铁矿采空区危害分析及处理方案

赵有国

(中钢集团工程设计研究院有限公司)

铁矿采空区危害分析及处理方案

赵有国

(中钢集团工程设计研究院有限公司)

随着金属采矿业发展，采空区处理问题受到了国内外采矿界普遍的重视。以某矿采空区为研究对象，通过对采空区分布现状的调查，分析出采空区可能发生的各类危害。根据实际生产情况和地质条件，提出并比较3种采空区处理方案，结合保护地表生态的理念，最终选择尾砂胶结充填法、封闭隔离法治理采空区，取得了很好的效果，为相似条件下的采空区处理提供借鉴。

采空区 崩落围岩法 尾砂胶结充填法 封闭隔离法

金属矿山采空区处理已成为我国及世界采矿界普遍关注的采矿技术难题。地下矿床开采后势必会形成采空区，其破坏岩体原有应力的平衡，使采空区围岩的应力重新分布并建立新的平衡，当达到临界稳定状态时就会出现围岩的移动和破坏[1]。自上个世纪90年代以来，我国矿业开采秩序混乱，非法的乱采滥挖留下了大量的不明空区，在破坏和浪费了地下宝贵矿产资源的同时，也严重影响矿山生产安全[2]。采空区诱发的片帮、冒顶、矿震、突水、泥石流、山体崩落、地面塌陷、山地表植被破坏等多种形式的灾害日益增多，尤其是重大安全事故有增大的趋势。因此，采空区的综合处理及灾害防治已迫在眉睫，成为矿山可持续、稳定、安全发展的关键。

1 矿山地质概况

某铁矿于2011年由10个小矿山整合而成，这些小矿山大部分建于1992—1993年，最晚的建于1999年，均于2004年停产。矿区位于太行山中段东麓丘陵区，地势总体西高东低，矿区海拔标高最高为+251.5 m，最低为+195 m，相对高差为56.5 m。本区铁矿石主要为自形-半自形粒状结构，致密块状，浸染状构造，属坚硬岩类，稳固性较好。矿体顶底板围岩主要为灰岩、闪长岩，均属稳固岩石，局部接触带地段因受侵入接触构造影响，围岩较破碎。矿区内存有多处面积较大的采空区，受采动影响，矿体及其顶底板围岩的稳定性减弱。

目前矿区岩溶水水位标高在-25 m左右，最低开釆水平在+50 m，开釆矿体均处于奥陶系中统岩溶水水位之上。矿区无地表水体；第四系松散岩类厚度薄，多为不含水层；闪长岩风化裂隙水是矿床的主要充水因素，但富水性弱，对矿山开采影响较小；奧陶系中统灰岩含水层目前处于疏干状态，不会对矿山开采产生影响；奧陶系中统与下统之间有厚层闪长岩隔水，奧陶系下统岩溶水不会对矿山开采产生影响。因此，目前矿区水文地质条件属简单类型。

2 采空区分布现状

针对某铁矿面临的采空区问题，在调研各种矿山资料的基础上，对其采空区分布进行了详细的调查，发现分布有如下几个重要的采空区：Fe1及外围小矿体采空区，位于矿区的西北部，原矿山开采过程中发现Fe1矿体北延面积较大，最大的采空区北西向长约200 m，北东向宽约95 m，面积为12 830 m2；Fe2及外围小矿体采空区，位于矿体南部及北部，最大的采空区北东向长约245 m，北西向宽约180 m，面积为18 990 m2；Fe3矿体采空区，位于矿区的北部，采空区面积较小，约1 522 m2；Fe4及外围小矿体采空区，位于矿区的中西部，紧邻Fe1矿体，最大的采空区北东向长约115 m，北西向宽约65 m，面积为3 740 m2。采空区内顶底板围岩主要为灰岩、闪长岩，均属稳固岩石。据调查，大部分采空区自然垮塌并逐渐趋于埋实，其他会有不同程度地自然垮落填埋。

3 采空区处理方案选择

采空区处理的实质是转移岩体应力集中部位，缓和应力集中程度，使应力达到新的相对平衡，以控制和管理地压，保证矿山安全生产。目前采空区处理的方法主要有以下几种：崩落围岩法、充填法、封闭隔离法及联合处理法[3-4]。

