某銅鎳礦安全隱患分析及治理研究

張紹周,陳玉明

(1.昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 云南 昆明 650302;2.昆明理工大學(xué), 云南 昆明 650031)

金屬礦山開(kāi)采過(guò)程中,由于采礦方法和工程布置的差異,形成了多種形態(tài)和不同結(jié)構(gòu)的采空區(qū)。采空區(qū)誘發(fā)各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害,如頂板冒落、沖擊氣流、礦井突水、通風(fēng)損失及地表塌陷等,其中,以采空區(qū)頂板冒落誘發(fā)的礦震和空氣沖擊波危害最大,已成為目前地下礦山主要危險(xiǎn)源之一[1-6]。采空區(qū)治理實(shí)質(zhì)是轉(zhuǎn)移巖體應(yīng)力集中部位,緩解應(yīng)力集中程度,使應(yīng)力分布達(dá)到新的平衡,以達(dá)到控制和管理地壓保證礦山安全生產(chǎn)的目的。常用的5大類(lèi)采空區(qū)處理方法是“崩”“充”“撐”“封”及其聯(lián)合[7-10]。本文以某銅鎳礦為例,根據(jù)采空區(qū)賦存現(xiàn)狀,分析存在的安全隱患,設(shè)計(jì)治理方案,為金屬礦山采空區(qū)治理提供技術(shù)指導(dǎo)和理論支持。

1 工程概況

某銅鎳礦生產(chǎn)能力為45萬(wàn)t/a,采用分段空?qǐng)霾傻V法開(kāi)采,分段鑿巖,階段出礦。階段高度為60 m,分段高度為12 m。目前僅開(kāi)采455 m水平一個(gè)中段,515 m水平設(shè)回風(fēng)中段。礦塊長(zhǎng)度為25～50 m,頂柱為5 m,間柱為7～9 m。底部為無(wú)底柱結(jié)構(gòu),在中段運(yùn)輸巷內(nèi)每隔10 m掘一條出礦穿脈巷至礦房,每一礦塊布置4～5條出礦穿脈巷,采用1 m3地下鏟運(yùn)機(jī)出礦。開(kāi)采范圍為地表至455 m水平,已建設(shè)515 m和455 m兩個(gè)中段,其中515 m中段為回風(fēng)中段;礦區(qū)共開(kāi)采1#、2#、3#、4#、5#共5個(gè)礦體,其中4#礦體為富礦,銅、鎳品位較高,銅平均品位為0.269%,鎳平均品位為1.01%;1#、2#、3#、5#礦體品位較低,鎳平均品位僅有0.28%。由于主要開(kāi)采的4#富礦體接近枯竭,而低品位礦體目前市場(chǎng)環(huán)境下開(kāi)采不盈利,礦區(qū)已近停產(chǎn),形成大量采空區(qū),地表出現(xiàn)多處裂隙。因此,某銅鎳礦現(xiàn)急需對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理。

1.1 采空區(qū)現(xiàn)狀

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,采空區(qū)分布于某銅鎳礦22#至27#號(hào)勘探線(xiàn)之間,垂直標(biāo)高為455～515 m。采空區(qū)與地表未完全垮通,地表裂隙的產(chǎn)生與井下采空區(qū)形成相關(guān),且聯(lián)系緊密。采空區(qū)為不連續(xù)采空區(qū),新采場(chǎng)與老采空區(qū)通過(guò)礦柱間隔,新采場(chǎng)采用空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法回采,從根本上杜絕了采空區(qū)的產(chǎn)生。采空區(qū)范圍和體積確定由測(cè)量工程師測(cè)量采空區(qū)底部和頂部各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算頂?shù)撞棵娣e,由礦體上下盤(pán)鉆孔測(cè)算空間狀態(tài),并計(jì)算機(jī)成圖,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 某銅鎳礦采空區(qū)現(xiàn)狀

1.2 安全隱患分析

分段鑿巖、階段出礦的分段空?qǐng)龇ɡ玫V柱支撐頂、底板,礦房?jī)?nèi)進(jìn)行分段鑿巖,崩落的礦石通過(guò)礦房底部出礦進(jìn)路出礦,工人作業(yè)在巷道內(nèi)進(jìn)行,由于圍巖穩(wěn)定性高,作業(yè)方式安全?；夭勺鳂I(yè)完成后,為管理采空區(qū)頂板,防止采空區(qū)冒落對(duì)周?chē)鳂I(yè)區(qū)域產(chǎn)生危害,礦山采用崩落采空區(qū)頂板圍巖的方式對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填,可避免井下應(yīng)力集中,在一定的時(shí)間內(nèi)保持采空區(qū)穩(wěn)定。

已采用崩落圍巖法處理的采空區(qū),為防止通風(fēng)損失及人員誤入,礦山采用封閉法進(jìn)行處理。封堵墻采用混凝土澆筑,強(qiáng)度為C15,厚度為300 mm,采空區(qū)處理如圖1、圖2所示。515 m中段作為回風(fēng)中段,455 m中段回采后采空區(qū)崩落頂板圍巖填充采空區(qū),515 m中段采用崩落頂板圍巖充填采空區(qū),因此存在天窗,如圖3所示。地表由于井下采空區(qū)的影響,有裂縫存在,如圖4所示。

