某铅锌矿重叠交错复杂遗留采空区治理

2019-11-13孟中华李爱兵

采矿技术 2019年5期

刘静，孟中华，邹平，李爱兵

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012；2.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙 410012；3.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南长沙 410012)

新疆千鑫矿业有限公司可克塔勒铅锌矿于2007年对新疆富蕴县原可克塔勒富桂铅锌矿实施资源整合后而来。由于之前矿山的杂乱无序不规范开采，致使矿床被凌乱的无序分割开采，有 10余条斜井通往3～7线附近863 m标高以上各中段进行开采，在井下形成了大量不规则的残柱和多个大小不等、高低不一的未经处理的采空区。采矿坑道及用于接力提升的小斜井纵横交错布置在采空区及其附近，且由于采矿资料的严重缺失，采空区状态不明，致使矿山今后开采的安全隐患极大。为了安全合理开采863 m标高以下的珍贵矿产资源，千鑫矿业决定对可克塔勒铅锌矿863 m标高以上原采空区进行探查和治理。

1 采空区现状

1.1 采空区扫描及测量

为了详细了解原采空区数量、大小、形态及其周边工程布置情况，千鑫矿业和科研机构合作，对原采空区进行了普查，并应用三维激光扫描设备对采空区进行了扫描和测量。

1.2 采空区分布

根据采空区普查结果，可克塔勒铅锌矿矿界范围内标高在+863.2 m～+1207.5 m间3～7线范围内的采空区共有 50个，其所在高程为：864，900，938，954，985，992，1008，1039，1080，1123，1163 m。可克塔勒铅锌矿采空区分布如图1所示。

1.3 采空区规模

在863 m标高之上存在的50个采空区大体分布在13个水平，采空区总体积达50.15×104m3。其中，单个采空区的高度从2.2～80.0 m不等，空区的断续高度为 344.3 m，单个采空区最大的体积为7.8×104m3，位于1号井，最小的体积为148 m3，位于7号井，而1号井、5号井的采空区体积最大，达（12.86～14.25）×104m3，其它几个井的采空区体积为几万方不等，单个空区最大水平面积达1949 m2，位于8号井。采空区之间多为重叠，相互交错，部分连同为一体。

图1 采空区三维扫描立体分布

2 采空区隐患及其表现形式

2.1 矿山采空区的安全隐患

地下采空区尤其是缺乏技术资料的矿山企业，其具有强隐伏性、空间分布特征规律性差、生产安全影响大，顶板冒落与塌陷等地压活动难以预测等特点。因此可克塔勒铅锌矿863 m以上原采空区存在如下安全隐患：

（1）大规模空区或空区群，有发生冲击地压的可能性，严重危害井下生产作业安全；

（2）破坏了井下开采安全环境，导致部分区域矿体难以开采，造成矿石资源浪费；

（3）破坏区域围岩稳定性，致使井下工程顶板冒顶类事故增多，增大顶板安全管理难度；

（4）破坏了原始应力平衡状态，致使岩体内应力重新分布，时常导致矿柱失稳破坏；

（5）提高了支护成本和井下工程维护成本，降低了矿山经济效益。

2.2 采空区隐患表现形式

地下采空区灾害的主要表现形式有冒顶、片帮、冲击地压、突水、岩爆、地面塌陷、地面沉降、地面开裂等，以及由其导致的地面滑坡、泥石流和地表植被破坏等。

3 采空区隐患治理实施方案

3.1 采空区稳定性分析与治理原则

根据可克塔勒铅锌矿空区普查结果，依照空区规模、形态和位置进行了数字建模，通过专用软件对空区及其周边围岩的稳定状态进行了计算分析。对各空区的危险危害程度进行了分类，并依此确定了空区治理的顺序和原则：

（1）根据采空区的空间位置特点，将其分为较独立的采空区和集中的空区群两类，其中较独立的单个采空区进行单独处理，相对集中的采空区划为空区群进行统一处理；

（2）依照稳定性分析结果，优先治理危险危害性大的采空区；

（3）评估采空区对于今后仍需继续使用的生产和运输系统的影响，对影响较大的采空区优先进行治理；

（4）尽量减少采空区治理时对目前生产的影响；

（5）治理方案技术上可行、经济上合理、安全可靠、便于现场操作；

（6）充分利用地形地貌和现有的井巷工程，减少治理工程量，缩短治理时间。

3.2 采空区治理方案

根据该铅锌矿采空区现状和现场实际情况，完全采用充填和崩落处理采空区都存在一定的困难，因此主要采用封闭和分区隔离的方式，并辅助一些其他加固措施治理采空区，必要的情况下采用充填治理。

（1）巷道隔离形式。为防止采空区顶板围岩崩落产生的冲击气浪危害，在矿区、采区之间和采空区与生产系统之间构筑隔离带。隔离墙主要有巷道隔离墙、齿状阻波墙及留有人行通道的巷道阻波墙（见图1～图2）。按2.0的安全系数经计算隔离墙采用锚杆插入式钢筋混凝土墙时挡墙厚度 1.5～1.6 m即可满足50 m空区高度冒落产生的冲击波，为了空区治理施工的方便性和统一性，将挡墙厚度全部统一为2 m。

图2 巷道隔离墙

图3 齿状阻波墙

（2）采空区隔离。采空区隔离的形式主要有钢筋混凝土+废石和废石充填隔离两种。当矿山主要生产和运输系统经过采空区，而无条件避开时，采用钢筋混凝土+废石充填隔离采空区，混凝土构筑假巷以保证生产系统的安全；废石充填隔离采空区主要集中在矿区或采区之间，当矿区或采区之间的边界相距较近，空区横跨两边时，为形成矿区或采区之间的隔离带，不得不对此类采空区进行废石充填以形成隔离带，隔离带采空区的充填一般需尽可能接顶，空顶高度不大于2 m，形成的隔离带宽度不小于20 m。

（3）废石充填。根据各采区井下掘进产生的废石量，对目前生产系统周边、危险性大的采空区进行一部分充填，在采空区底部形成缓冲垫层。决定缓冲层厚度的主要因素有：空区高度（岩块坠落高度）、冒落与缓冲层的岩石块度、冒落层厚度、冒落面积与空区水平截面积之比值。通常按经验选取缓冲层的厚度，对于高度大于100 m的空场，不小于20 m。不同空区缓冲垫层厚度计算结果如表1所示。

（4）增设人工矿柱。采空区隔离的形式主要有钢筋混凝土+废石和废石充填隔离两种。人工矿柱需通过面积承载理论计算确定矿柱所承受的载荷，然后根据载荷和《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）确定人工矿柱的参数。