近地表采空区处理及残矿开采技术研究与应用

2020-06-07董凯程

有色金属（矿山部分） 2020年3期

董凯程，陈何，崔松

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160； 2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628)

某铅锌矿矿体埋深较浅，最上部开采中段(1 005 m)距离地表约45 m。主要开采1#、9#矿体，945 m中段为生产中段。1 005 m中段的1#矿体采空区已经塌陷且与地表贯通，形成泄压通道，空区再次垮塌不会对井下生产产生较大影响；1 005 m中段的9#矿体存在2个大型的空区，空区中部预留隔离矿柱。空区顶板无通地表的泄压通道，如顶板出现大面积垮塌，势必对井下生产造成灾难性破坏。采空区中部及顶板预留部分矿柱未开采，导致矿山生产难以接续。因此，亟需解决9#矿体空区安全隐患的处置及生产衔接难题。

采空区及残矿分布类型较多，周围工程地质环境复杂，因此采空区处理及残矿开采问题一直是国内外普遍存在的采矿技术难题[1-3]。采空区及残矿开采一方面需要全面处置采空区安全隐患，同时回采采空区残矿资源，实现空区处置与残矿开采的协同开展。国内外关于采空区处理及残矿开采方法的研究较多[4-6]，针对矿山的具体开采条件制定相应的技术方案。开展针对性的采空区处理与残矿开采技术研究与工程应用，亦为其它类似开采技术条件的矿山提供参考。

1 采空区及残矿现状分析

9#矿体1005水平以上采用中深孔分段凿岩阶段出矿的空场法开采，沿矿体走向方向上划分为1901和1902两个大型采场，采场间预留24 m矿柱支撑采空区顶板，采空区顶板厚度约为6～10 m，如图1所示。其中1901采场顶板暴露面积为1 998.32 m2，1902采场顶板暴露面积为3 125.55 m2，矿柱残留矿量为10.66万t，矿体整体面积为5 880.08 m2。

图1 采空区现状平面图Fig.1 Goaf status plan

矿体西部靠近矿区木哈尔断裂带，该断层为矿区的成矿断层，断层厚度大，岩层极其不稳定。1005以上采场回采结束后，1901采场西部已经出现不同程度的垮塌。采空区虽然有矿柱支撑，但稳定性问题逐步显现，局部已出现跨落。同时，由于采空区尚未有效处理且压覆大量矿柱资源，采空区大面积垮落势必会影响矿山生产安全，造成矿山安全及生产接续困难，亟需对采空区进行有效处理，尽可能回采残矿资源。

2 空区顶板暴露面积分析

大面积采空区的稳定性直接关系到井下开采安全及采空区处理方案的选择，通过对顶板允许暴露面积着手，利用Mathews稳定性分析方法分析现有采空区顶板的稳定状况，研究得出现有采空区允许的初始崩落面积及最大暴露面积为空区处理方案提供支撑[7-8]。

Mathews稳定图方法在空场采矿法设计中的利用是1980年MATHEWS等人首次提出的，后来TRUEMAN等人基于大量矿山现场的实例，对Mathews稳定图进一步扩展，对稳定区、大破坏区等应用对数回归的方法重新进行了定义，可以使用平行直线划分对数坐标系各个不同的区带间，并将该方法扩展到崩落法开采的可崩性研究[7]。

根据Mathews稳定性指数的计算参数，按公式N=Q′×A×B×C以及稳定性指数与水力半径的相关关系图，可得出稳定性指数N和稳定状况下的容许水力半径HR[7-8]，计算结果见表1。其中，Q′为修正的NGI岩体质量指数，A为岩石应力系数，B为节理方位修正系数，C为重力调整系数。

表1 稳定性指数N和容许水力半径HR计算结果Table 1 Calculated results of stability index N and allowable hydraulic radius HR

注：HR1为稳定区的容许水力半径，HR2为无支护过渡区的容许水力半径。

采场上覆顶板稳定性是该方案顶板处理过程的一个重要指标。Mathews稳定性方法是在考虑采场上覆顶板及上盘围岩稳定性和矿岩力学性质、开采深度、裂隙发育及采场暴露面等因素的基础上对采场上覆顶板稳定性做出分析的。由水力半径计算公式可计算出回采采场的初始崩落参数，见表2。