圖1 廢石充填封堵采空區(qū)

圖2 混凝土澆筑封堵采空區(qū)

圖3 崩落頂板圍巖填充采空區(qū)

圖4 采空區(qū)上部地表裂隙

綜上所述,礦山存在的安全隱患有如下幾點(diǎn)。

(1)采空區(qū)內(nèi)崩落的圍巖有空隙,隨著時(shí)間的延伸,崩落的巖塊可能緩慢沉降,造成周?chē)鷰r壁的變形,可引起片幫等危險(xiǎn)。

(2)采空區(qū)影響范圍內(nèi)巷道,可能由于應(yīng)力集中的作用,存在冒頂、片幫的危險(xiǎn)。

(3)515 m中段采空區(qū)天窗敞開(kāi),不及時(shí)隔離封圍的情況下,可能存在人員墜落的危險(xiǎn)。

(4)515 m中段及未及時(shí)封閉的采空區(qū),存在通風(fēng)損失的危險(xiǎn)。

頂板冒落產(chǎn)生空氣沖擊波,可能對(duì)生產(chǎn)井巷及地下設(shè)施造成危害,同時(shí)影響井下作業(yè)人員安全。

2 采空區(qū)治理方案

隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展,采空區(qū)治理技術(shù)更加成熟化[11-13]。根據(jù)目前某銅鎳礦充填站建設(shè)的實(shí)際情況,采空區(qū)治理分為兩階段進(jìn)行,一階段是在充填站建設(shè)前,采用崩落圍巖充填采空區(qū)和封閉采空區(qū)進(jìn)行治理;二階段是在充填站建設(shè)以后,采用充填采礦法開(kāi)采礦體并充填采空區(qū)。

2.1 地表治理方案

(1)在地表沉降區(qū)域、巖石移動(dòng)帶外設(shè)置隔離圍網(wǎng),懸掛安全警示牌,隔離危險(xiǎn)區(qū)域。治理周期1個(gè)月,防止人員誤入。

(2)在地表沉降區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)地表裂縫位移觀測(cè)點(diǎn),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表沉降變化情況。治理周期2個(gè)月,監(jiān)控地表裂縫位移。

(3)在地表沉降區(qū)域、巖石移動(dòng)帶外設(shè)置防洪壩或排洪溝,防止大氣降水進(jìn)入裂隙,對(duì)井下采空區(qū)、生產(chǎn)井巷造成影響。

2.2 井下治理方案

(1)回采結(jié)束后,為防止由于礦體采出導(dǎo)致圍巖壓力增加而使礦體頂板后期冒落,設(shè)計(jì)采用預(yù)先崩落頂板圍巖的方式解決。治理周期3個(gè)月,治理結(jié)束后可利用崩落的圍巖支撐頂?shù)装?起到緩解并控制地壓的目的。利用鑿巖巷道打水平孔或傾斜孔,孔深4～5 m,孔距、排距依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件進(jìn)行確定。集中裝藥后一次性爆破,通風(fēng)結(jié)束后用封堵墻進(jìn)行封閉,嚴(yán)禁人員和設(shè)備進(jìn)入采空區(qū)。

圍巖崩落后的松散體積按下式計(jì)算:

式中,V虛為崩落后巖體體積,m3;V實(shí)為崩落前巖體體積,m3;k為巖體的松散系數(shù),根據(jù)《現(xiàn)代采礦手冊(cè)》散體的物理力學(xué)性質(zhì),銅鎳礦石的松散系數(shù)為1.6,巖體松散系數(shù)為1.5。

崩落頂板圍巖后,由于體積增大,其對(duì)采空區(qū)有一定的支撐作用,能初步達(dá)到減少地壓的目的。但由于崩落圍巖的縫隙太大,其隨著時(shí)間的增加仍有繼續(xù)塌落的可能,采空區(qū)需要采取其他措施進(jìn)一步進(jìn)行治理。

(2)為防止采空區(qū)上覆巖層的大規(guī)模冒落產(chǎn)生空氣沖擊波,設(shè)計(jì)采用泄壓、封堵相結(jié)合的方式解決。泄壓方案是一旦出現(xiàn)頂板冒落形成的空氣沖擊波,利用515 m回風(fēng)中段排出。設(shè)計(jì)利用不封堵的巷道直達(dá)礦區(qū)東側(cè)的風(fēng)井,通過(guò)風(fēng)井排出,以達(dá)到泄壓的目的。在通往主、副井的生產(chǎn)巷道設(shè)置兩道風(fēng)門(mén),防止泄壓對(duì)主要生產(chǎn)井巷產(chǎn)生影響。泄壓可利用現(xiàn)有巷道設(shè)置風(fēng)門(mén),規(guī)劃泄壓通道,可在生產(chǎn)期間同時(shí)進(jìn)行。治理周期1個(gè)月,起到降低空氣沖擊波破壞的作用。