崩落围岩法是用崩落的围岩充填采空区并形成缓冲保护垫层，以防止采空区内大量岩石突然冒落所造成危害。因本矿矿体较薄，倾角较缓，可在空区内上盘削壁、崩落岩石充填空区。以空区为爆破自由面，采用浅孔爆破将空区下盘围岩崩落，形成缓冲垫层。崩落围岩处理采空区，治理过程可控性强，空区处理彻底，不留后续隐患，并且简化处理工艺，提高劳动生产力；但工程量大，爆破施工难度大，单纯崩落废石成本高，同时易引起地表开裂、沉陷。

采用尾砂和水泥胶结充填处理采空区，是通过车辆或管道输送废石或湿式充填材料到采空区，充填密实，缓解围岩应力集中，限制围岩移动[5]。直接将搅拌料经输送管道充填到井下采空区，治理过程可控性强，处理彻底，不留后续隐患；但充填量大、成本高、施工周期长，需建充填站配套设施，前期投入较大。

封闭隔离法是封闭采空区与外界相通的巷道，在上部采空区与下部作业区设隔离层，在密闭隔离的采空区上部施工通往地表的“天窗”，使采空区冒落产生的冲击气浪可以从“天窗”冲出地表，以保护巷道及作业区的安全。该方法施工安全便捷，治理手段可靠，可实施性强，治理成本低；但隐患解除所需时间长，需要后续维护和管理。

根据本矿实际的生产地质条件，并结合保护地表生态的理念，最终选择尾砂胶结充填法、封闭隔离法治理采空区的方案，可以保证深部开采的安全，同时提高矿石回收率和减少矿山开采后对地表生态的影响。

4 采空区处理过程

4.1 方案实施

矿区范围内虽采空区较多，且大小不一，但是地表并未形成大面积垮塌，仅于2000年在矿区中部形成小面积塌陷区，后经回埋治理，现已恢复耕地。

针对上述情况，先钻孔探明采空区，发现空区时，采用尾砂胶结充填，若发现采空区已塌方、埋实，就在空区附近具备条件的巷道内进行封堵，对于较小且对今后开采影响不大的采空区进行封闭隔离。矿山施工充填钻孔情况见表1。

矿山共需施工16个充填钻孔，充填钻孔合计为2 784 m，封堵隔离墙长度合计为8 m。对于矿区Ⅲ线附近的2个较小采空区，采用封堵措施，设隔离墙进行封闭，以保证井下发生的冲击气流能按照预定的巷道进行排泄。

表1 充填钻孔参数

4.2 尾砂胶结充填工艺

根据矿山实际情况，对已有采空区进行高浓度全尾砂胶结充填，充填体强度不小于3 MPa。在回风竖井附近建充填站，水泥尾砂胶结充填料内地表搅拌站通过充填钻孔或竖井的充填管道输送到井下，井下充填管道布置在上中段平巷内，通过充填钻孔下放到采空区内。

4.2.1 充填前准备工作

充填前封堵回采进路，可采用木柱排，在木排内侧钉上笆片，再钉一层塑料编织袋布；或采用水泥预制块砌筑，里面贴塑料编织袋布，以便挡浆滤水。

4.2.2 充填材料

充填料采用水泥和尾矿砂，加入微量的聚丙乙烯酵胺，以降低充填料离析。水泥和尾砂的配比为1∶(6～10)，顶层配比要适当提高；充填料浓度控制在68%左右。矿山投产前应进行试验和研究以确定合理的配料比。

4.2.3 充填站工艺流程

4.2.3.1 尾砂的输送

外购尾砂由自卸式汽车运至充填站原料堆场,然后由铲车装入原料仓，再由原料仓底的振动给料机给入皮带输送机受料口，再输送到搅拌机斜溜槽口上的振动筛上，筛除大块后的尾砂经斜溜槽进入搅拌机内，与水泥、水混合后进行搅拌。

振动给料机采用变频调速控制振动频率，以调节振动给料机的给料速度。

4.2.3.2 水泥的输送

水泥由罐车运至充填站，然后由水泥罐车自带的气力输送机组输送至充填站水泥仓内，再由仓底叶轮给料机向螺旋输送机给料至搅拌机内。

叶轮给料机由变频调速电机驱动，可以通过人工控制电机来调节下料量。水泥仓底部锥体部分装有仓壁振动器，对仓内的水泥进行破拱。水泥仓顶上装有料位计，可以指示仓内料位的位置。

