国外某铜锌矿采空区治理方案研究

王海军，薛辛陪

(北京矿冶研究总院，北京100160)

国外某铜锌矿采空区治理方案研究

王海军，薛辛陪

(北京矿冶研究总院，北京100160)

采空区的存留会对地表、地下开采都产生危害，需要及时治理。根据国外某铜锌矿的实际条件，分析了可能会对地表和地下开采产生的危害。为避免潜在危害发生，在完成采空区三维建模、明确其空间位置关系的基础上，进行采空区稳定性定性评价，将采空区划分为单独治理单元，进行治理方案筛选。结果显示，筛选出的采空区治理方案既能保证矿山的安全生产，也能获得较好的经济、社会效益。

采空区危害;采空区治理;方案筛选

采空区的治理一直是地下开采的重要课题，国内外主要采用崩落、充填、封闭采空区和类框架结构采空区治理技术［1－2］来减少采空区对人员、设备的破坏。近些年来，采矿人员把采空区探测技术、采空区监测技术［3］及数学模拟引入采空区治理，不断努力实现采空区危害提前预报、及时预警、针对性治理的目标。

采空区治理的根本目的是减少其危害，使地下开采安全、环保、经济地开展。因此，在治理采空区时，一定要结合地下开采的规划，做到统筹兼顾、未雨绸缪，既要保证地下开采的高效、连续，也要保证采空区治理及时、有效，做到安全生产。可见，采空区的及时治理尤其重要。

1 项目概况

1.1 矿山概况

该铜锌矿山地处沙特阿拉伯ASIR高原Najran省，为大型硫化物矿床，存在于火山岩、沉积岩和侵入岩的边际和杂岩中，主要硫化矿物质有黄铁矿、闪锌矿以及黄铜矿。矿山主要分为三个矿区。矿区一矿体的平均水平厚度为7.7 m，密度3.5 t/m3;矿区二的矿体厚度为5.7 m，密度3.4 t/m3;矿区三的矿体厚度为6.0 m，密度3.0 t/m3。围岩密度2.6～2.8 t/m3。依据 JORC标准并按照锌-铜折算的5%的锌当量边界品位圈定探明和控制的总资源量9 433 081 t。在该矿区内共发现了24种不同的岩石，已经探明的矿区内未发现明显的构造界限。属于稳固矿岩，工程地质及水文地质条件属于简单类型。但该矿山矿区一地表有季节性河流(Wadi，图1所示)经过，每年的4～5月为雨季。

1.2 矿体开采方案

矿山采用地下开采，斜坡道开拓，中央两翼式通风方式，无轨设备铲装及运输，生产规模为70万t/a。

根据矿体赋存条件(图1所示)及以后矿柱回采要求，在矿体与地表间留有40 m厚的保安矿柱，防止矿区贯通地表“Wadi”，上下阶段间留有30 m厚的顶底柱用于采空区的初期支撑及寿命期末的矿柱回收。

综合地质、岩石力学和采场集合参数等因素，该矿山采用分段空场采矿法，矿房按走向布置，矿房尺寸长为85～90 m，间柱为12～15 m，矿房宽度为矿体厚度，阶段高度为60～95 m，分段高度一般为30 m，凿岩巷道规格为5 m×4.5 m。

图1 矿体赋存状态图Fig.1 Schematic diagram of the orebody occurrence state

图2 开采现状图Fig.2 Schematic diagram of current status of exploration

1.3 矿山开采现状

矿区一为矿量最大、开拓最早的矿区，矿区二正在进行前期开拓还未形成矿块生产能力，矿区三正在进行补充勘探。

矿区一开拓工程基本完成，开拓矿量387.5万t，采矿生产已经完成3个矿块的开采，矿块累积生产矿量约66.3万t，目前形成约19.5万m3的采空区。矿区一已于2013年达产，图2为矿区一开采现状图。

矿区一矿体较厚，尤其是图2中1 515 m水平4#采空区，矿体最厚可达40 m，达到了保安矿柱的厚度，而且保安矿柱上方为季节性河流，这些都是采空区危险因素，需要重点关注。

