué)者和專家對于礦山采空區(qū)的治理做了大量研究，許剛剛等[1]針對空洞型采空區(qū)充填治理傳統(tǒng)水泥漿泌水率高、結(jié)石率低、水料分散性大、治理成本高昂等問題，提出了一種高濃度膠結(jié)材料充填治理技術(shù)，為空洞型采空區(qū)低成本、高效治理提供了新途徑；李富念[2]以大新錳礦南部礦段在開采過程中形成了大量的采空區(qū)為研究背景，提出了5種治理方案，分別是廢石尾砂充填、誘導(dǎo)放頂、采空區(qū)隔離以及巷道隔離；吳英杰等[3]改造了現(xiàn)有尾礦濃縮處理系統(tǒng)，采用灌漿帷幕充填，將尾礦處置和采空區(qū)充填治理結(jié)合起來，消除了采空區(qū)安全隱患，實現(xiàn)了尾礦資源化和采空區(qū)空間功能的協(xié)同利用；李懷劍等[4]基于道路下伏采空區(qū)路域范圍加固治理的工程需求，提出了模袋法帷幕注漿技術(shù)。采用壓力注漿使模袋展開并形成連續(xù)地下帷幕，最后對帷幕內(nèi)采空區(qū)進(jìn)行灌漿充填，達(dá)到對采空區(qū)或溶洞注漿加固的目的；王兵強(qiáng)[5]采用了一系列的分析方法，對注漿效果進(jìn)行了檢測評價并形成了一種新的評價方法；張?zhí)降萚6]綜合采用一系列探測技術(shù)對采空區(qū)進(jìn)行了探測，有效探明了煤礦采空區(qū)的位置和分布范圍，提出了采空區(qū)注漿設(shè)計方案及注漿關(guān)鍵參數(shù)。

表1 采空區(qū)治理方法

赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市巴林左旗烏蘭達(dá)壩蘇木鎮(zhèn)。礦山自成立以來一直采用留礦采礦法，后來擴(kuò)大了生產(chǎn)規(guī)模，又采用了有底部出礦結(jié)構(gòu)的盤區(qū)空場崩落聯(lián)合采礦法[7]，但采用上述兩種方法開采形成的采空區(qū)均未進(jìn)行充填，導(dǎo)致礦山存在大量的隱伏采空區(qū)。金紅嶺礦業(yè)公司目前1#礦體33線2～4中段隱伏空區(qū)體積達(dá)11萬m3，隱伏空區(qū)距地表厚度為40 m左右。由于長時間采用崩落法采礦，33線右側(cè)2～4中段采空區(qū)相互連通，空區(qū)高度為137 m左右，體積為6.05萬m3；33線左側(cè)2～3中段采空區(qū)相互連通，空區(qū)高度為87 m左右，體積為5.09萬m3。由于空區(qū)高度較大，33線間柱長時間獨(dú)自支撐地表覆蓋巖層頂板，極易因長時間暴露風(fēng)化導(dǎo)致間柱失穩(wěn)，造成隱伏空區(qū)突然垮落，再次造成地表塌陷及地下沖擊波等嚴(yán)重地壓問題。為此，針對金紅嶺礦業(yè)公司隱伏空區(qū)特征，提出了一種空區(qū)治理方案，旨在一方面消除隱伏空區(qū)安全隱患；另一方面實 現(xiàn)33線間柱殘礦資源安全回收，實現(xiàn)礦山綠色安全開采。

1 隱患空區(qū)充填方案

根據(jù)金紅嶺礦業(yè)公司隱伏空區(qū)處理原則和工程實際情況，提出了泵送接力膠結(jié)充填處理隱伏空區(qū)技術(shù)方案。

1.1 設(shè)計工藝流程

井下充填站+充填工業(yè)泵+充填管道。礦山目前已建有生產(chǎn)能力為1000 m3/d的充填站，利用該充填站生產(chǎn)配比1:16的充填料漿對隱伏空區(qū)進(jìn)行充填。由于東北翼采空區(qū)離井下充填站水平距離較遠(yuǎn)，直線水平距離達(dá)1260 m，且充填站標(biāo)高為+1055 m，東北翼采空區(qū)的頂部標(biāo)高為+1035 m，垂直高差非常小，充填倍線達(dá)到了64。因此，需要利用充填泵進(jìn)行接力泵送。充填管道經(jīng)4中段，由33線間柱采準(zhǔn)天井充填至隱伏空區(qū)。

圖1 泵送接力膠結(jié)充填處理隱伏空區(qū)管路布置剖面（單位：m）

1.2 充填管道壓力計算

根據(jù)國內(nèi)外礦山充填倍線可知，礦山采用自流輸送時[8]，合理的充填倍線為4:1～6:1。充填站至4中段高差為150 m，采用自流輸送時，高程150 m可以輸送的水平距離為600～900 m。因此，可以根據(jù)充填倍線為5:1來得到輸送阻力。根據(jù)流體力學(xué)中水頭計算可以得到，150 m高程的充填料漿，其水頭約為2.65 MPa。按照5:1的充填倍線可得，水平輸送1495 m需要的輸送壓力為5.28 MPa。從33線間柱底部至頂部垂直往上輸送140 m，該部分阻力可分為沿程阻力和高差損失，140 m沿程阻力依據(jù)5:1充填倍線可得，需要的輸送壓力為0.49 MPa；140 m高差損失依據(jù)流體力學(xué)可得，需要2.47 MPa的輸送壓力。因此需外加的泵送壓力為5.59 MPa。

