里伍銅礦采空區(qū)分級評價及治理方案研究

陽德華，龔永超，張先澤，張芫濤

(1.四川里伍銅業(yè)股份有限公司， 四川 甘孜州 626200； 2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

0 引言

對于采用空場法尤其是全面法房柱法等的礦山，空場的處理尤為重要，處理不及時或處理不到位，井下采空區(qū)面積達到臨界值時，則會導致采空區(qū)的大規(guī)模冒落、地壓沖擊等災害，對人員作業(yè)安全造成嚴重威脅，導致財產損失。對于空場法產生的空區(qū)，除了少數(shù)特殊空場可以用永久性礦柱支撐外，其余采空區(qū)都需要進行處理并消除空區(qū)。但我國許多空場法礦山由于管理混亂、空區(qū)年代久遠等原因，導致存在大量采空區(qū)并未采取合理措施進行處理，嚴重威脅礦山的安全生產，甚至威脅到礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全。由此可見，如何根據礦山現(xiàn)有條件及空區(qū)分布特點研究安全可行、經濟合理、簡單適用的空區(qū)處理技術不僅對礦山安全生產具有重大意義，同時對改善生態(tài)環(huán)境同樣重要，具有重大經濟及社會意義[1]。

總結目前國內外采空區(qū)處理的方法及經驗，總的來說可以將空區(qū)處理方法分為充填和崩落兩種，而基于這兩種處理方法又可以細分為“崩”、“充”、“封”、“撐”以及這幾種方法聯(lián)合處理等五類[2-3]。

“崩”指崩落法，將空區(qū)圍巖崩落，再利用崩落的巖石充填采空區(qū)。其特點是：將空區(qū)圍巖崩落，崩落的圍巖既可以充填采區(qū)提供支撐，也可以作為緩沖保護墊層，從而避免采空區(qū)大面積不受控制的冒落引起沖擊波等災害。通過崩落圍巖可以有效消除空區(qū)，從而避免了大面積空區(qū)導致的地壓活動和局部地區(qū)地應力的過度集中，同時由于崩落法工藝簡單、成本低且勞動效率高等特點，從而在國內外得到廣泛應用[4-5]。

“充”指充填法，即應用充填材料將地下空區(qū)進行充填，從而限制其圍巖的變形，一般是利用車輛或管道運輸，充填材料一般選用廢石或其他濕式充填料。由于充填法成本較高，其應用范圍多為貴重、稀有金屬以及高品位或易自燃的礦床開采，當?shù)乇韲澜a生明顯變形、圍巖穩(wěn)固性較差時也應選用充填法[6-8]。

“撐”指支撐法，即通過留設礦柱或者人為構筑永久礦柱用以支撐采空區(qū)穩(wěn)定。支撐法在緩傾斜薄中厚以下礦體應用較多，要求地表允許冒落，圍巖較穩(wěn)固的礦體尤其是品位不高的賤礦體[9]。

“封”指通過將空區(qū)進行封閉并隔離的方法來處理井下空區(qū)。此方法工藝簡單，處理成本低，適用于處理規(guī)模較小的孤立的礦體開采后形成的空 區(qū)，以及礦體兩翼回采后的空區(qū)和需繼續(xù)回采的大礦體上部的空區(qū)[10]。

“聯(lián)合”指聯(lián)合法，即通過同時應用“崩”、“充”、“封”、“撐”中的幾種方法來處理空區(qū)，這樣可以克服單一方法的局限，同時具有各種方法的優(yōu)點，應用靈活、成本可控、處理效果好。

綜上所述，可得出如下幾點結論。

（1）在選用不同的空區(qū)處理方法時要根據其應用范圍及其優(yōu)缺點。崩落法雖然能快速及時地處理空區(qū)，且其工藝簡單，勞動效率高，但處理小埋深礦體以及厚大礦體的采空區(qū)時，會容易導致地表的沉陷變形；而充填法雖然能夠很好地充填空區(qū)限制頂板的位移變形，但其投資成本高，前期投入大，充填成本高，需要建設充填系統(tǒng)；而支撐法雖然能暫時穩(wěn)固頂板，保證空區(qū)的穩(wěn)定，但隨著時間的推移，最終還是會導致空區(qū)圍巖的形變塌陷，并不能永久避免頂板造成的沖擊地壓，且礦柱的留設會導致大量礦體的損失，而人工礦柱的構筑成本較高。