4.2.3.3 水的供给

在充填站旁边建一水池，利用坑内排出的水，然后由通过水泵和供水管向搅拌机给水。

供水管上装有节流阀，可以人工调节节流阀的开度来调节给水量。

4.2.3.4 充填管道

充填管道通过回风井或充填孔引入井下，再通过各中段平巷敷设至待充填采空区附近，接钢编管至充填采空区。井下各充填管上装有压力检测仪表，监测数据信号从巷道传送到地面充填搅拌站控制室。

4.2.3.5 成品充填料的搅拌和输送

搅拌均匀的充填料浆通过搅拌机底部的充填斜管自流到回风井的充填管内，再通过充填钻孔或回风井和中段平巷内充填管自溜至坑内采空区内进行充填。

搅拌机至回风井间的斜管上装有橡胶夹管阀，调节搅拌机内的料浆下料速度，从而保证搅拌机内的料浆液面高度和搅拌时间。

4.2.3.6 充填系统的冲洗和事故处理

为了避免发生堵管，必须对充填系统进行冲洗，在放砂管上装有冲洗供水管。冲洗时应首先将自动控制系统改为手动控制，要求充填点放出清水为止。

在充填开始时也要用清水引流，先溜放浓度较低的充填料，逐渐提高至正常充填浓度 。

搅拌机旁边设有事故池，池内设有立式渣浆泵，当发生堵管事故时，搅拌机内的充填料浆先放到事故池内，然后再通过渣浆泵排至充填站以外。

4.2.4 接顶措施

在水平进路中用水力充填时，很难达到密实接顶，尤其是脱水后收缩，经常在充填料上部留有0.2～0.5 m空隙。为解决这个问题，采取多次充填，第一次将采空区充满，待凝固沉降后再进行一次补充。补充时充填配比可适当提高。

5 安全保障措施

(1)必须确保充填质量，保证地表需要保护的建(构)筑物安全。

(2)应在投产前进行充填采矿法的试验和研究，取得适合本矿山的充填参数、充填材料及配比、充填采矿法矿块结构参数等。

(3)应设专门机构，加强充填采矿法的研究工作，不断优化充填参数、充填材料及配比、充填采矿法矿块结构参数等，确保充填质量和充填效果达到设计的要求。

(4)充填前的试管水要尽量从巷道中的水沟排走，避免进入采场。

(5)充填前，要选择好封堵墙的位置，必须把各中段与采空区有连接的井巷采取牢固的密实封堵。

(6)充填工作必须严格按照操作规程进行，充填浓度、充填材料配比等应符合设计要求。

(7)对充填管道要定期进行检修，避免堵、漏、跑浆。

(8)实施多次接顶充填，保证充填接顶要严实。

(9)监测地表沉降情况，超过允许数值，必须立即停止开采，及时分析研究，在制定了可靠的应对措施后，方可继续开采。

6 结 论

根据某铁矿实际情况，采用尾砂胶结充填法、封闭隔离法治理采空区，在实际应用中取得了很好的效果，解决了矿山长久以来的安全隐患。该方案在保证深部安全开采的前提下，减少矿山开采后对地表生态的影响，社会效益和经济效益显著，为其他类似矿山的采空区处理提供了借鉴。

[1] 张 飞,张 衡,刘德峰，等.尾砂胶结充填在某金属矿采空区处理中的应用[J].有色金属,2013,65(4):16-18.

[2] 胡家国,马海涛.铁矿采空区处理方案研究[J].中国安全生产科学技术,2010(5):67-70.

[3] 李俊平,彭作为,周创兵，等.木架山采空区处理方案研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(22):3884-3890.

[4] 张军胜,李俊平,宋士生.采空区处理新方法研究与应用[J].金属矿山,2009,398(8):19-22.

[5] 龚甲桂,王 攀,高文凯.全尾砂胶结充填技术在金召铁矿采空区治理中的应用[J].有色金属,2012,64(6):17-19.

2014-08-25)

赵有国(1981—)，男，工程师，硕士，050021 河北省石家庄市槐安东路108号。