根據(jù)經(jīng)驗公式和充填倍線計算可得，將充填配比為1:16的充填料漿濃度在70%～75%左右輸送1495 m時，不考慮自重水頭，在外加泵壓為6 MPa時，輸送管道壓力分布見圖2。

圖2 管道壓力分布

2 礦柱殘礦資源回收方案

金紅嶺礦業(yè)公司3、4中段33線保安礦柱厚度為12 m左右，高度為87.78 m，長度為18 m。兩中段礦柱上下連接，礦柱左右兩邊均為采空區(qū)，3中段礦柱上部為2中段圍巖。針對這種特殊難采殘礦資源，首先對兩中段間柱兩側(cè)采空區(qū)進(jìn)行充填，待充填完成后，采用上向進(jìn)路充填采礦法對3、4中段礦柱進(jìn)行回采。

2.1 礦塊參數(shù)布置

礦塊的長邊垂直礦柱走向布置[9]，其尺寸為：礦柱厚度12 m，寬度為保安礦柱長度18 m，高度50 m，進(jìn)路寬度3 m，高度4 m，底柱高5 m，由于膠結(jié)充填體強(qiáng)度較低，礦體兩邊各留2 m保安礦柱，不留頂柱。

2.2 采準(zhǔn)切割

采準(zhǔn)工程主要有階段巷道、出礦進(jìn)路、礦石溜井、人行通風(fēng)天井、鑿巖平巷、分層聯(lián)絡(luò)道，無切割工程。

（1）階段巷道、出礦進(jìn)路及礦石溜井。為已有工程，階段巷道位于礦塊下部，長度為18 m。出礦進(jìn)路位于礦體下部，垂直礦體走向布置[10]，長度為20 m。礦石溜井位于礦體內(nèi)部，距離上盤圍巖3 m。

（2）人行通風(fēng)天井。位于礦塊右側(cè)，斷面2 m×2 m，聯(lián)通955 m中段與995 m中段。主要用于人、設(shè)備進(jìn)入采場通道，兼作通風(fēng)之用。

（3）鑿巖平巷。斷面2 m×2 m，長度為13 m，每分層布置1條，共11條，總長度為143 m。鑿巖平巷施工完成后，打上向孔，以溜井為自由面?zhèn)认虮赖V，挑頂至4 m，形成作業(yè)面與補(bǔ)償空間，回采進(jìn)路礦體。

（4）分層聯(lián)絡(luò)道。斷面2 m×2 m，長度為3 m，每分層布置1條，共11條，總長度為33 m。聯(lián)絡(luò)道內(nèi)布置電耙卷揚(yáng)機(jī)，將礦石耙進(jìn)礦石溜井，由出礦平巷運(yùn)出。

2.3 礦柱殘礦資源回采

（1）鑿巖、爆破。礦柱采用間隔回采方式，采用YT28型氣腿式鑿巖機(jī)，在鑿巖巷道中施工水平淺孔，炮孔直徑為Φ42 mm，炮孔深度為3 m，采用毫秒非電導(dǎo)爆管分段微差爆破。

（2）通風(fēng)。采用貫穿風(fēng)流通風(fēng)，新鮮風(fēng)流經(jīng)階段巷道、出礦進(jìn)路、人行通風(fēng)天井，進(jìn)入回采礦房清洗回采工作面，污風(fēng)經(jīng)采空區(qū)、上部溜礦井、995 m中段階段巷道排至回風(fēng)巷道。

（3）出礦。采場內(nèi)礦石由電耙耙至脈內(nèi)溜礦井，礦石靠重力溜至底部出礦巷道內(nèi)，由鏟運(yùn)機(jī)經(jīng)出礦巷、階段巷道運(yùn)搬至采區(qū)溜井內(nèi)。

2.4 采空區(qū)處理

礦塊每一分層采完后，立即經(jīng)955 m中段、人行通風(fēng)天井及聯(lián)絡(luò)道布放充填管道，進(jìn)行膠結(jié)接頂充填。待充填體養(yǎng)護(hù)合格后，再回采相鄰進(jìn)路礦體。

3 結(jié)論

（1）調(diào)查了金紅嶺礦業(yè)公司采空區(qū)分布特征，總結(jié)了國內(nèi)外采空區(qū)的治理技術(shù)方案，分析了不同采空區(qū)治理方案的優(yōu)缺點與適用條件。

（2）針對金紅嶺礦業(yè)公司隱伏采空區(qū)分布狀況，提出了泵送接力膠結(jié)充填處理隱伏空區(qū)技術(shù)方 案，為隱伏采空區(qū)的治理提供了一種可行的技術(shù)方案。

（3）針對955 m、995 m中段33線保安礦柱的產(chǎn)狀特征和賦存條件，提出了上向進(jìn)路充填采礦法，實現(xiàn)了對殘礦資源安全、高回采率的開采。