（2）聯(lián)合法能夠具備各種方法的長處，從而克服單一方法的局限性，應用前景廣。

（3）空區(qū)處理要充分結合空區(qū)特點，其根本目的是保證生產安全，保護生態(tài)環(huán)境，同時最大限度地開發(fā)礦產資源，保證礦山的可持續(xù)發(fā)展。

1 里伍銅礦采空區(qū)現(xiàn)狀

經過多年的生產開采，目前里伍銅礦已經開采至2420 m中段，現(xiàn)形成采空區(qū)約80萬m2。通過多 年的采空區(qū)處理，目前2680 m中段以上已采用崩落圍巖、阻波墻等形式處理完畢，通過崩落圍巖既充填了采空區(qū)，又是一種卸壓手段，緩和空區(qū)的應力集中，控制了礦山的地壓，且崩落圍巖可以形成一層緩沖巖石層，避免了大規(guī)模圍巖崩落產生的沖擊地壓對巷道、人員以及設備的危害。重要運輸巷道也通過構筑一定長度的擋墻，封閉空區(qū)，預防一旦圍巖整體突然冒落時機械沖擊與氣浪沖擊的危害。上述措施保證了2680 m中段及以上區(qū)域的安全，能有效防止上部采空區(qū)大面積塌落沖擊波對下部中段生產作業(yè)的嚴重破壞，上部大規(guī)模采空區(qū)災害已基本消除，實際生產過程中，由于上部空區(qū)的處理也提供了目前四期采礦作業(yè)的穩(wěn)定。

礦山為確保各中段無較大安全隱患，在各未進行空區(qū)處理中段均布置了相應的地壓監(jiān)測點，通過監(jiān)測點聲發(fā)射時間發(fā)生頻率判定巖體垮塌情況。具體的監(jiān)測措施見表1。

從監(jiān)測內容，里伍銅礦對巖層頂板、空區(qū)礦柱、地表巖體等區(qū)域均做了相應的監(jiān)測。結合多年的監(jiān)測結果可知，目前里伍銅礦所布置的巖體聲發(fā)射檢測點其大部分發(fā)射參數(shù)較小，僅在小部分位置值較大，在現(xiàn)有條件下，所測區(qū)域并未發(fā)生明顯的巖體聲發(fā)射，無較大的巖層移動、坍塌情況發(fā)生；在現(xiàn)有的應力計監(jiān)測點中，大部分應力計顯示為未受壓狀態(tài)，局部區(qū)域存在受壓情況，但所受壓力較小。表明目前所測區(qū)域礦柱、重要巷道巖壁處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)，無較大安全隱患。

表1 里伍銅礦地壓監(jiān)測項目和內容

結合現(xiàn)場對各中段的勘查情況，可以看出，地壓監(jiān)測的數(shù)據與實際情況相符，局部區(qū)域存在垮塌、冒落的情況。整體而言，里伍銅礦2680 m中段以下區(qū)域空區(qū)群屬于暫時穩(wěn)定階段，但由于存放時間較長，四期工程生產深入，后續(xù)空區(qū)群的存 在失穩(wěn)破壞的情況將加劇，需及時分析，及時加強治理。

2 2680～2580 m中段空區(qū)穩(wěn)定性分級

結合國內外實踐經驗，考慮里伍銅礦的實際情況，選用綜合評價法進行采空區(qū)的穩(wěn)定性分級，通過將建立的關系矩陣與模糊理論相互結合，最終依據數(shù)據所得權重判定采空區(qū)的穩(wěn)定性。

地下礦山中采空區(qū)賦存環(huán)境復雜，其穩(wěn)定性受多方面因素的共同影響。僅對單一因素進行考慮，易造成評價結果出現(xiàn)較大偏差。綜合國內外研究成果，結合里伍銅礦現(xiàn)有地質資料及國內外類似礦山情況，選用巖石的單軸抗壓強度、頂板暴露面積、巖石單軸抗壓強度與最大初始應力比值、最大主應力方向與頂板方位關系、結構面間距、結構面產狀與頂板方位關系、地下水、礦柱狀況8個影響因素共同進行采空區(qū)穩(wěn)定性分級。

