金属矿山条带状老旧采空区尾砂充填治理技术

高学通

(华北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家庄 050021)

金属矿山条带状老旧采空区尾砂充填治理技术

高学通

(华北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家庄 050021)

金属矿山在长期的采矿活动中形成了规模巨大、情况复杂的地下隐伏采空区，给矿山生产带来严重安全隐患，尤其对于矿区建设场地内存在的下伏采空区，必须采取合理的治理措施。借助江西某矿山采空区治理工程，针对施工中遇到的条带状采空区，综合采用了改进型组合钻具、高精度陀螺测斜仪、陀螺偏心纠斜工艺及井下电视探测技术，保证充填钻孔能够直达采空区顶板；充填施工中，优化选取尾砂-水泥膏状浆液配比，采取了多项技术措施控制充填接顶和冒落堆填体的胶结，有效保证了采空区治理效果。相关研究成果和技术措施可以为类似工程提供借鉴和指导。

金属矿山；条带状采空区；尾砂充填；膏体浆液

0 引 言

采空区是人为开采矿产资源而在地表下面产生的“空洞”，目前我国很多矿山由于过去长期的采矿生产活动，在矿区不同位置和深度上分布着大大小小各种形态的采空区。由于过去采矿方式和矿山资料管理水平的落后，很多的老旧采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，给矿山安全生产带来严重的威胁[1]。

另外，如果需要在存在下伏采空区的场地上进行工程建设的话，必须采取相应手段查明采空区的分布特征，选择合理的治理方案，以保证地基稳定性和上部建(构)筑物的安全。目前，对于尚未完全沉陷稳定的采空区，常采用在地表钻孔直达空区顶板，将浆液注入采空塌陷区和覆岩裂隙带中，由浆液形成的结石体阻止上覆岩层及地表的进一步变形，该方法目前应用广泛，取得了良好的治理效果[2￣5](见图1)。

图1 采空区充填工程布置

由于金属矿山矿脉发育的特点，很多采空区在水平面上以条带状展布，倾角陡宽度窄，加之采空区形成年代久远，过去采矿管理水平落后且缺少准确的井上井下对照图件，造成地面钻孔很难准确揭露采空区顶板，很大程度上增加了采空区治理难度。本文结合江西某金属矿山采空区充填治理工程，通过施工过程中的不断探索改进，形成了一套行之有效的条带状老旧采空区治理技术，对于指导类似工程实践具有重要意义。

1 工程概述

1.1 采空区分布特征

本采空区治理项目位于江西省上饶市，由于矿山新建地面建筑物，需要对场区范围内存在潜在塌陷风险的老旧采空区进行治理，采空区平面分布特性见图2。

图2 拟建场区采空区平面分布特征

根据设计治理方案，该区域主要分布3条采空区需要治理，矿脉厚度2～3 m，形成采空区水平宽度不足2 m，顶板埋深20～58 m。

1.2 充填治理方法

从地表直接钻孔，直达空区顶板，地表充填孔保证终孔口径应不小于Φ150 mm。钻孔达到设计要求后再铺设充填管路，将尾砂膏体浆液注入钻孔内，最后采用高压注稀释浆液的方式完成空区接顶。为保证空区充填质量要求，还应钻凿充填检测钻孔，检测充填后采空区是否充满，必要时还应进行补注，以实现采空区的完全充填。

治理钻孔布置见图3，其中Ⅰ、Ⅱ序孔为充填孔，孔间距20 m，Ⅰ序充填孔原则上按40 m间距布置，Ⅱ序充填孔位于两侧Ⅰ序孔中间，Ⅲ序检测孔位于Ⅰ、Ⅱ序充填孔中间。

图3 充填钻孔孔位布置

1.3 设计工程量

本工程主要包括采空区钻孔和充填灌浆两部分。设计钻孔28个，其中充填孔18个，检测孔10个，钻探工作量1635 m，采空区总充填工作量约35000 m3。

2 采空区钻孔

由于采空区水平分布不足2 m，地面充填钻孔能否直接揭露采空区顶板是关乎最终充填治理效果的决定性因素。为了查明采空区分布位置，前期由勘察设计单位进行了资料收集、物探探查和钻孔验证，布置的钻孔平面位置基本准确。施工过程中，如果钻孔向采空区顶底板两侧发生偏斜，将无法保证钻孔直达采空区顶板或者根本无法揭露采空区(见图4)。因此，如何采取有效的钻孔方法和技术措施保证钻孔的垂直度是治理工程的主要环节。

2.1 改进钻探机具

施工采用XY-150岩芯钻机，钻探能力可达150 m，成孔口径符合设计要求，但在项目开展前期，钻机普遍配备的是3 m长度的短钻具岩芯管且没有安装扶正器，造成钻孔开孔以后极易发生较大的偏斜。

针对上述情况，项目部要求钻机全部配置5 m长钻具并安装双层扶正器，通过后期测试，钻孔垂直度有了较大改善，其偏斜率降低到0.2%，能够满足设计要求。

图4 钻孔偏斜无法揭露采空区示意图

2.2 采用高精度测斜仪

由于钻孔垂直度要求高，施工过程中设计钻孔每钻进10 m即进行一次孔斜测量，为了准确获取钻孔轨迹，采用了JDT-6型高精度陀螺测斜仪。

该测斜仪采用半捷联式结构，利用陀螺的定轴性和进动性作为钻孔倾斜方位的定向基准，利用石英挠性重力加速度计和方位器，分别测量顶角和自转角，精度高并且具有抗磁性干扰性能。精度为：顶角误差不大于±3′，方位误差不大于1°，各项技术参数符合施工要求。