2 采空区危害

采空区是隐伏的，其危害也是很难预判、预知的，对采空区的危害防范比较困难，另外每个矿山的实际情况也不同，就需要辨别采空区可能发生的危害。

2.1 采空区对地表的破坏

当地下开采影响到达地表以后，在采空区上方地表将形成一个凹陷盆地，或称地表移动盆地。一般来说，地表移动盆地的范围要比采空区面积大得多，形状近似椭圆形。主要表现的危害为地表坍塌、山体滑坡等。采空区地表变形的大小及其发展趋势、地表移动盆地的形态与范围等受矿体赋存深度、矿体厚度、岩体强度、地质构造发育情况、地下水活动及地下开采方式等多种因素影响［4－5］。地表塌陷或山体滑坡对地表构筑物的影响很大，间接引起工业场地或居民区的搬迁，造成很大的经济损失与较坏的社会影响。其次也可能造成环境的破坏，比如绿色植被的破坏、地下水径流的破坏，影响生态环境，贻害后代。

2.2 采空区对地下开采的影响

采空区作为矿山地下开采的伴生物，其危害是多方面的，不但是多种矿山地质灾害的直接诱发因素，同时对矿山日常安全生产管理工作造成许多影响。采空区可能造成的危害包括直接影响矿山安全生产和间接影响人员、设备安全等。采空区对地下开采的主要危害见表1［6］。

2.3 矿山采空区危害

随着矿山的继续开采，采空区不断发展，采空区存留时间也在增加。该矿山采空区危害主要表现为以下几个方面:

表1 采空区危害种类、发生原因、影响范围Table 1 Hazard types，causes，influence scope of the goaf

1)由于采空区引起的应力集中，可能造成保安矿柱产生裂隙，这些裂隙很容易成为“Wadi”的导水通道，给井下排水系统造成压力，也有可能引发短期设备淹没事故，造成矿山停产。

2)采空区的破坏继续发展，有可能造成部分顶板塌落，直接使采空区贯通“Wadi”，在雨季来临时会引发大量水的涌入，造成淹井事故，可能会引起人员伤亡、设备损坏等，造成矿山的长期停产。

3)采空区的部分坍塌发生在旱季，塌方产生气浪也有可能伤害井下工作人员、设备，造成不必要的损失，在雨季来临之前还需要把“Wadi”改道，增加开采成本。

4)采空区贯通地表，会破坏井下通风系统，使新鲜风流路线紊乱，造成生产通风困难。

由于采空区距离地表较近，目前地压不是很大，发生岩爆的可能性不大，但随着开采的进行，如不及时治理采空区，会造成应力集中，发生局部岩爆;矿石也无自燃性，不会出现采空区内自燃危害;在生产过程中，尤其是距离采空区作业较近时，零星发生过夹钻事故，影响不大。地下开采崩落范围内的地表无构筑物，但有“Wadi”在矿区上方穿过(图1所示)，所以上述4个方面是该矿山采空区的主要危害。

3 采空区治理措施

国内外治理采空区的主要措施如下:首先对隐伏未探明的采空区进行探测，然后对探明的采空区进行稳定性分析评价，再选用崩落、充填或封闭措施治理，并对采空区进行应力、位移监测，达到既能及时预防危害发生、又能有效治理采空区的目的，保证地下开采的高效、经济、安全、环保。

3.1 采空区探测技术

常用的地下采空区物理探测方法包括高密度电阻率法、地震映象法、探地雷达法和激光法等［7－8］。但是对于新建矿山来说，完整、准确的基建、生产期的测量及矿体建模，可以减少前期采空区的探测工作量，只需要对地质条件复杂的矿山进行补充探测。该矿山地质条件比较简单，前期测量、矿体建模都比较完备，此外中深孔生产均是依据测量、矿体建模成果，爆破后形成的采空区形态比较准确，如图3所示，也能很清楚地反映出采空区与地表、“Wadi”的相对空间关系。

图3 采空区及其空间位置关系图Fig.3 Schematic diagram of goaf and its spatial location

3.2 采空区稳定性分析

通过3.1可知，该矿山的采空区形态、空间位置关系比较清楚。对该矿山采空区稳定性仅做定性分析，待详细设计时再进行数学模拟。从采空区形态、空间位置关系、围岩情况分析来看，1 515 m水平4#采空区发生采空区危害的可能性最大，需要对其进行重点治理，而且，1 515 m水平4#采空区作为首要被治理采空区，还影响着矿柱的回采及矿石的损失、贫化。