各采空區(qū)影響因素依次列入關系矩陣對角線的位置，建立采空區(qū)穩(wěn)定性分級的關系矩陣，具體見式（1）。式（1）中結構面狀態(tài)因素包含的次級因素有2個，即結構面間距與產狀；原巖應力狀態(tài)包含的次級因素分別為單軸抗壓強度和最大初始應力比值及最大主應力與采場頂板方位關系；最后組成的關系矩陣式里總共有64個因素，主要因素有8個，相互作用的因素有56個。

式中，RC為巖石的單軸抗壓強度影響因素；AR為頂板暴露面積影響因素；ST為巖石單軸抗壓強度與最大初始應力比值；SL為最大主應力方向與頂板方位關系影響因素；DI為結構面間距影響因素；DO為結構面產狀與頂板方位關系影響因素；WT為地下水影響因素；PA為礦柱狀況影響因素。

由上式中各因素的影響關系可計算出各采空區(qū)影響因素的活動性指數(shù)。通過計算，最終各主要影響因素的活動性指數(shù)見表2。

表2 采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素活動性指數(shù)值/%

根據各個影響因素活動性指數(shù)的大小及國內外類似礦山的取值方法，結合礦山實際情況，最終可得到各采空區(qū)穩(wěn)定性因素的隸屬度值。在進行采空區(qū)穩(wěn)定性分級時把各影響因素隸屬度值放入關系矩陣中共同進行計算，即將各影響因素的活動性指數(shù)與其相對應的隸屬度值進行乘積并累加，其累加值結果即為采空區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)。根據表3的分級方案，結合穩(wěn)定性系數(shù)的計算結果，可對里伍銅礦各個中段的穩(wěn)定性進行相應的分級，從而判斷出里伍銅礦各中段的穩(wěn)定性情況，進而為后續(xù)的治理方案提供數(shù)據支持。

表3 采空區(qū)穩(wěn)定性分級方案

里伍銅礦2680～2580 m中段的采空區(qū)穩(wěn)定性分級情況見表4。

表4 各中段采空區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)計算結果

通過上述計算結果可以看出，里伍銅礦2680 m及以下中段的采空區(qū)均屬于中等穩(wěn)固狀態(tài)，根據所計算的穩(wěn)定性系數(shù)亦可看出，2680～2640 m中段穩(wěn)定性系數(shù)值較低，因此，該中段區(qū)域會形成時間較長的老舊空區(qū)，局部區(qū)域會存在垮塌、冒落的情況發(fā)生。而2620～2580 m中段，采空區(qū)穩(wěn)定系數(shù)相對較高，加之空區(qū)形成時間相較上部區(qū)域時間較短，目前仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但需要加強地壓監(jiān)測，避免礦柱、頂板破壞而導致冒落情況的發(fā)生。

3 采空區(qū)治理研究

基于2680～2640 m采空區(qū)現(xiàn)狀調查結果和空區(qū)分級評價結論，結合采空區(qū)處理方法的選擇原則，確定2680～2580 m中段采空區(qū)治理方案。

2680 m中段：現(xiàn)存采空區(qū)面積約90 056 m2，B2礦體巖石局部不穩(wěn)固，空場面積較大，存在崩落風險。為避免較大沖擊波，在B2礦體巷道與盲斜井相接的三岔口采用施工1#鋼混阻波墻進行封堵。A2采空區(qū)已進行了大區(qū)條帶崩落頂板隔離處理，現(xiàn)將與B1單層礦體與A2相連的巷道，采用2#巖石阻波墻處理，工程量為200 m3。工程布置如圖1所示。

圖1 2680 m中段空區(qū)部分處理工程布置

2660 m中段對A2空場進行1#巖石阻波墻處理，崩落工程量200 m3；B2礦體局部空場不穩(wěn)固，為有效防止后續(xù)可能存在的沖擊波影響，在B2空場運輸平巷處采用1#鋼筋混凝土阻波墻處理，工程量20 m3。

2640 m中段B2礦體中部施工1條大區(qū)條帶崩落頂板隔離處理，西邊由于靠近江郎溝地表，部分礦房已自然崩落接頂。A2礦體采用大區(qū)條帶崩落頂板隔離處理。為防止沖擊波影響，在A2礦體巷道采用1#巖石阻波墻處理，崩落工程量為200 m3，B2礦體巷道采用1#鋼筋混凝土阻波墻，工程量為20 m3。