2.3 采取先进纠斜工艺

在钻孔跟踪测斜过程中，如果发现钻孔轨迹存在超偏趋势，继续钻进将无法满足设计要求时，必须及时采取纠斜措施。

钻孔纠斜采用公司专利技术—垂直钻孔陀螺偏心纠斜施工工艺及相关装置(见图5)。该装置可以精确定位纠偏方位，现场根据偏斜率要求可快速制作偏心楔，工艺操作简便，准确性高，有效解决了现有垂直钻孔纠斜技术中存在的精度低、效果差及操作复杂等问题。

图5 垂直钻孔陀螺偏心纠斜装置

通过上述装置和工艺的应用，现场钻孔一次性纠斜成功率达到70%，两次纠斜成功率达到90%以上，有效保证了充填孔按设计靶点揭露采空区顶板。

2.4 利用井下电视对空区进行探测

对于钻孔揭露的采空区，施工中采用井下电视探测技术查明采空区的冒落坍塌和顶板裂隙发育情况，以便制定有针对性的充填计划。该井下电视可以精确记录探头下放深度，对孔壁岩体裂隙及空洞发育情况适时记录，并以录像形式长期保存。

图6为钻孔揭露采空区顶板时的孔内图像，图7为采空区洞壁发育形态，该技术可以将地下隐伏且人体无法进入直接观察的采空区形态直观展现出来，为充填施工和治理效果检测提供重要依据。

图6 钻孔揭露采空区顶板图像

图7 采空区洞壁发育形态

3 采空区充填

为了降低工程造价，实现因地制宜、绿色环保的施工理念，本项目设计采用矿山选矿产生的废弃尾矿砂作为主要材料，同时辅以水泥、水配置成为膏状浆液。通过建立搅拌站、铺设输浆管路，利用充填泵通过充填孔将膏状浆液泵送至采空区内，形成具有一定强度的结石体，防止采空区坍塌和地面变形。

3.1 工艺流程

本项目采取的充填工艺流程见图8。

3.2 浆液配比

设计采用尾矿砂-水泥膏状浆液，为了保证充填质量，要求浆液既具有良好坍落度和一定的流动性，便于充填采空区中不同大小的空洞，又要具有较高的结石率和一定强度(设计结石体28 d抗压强度不低于2 MPa)。

为了使浆液满足上述性能，充填施工前即针对进场材料进行了配合比试验，最终筛选出的浆液配比见表1。

图8 充填施工工艺流程

表1 充填浆液配比

使用部位重量比(水泥∶尾砂∶水)质量浓度/%28d抗压强度/MPa塌落度/mm坍塌冒落带1∶7∶1．42854．5250大空洞部位1∶7∶1．28864．6225充填接顶1∶6∶7502．3/

3.3 充填接顶技术措施

采空区治理的最终效果是要求浆液结石体完全充满空区内部空间，关键环节是充填即将结束时浆液能否接触采空区顶板而不留空隙，施工中采取的主要技术措施如下：

(1) 不同充填时段采用不同性能的浆液配比，充填即将接顶时变换质量浓度较低、流动性较好的浆液；

(2) 采取加压充填措施，当充填钻孔孔口压力大于1 MPa，流量小于70 L/min时，仍然需要维持20 min以上方可结束充填；

(3) 利用Ⅲ序检测孔和井下电视系统对充填效果进行检查评价，如果揭露相邻充填孔之间仍存在未充满的空隙，需要再次进行充填补强。

4 采空区冒落堆填体处理

施工过程中通过钻孔揭露和井下电视探测，发现约有三分之一的采空区已经产生大范围的冒落坍塌，除采空区上部存在较大空洞以外，下部全部为围岩冒落后的块石堆填体，由于空隙狭小，现有的膏状浆液无法有效扩散胶结，针对上述情况，采取的主要处理工艺如下：

(1) 首先利用Ⅰ、Ⅱ序充填孔对采空区上部空洞区进行膏状浆液的充填；

(2) 待充填浆液凝固以后，通过Ⅲ序钻孔对充填接顶情况进行探查，同时将钻孔加深穿过采空区下部堆填区直达采空区底板；

(3) 利用Ⅲ序孔灌注经过稀释的膏状浆液和纯水泥浆液，对采空区内的堆填体进行胶结，增强堆填体的完整性和强度，防止发生沉降变形。

堆填区处理措施见图9。

图9 堆填区胶结治理

5 结 论

(1) 针对本项目施工中的条带状采空区，综合采用了改进型组合钻具、高精度陀螺测斜仪、陀螺偏心纠斜施工工艺及井下电视探测技术，保证充填钻孔能够直达采空区顶板。

(2) 充填施工中，优化选取了尾砂-水泥膏状浆液配比，采取了多项技术措施，有效保证了充填接顶和冒落堆填体的胶结，保证了采空区最终治理效果。

(3) 本项目中采用的多项技术措施和取得的主要研究成果对于指导类似工程实践具有重要作用。

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何端华(1965-)，男，湖南新宁县人，工程师，主要从事矿山行业管理和安全监管工作，Email：13762858588@163.com。

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