封堵方案則是利用封閉墻,對(duì)采空區(qū)進(jìn)行封閉,隔離人員作業(yè)區(qū)域,達(dá)到封堵的目的。封閉方式主要為巖石阻波墻和混凝土阻波墻,主要封閉部位為回采進(jìn)路、廢棄巷道、天井、溜井等。封堵在采場(chǎng)自然垮落或崩落圍巖后進(jìn)行。治理周期3個(gè)月,起到阻止或降低空氣沖擊波破壞的作用。

根據(jù)礦山采空區(qū)實(shí)際及材料運(yùn)輸情況,設(shè)計(jì)采用巖石阻波墻和混凝土阻波墻兩種封閉方式。在材料難以運(yùn)輸或無(wú)利用價(jià)值的巷道采用巖石阻波墻封堵。利用巷道為自由面進(jìn)行挑頂,挑頂高度大于巷道高度,長(zhǎng)度大于10 m,通過(guò)崩落的巖石作為封閉墻。在主要巷道采用混凝土阻波墻封堵。材料可選擇磚、素砼、鋼筋砼等,強(qiáng)度為C15,厚度大于300 mm。首先在封閉地點(diǎn)進(jìn)行楔形擴(kuò)幫,擴(kuò)幫最深處為0.5 m;然后清理工作面后砌磚或立模進(jìn)行砌筑。

(3)地表充填站建成后,通過(guò)地表制漿,經(jīng)充填孔、充填管線(xiàn)充入采空區(qū),對(duì)原有崩落圍巖的縫隙進(jìn)一步充填,增加充填體強(qiáng)度,達(dá)到最終采空區(qū)治理的目標(biāo)。治理周期6個(gè)月,采空區(qū)完全被廢石和充填料填充,防止采空區(qū)冒落等災(zāi)害事故的發(fā)生。

地表充填站攪拌均勻濃度適中的充填料漿卸入料斗,通過(guò)充填管道自流輸送至井下采空區(qū)進(jìn)行充填。充填前做好采空區(qū)的密閉工作,密閉隔墻及濾水設(shè)施檢查合格后開(kāi)始充填。采空區(qū)充填為分期充填,一般先充5～7 m膠結(jié)料,待初凝或脫水后,再依次充填,直至采場(chǎng)充滿(mǎn)為止。充填時(shí),先行沖洗充填管道,在充填采場(chǎng)回復(fù)信號(hào)后,充填站內(nèi)制漿系統(tǒng)再行啟動(dòng),將合格充填料漿經(jīng)管網(wǎng)輸送至井下。采空區(qū)充填預(yù)計(jì)將要結(jié)束時(shí)發(fā)出停止信號(hào),充填站得到停止信號(hào)后,立即停止給灰和供砂,所剩砂漿流完后相繼停車(chē),用清水柱將管內(nèi)剩余料漿輸送至采空區(qū)。

3 安全設(shè)施

(1)加強(qiáng)勘測(cè),準(zhǔn)確查明采空區(qū)范圍;

(2)探明采空區(qū)內(nèi)積水、自燃及有毒有害氣體現(xiàn)狀,并論證危害程度,制定相應(yīng)的安全專(zhuān)項(xiàng)措施;

(3)采取有效措施排放采空區(qū)內(nèi)積水、有害氣體,查明采空區(qū)冒落情況;

(4)封閉采空區(qū)相連的廢棄巷道,保證已有采空區(qū)密閉,防止向采空區(qū)漏風(fēng);

(5)為防止采空區(qū)大面積坍塌,設(shè)置采空區(qū)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng),隨時(shí)掌握采空區(qū)情況;

(6)采空區(qū)必須在采掘工程平面圖和井上井下對(duì)照?qǐng)D等圖件中標(biāo)出,以供井下安全生產(chǎn)使用。

4 結(jié)論

(1)某銅鎳礦22#至27#勘探線(xiàn)之間采空區(qū),通過(guò)測(cè)量結(jié)果繪制的采空區(qū)平面圖和剖面圖計(jì)算了采空區(qū)的體積,對(duì)采空區(qū)的分布情況進(jìn)行了描述,同時(shí)對(duì)采空區(qū)危害的形成及存在的安全隱患進(jìn)行了分析。

(2)采空區(qū)治理包括地表裂隙的封閉和防洪措施,井下采空區(qū)崩落圍巖充填、采空區(qū)封閉及采空區(qū)充填料漿充填3部分構(gòu)成,以達(dá)到防止采空區(qū)頂板大面積垮落所形成的空氣沖擊波危害,將新采場(chǎng)與老采空區(qū)進(jìn)行隔離,同時(shí)新采場(chǎng)采用充填采礦法進(jìn)行回采,從根本上達(dá)到了減少采空區(qū)體積,防止采空區(qū)事故,確保礦山安全生產(chǎn)的目的。