2620 m中段：采空區(qū)面積約40 177 m2，空區(qū)中等穩(wěn)固，且形成時間相較于上部中段較短，綜合考慮現(xiàn)場安全，對A2礦體相連中段運輸大巷采用1#巖石阻波墻處理，以防控沖擊波產生的危害，工程量為200 m3；B2礦體由于巖石局部不穩(wěn)固，且考慮到上部中段出現(xiàn)過垮塌現(xiàn)象，為避免較大沖擊波，故采用1#鋼筋混凝土阻波墻，工程量為20 m3。

2600 m中段：采空區(qū)面積約35 719 m2，空區(qū)中等穩(wěn)固，且形成時間相較于上部中段較短，綜合考慮現(xiàn)場安全，對A2礦體相連中段運輸大巷采用1#巖石阻波墻處理，以防控沖擊波產生的危害，工程量為200 m3；B2礦體由于巖石局部不穩(wěn)固，且考慮到上部中段出現(xiàn)過垮塌現(xiàn)象，為避免較大沖擊波，故采用1#鋼筋混凝土阻波墻，工程量為20 m3。

2580 m中段：采空區(qū)面積約32 763 m2，空區(qū)中等穩(wěn)固，且形成時間相較于上部中段較短，綜合考慮現(xiàn)場安全，對A2礦體相連中段運輸大巷采用1#巖石阻波墻處理，以防控沖擊波產生的危害，工程量為200 m3；B2礦體由于巖石局部不穩(wěn)固，且考慮到上部中段出現(xiàn)過垮塌現(xiàn)象，為避免較大沖擊波，故采用1#鋼筋混凝土阻波墻，工程量為20 m3。

上述幾個中段的B2礦體礦石品位較高，在充填系統(tǒng)未建設完成前，先采用鋼筋混凝土阻波墻控制沖擊波對人員的傷害，讓采空區(qū)自然崩落，待后續(xù)充填系統(tǒng)建設完成后，可拆除鋼筋混凝土阻波墻，改采用充填法控制空區(qū)，并完成相應礦柱的回采。

4 采空區(qū)治理方法總結

根據里伍銅礦采空區(qū)現(xiàn)狀及當前采空區(qū)處理技術的水平，里伍銅礦采空區(qū)處理方法主要采取聯(lián)合法。在充填系統(tǒng)未形成之前，主要的聯(lián)合方法為“撐”+“封”和“封”+“崩”，即部分采場通過留設礦柱來支撐采場圍巖從而控制地壓，并且在采場入口處、人材井、運輸大巷等地方分別采取不同措施進行封堵，采用“撐”+“封”聯(lián)合方式處理空區(qū)。部分礦段由于采場穩(wěn)定性不好，頂板已經出現(xiàn)冒落，預留的礦柱出現(xiàn)破裂，同一中段的采場容易形成貫通采空區(qū)群，存在采場頂板大面積坍塌風險。一般采用“封”+“崩”的方式處理這種情況可以取得較好效果。在主要運輸人行巷道處采用阻波墻封堵，防止人員和設備受到空氣沖擊波傷害。在采場里面采用“大區(qū)條帶式崩落頂板”或者“小區(qū)條帶式崩落頂板”阻隔了上部大面積采空區(qū)和下部回采區(qū)域的聯(lián)系，能有效防止上部采空區(qū)大面積塌落沖擊波對下部中段生產作業(yè)的嚴重破壞。

由于2552 m以下深部礦體所受到的地壓越來越大，采用充填法回采來控制地壓是必然的一個趨勢，故里伍銅礦需要建立一套充填系統(tǒng)來滿足生產要求。并且為了解決里伍銅業(yè)公司尾砂堆存問題以及上部殘留高品位礦柱回采問題，此套充填系統(tǒng)的建立可兼顧上部空區(qū)處理和殘礦回采。在部分采場頂板已經出現(xiàn)嚴重坍塌的情況下，不具備殘礦資源回采條件了，則可以利用該套充填系統(tǒng)將低強度的尾砂充填空區(qū)，既可以處理多余的尾砂，解決尾礦庫堆存的問題，同時能夠防止采場進一步坍塌。在具備殘礦回采條件的采場，采用高強的充填體充填采空區(qū)，以保證殘礦回采的安全性。