3.3 采空区治理方案分析

通过采空区探测及稳定性分析定性评价，给采空区的治理顺序提供了参考。目前，国内采用的治理措施主要包括崩落围岩治理采空区、充填采空区、保留永久矿柱支护及封闭隔离采空区等。针对该矿山，要结合井下开采现状与开采规划，使采空区治理有效、及时地开展，防止采空区引起的危害发生。本文将几种可能性的治理方案进行阐述并分析，各方案如表2所示。

表2 采空区治理方案Table 2 Scheme of goaf management

从表2可知，对采空区治理可以有很多种不同的方案，做到方案准确应用不仅需要进行详细设计并进行经济性评价，而且还需要结合矿山所在国家、矿山的实际情况。本文尝试用专家打分法进行方案初步筛选。

本文将采空区划分为单独的治理单元，按表3进行打分，针对每个治理单元筛选适用的治理方案。

表3 采空区治理方案专家打分表Table 3 Expert scoring table for goaf governance

评分过程中，可选择多个有经验的工程师，尤其是熟悉矿山实际情况的技术人员进行打分并汇总，选出1～2个方案作为治理单元的候选方案。

3.4 采空区治理方案筛选及注意事项

通过采空区资料收集及稳定性定性评价，可以初步掌握每个单独采空区的形态及稳定性优劣。

从3.1知，目前主要的采空区为3#、4#、5#采空区，且其规模较大，离地表“Wadi”较近。本文主要将其作为单独治理单元进行专家打分、方案选择。经过打分、取整后，方案筛选结果如表4所示。

表4 采空区治理方案筛选表Table 4 Expert scoring table for goaf governance

经过专家评分，可以得到每个采空区治理的候选方案。经综合分析、讨论，兼顾矿山的开采规划，使综合治理方案达到施工方便、生产管理容易、经济性好、安全性好等要求。该部分采空区治理方案如图4所示。

具体方案:

第一步:先用方案2进行4#采空区的治理，一是支撑上部保安矿柱，二是在回收矿柱时可以防止废石混入造成矿石贫化。

第二步:回收X-4、X-5间柱，其中X-4间柱爆破至3#采空区进行出矿，X-5间柱爆破至5#采空区进行出矿。

第三步:利用方案5进行3#采空区的治理，一是用于支撑上部保安矿柱，二是在回收X-3间柱、顶底柱时防止废石混入造成矿石贫化。

第四步:利用方案4进行5#采空区的治理，治理前需要将图中“提前开采及端部损失”部分回采完毕。

经过以上4步，可以实现该矿山目前采空区的综合治理，既能消除采空区存留带来的危害，也能回收全部矿柱，且充填成本较低。

此外，在生产中还要加强生产管理、安全管理［9－10］，积极开展实际工作，并在治理采空区前、后增加采空区应力、位移监测，消除隐患，做到“未雨绸缪”。

图4 采空区综合治理方案示意图Fig.4 Schematic diagram of goaf comprehensive management

4 结论

本文在采空区的赋存状态探测的基础上，完成了采空区对该矿山的危害分析。并对采空区进行三维建模，为采空区的稳定性定性评价、方案探讨与确定提供了依据。最后通过专家打分法，明确采空区治理的意图与实现途径。该矿山应在可行性方案的指导下积极开展实际工作，避免贻误采空区治理时机。这样既能实现安全生产，也能取得较好的经济效益，更重要的是能够带来社会和环境效益。

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Study on goaf management of a Cu-Zn Mine in abroad

WANG Haijun，XUE Xinpei
(Beijing General Research Institute of Mining＆Metallurgy，Beijing 100160，China)

The residual goaf has damage on the surface and underground mining.And it should be treated timely.According to the actual conditions of the mine，this paper analyzes the probable damages to the surface and underground mining.For avoiding damages happening and based on the goaf 3D modeling and clear goaf space relationship，this paper passed judgment on goaf stability.Then，it divided underground goaf to be single management unit for selecting a suitable treatment project.The result can not only guarantee the safety in production，but also obtain good economic and social benefits.

goaf hazard;goaf management;management selection

TD853.391

Α

1671-4172(2015)01-0019-06

王海军(1986－)，男，工程师，硕士，采矿工程专业，主要从事采矿设计及生产管理工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.005