表2 采场的稳定暴露面积和初始崩落面积计算

根据Mathews稳定性分析方法得出，该矿采场可能出现顶板崩落的初始崩落面积为900～2 100 m2。目前该矿1#矿体采空区已经塌陷，结合9#矿体采空区赋存情况，其允许的最大顶板暴露面积为2 100 m2左右，现有采空区稳定性欠佳。因此亟需对9#矿体采空区进行有效的处理，消除采空区突然垮塌造成的安全风险。

3 采空区处理及残矿回收方案

采空区处理及残矿回收方案的选择考虑的因素比较多，选择合理的技术方案能够有效减少采空区安全风险，充分回采残矿资源[8]。常用的采空区处理方式一般有封闭、崩落、充填及联合处理的方式。

3.1 总体处理方案

该矿9#矿体采空区范围比较大、距离地表较近，且顶板已经出现局部的垮落。采用封闭的方式不能实现采空区的有效处置，采用充填的方式能够有效解决采空区隐患，但残矿回收周期较长，回收成本较高。结合矿山现状及国内外常用的技术手段，采用崩落采空区顶板的方式处理该近地表大型采空区。崩落过程中利用1 005 m中段出矿底部堑沟，回收采空区中部矿柱的矿石资源，残矿回收结束后对采空区进行充填从而达到采空区处理与残矿开采协同进行的目的。

充分考虑到矿山现状及顶板稳定性状况，采取自上盘至下盘后退式崩落的方式。如图2所示，自矿柱上盘至下盘5次后退式爆破，第一次爆破首先使采空区爆破破顶与地表贯通形成泄压通道，并形成矿柱崩落自由面。通过依次爆破逐步形成采空区暴露顶板，从而使得采空区顶板逐步垮落。崩落矿柱的矿石落至1 005 m出矿堑沟，通过铲运机铲装运至地表。

图2 采空区处理方案Fig.2 Gob area treatment project

3.2 布孔及爆破方案

根据矿山稳定性分析数据，采空区顶板允许的暴露面积为2 100 m2，且采空区顶板已经出现不同程度垮落。总体采用后退式崩落采空区中部隔离矿柱，采空区顶板自然垮塌形成大范围采空区，消除采空区长时间悬顶突然垮塌造成的安全风险。

对于两侧均为采空区的矿柱崩落，采用中深孔及大直径深孔是比较常见的方式[9-10]。大直径深孔一般在地表采用潜孔钻机凿岩，采空区距离地表较近且采空区已经出现了部分垮塌，地表凿岩的安全风险较大。中深孔凿岩对设备的要求不高，且可以充分利用井下原有的凿岩巷道及工业设施，作业均位于井下，安全性较好，因此本方案考虑采用矿柱内布置中深孔爆破的方式。

利用矿山原有的1016、1027、1038三个凿岩水平，利用中深孔钻机施工上向扇形中深孔，如图3所示。其中1038水平为最上部凿岩水平，其炮孔穿透地表，以利于顶板的爆破破顶。

图3 矿柱炮孔设计三维模型Fig.3 Three dimensional model hole design of pillar

受矿山地理位置及凿岩设备的限制，采用YGZ90钻机施工，扇形孔的孔底距为2.2 m，排距1.6 m。拉槽区炮孔排面与矿柱垂直，利用矿柱两侧采空区作为自由面，侧向爆破形成拉槽区为正常排炮孔提供补偿空间。图4为矿柱炮孔设计横剖面图。

图4 矿柱炮孔设计横剖面图Fig.4 Three dimensional model hole design of pillar

矿柱爆破共分为七次，其中拉槽区爆破三次，正常排爆破四次。第一次爆破形成顶板破顶，后续随着矿柱逐次爆破，矿柱两侧采空区逐步垮塌，形成高端壁采空区。

矿柱及采空区顶板垮落矿石落入1 005 m中段堑沟出矿水平，通过铲运机铲至运矿卡车运至地表。由于地表覆盖层存在一定厚度的废石层，出矿过程中控制出矿品位，尽可能回收残矿资源。

3.3 采空区充填

由于该矿山1 005 m以下为正常开采区域，上部采空区处理及残矿回采结束后，须对1 005 m以上采空区进行有效的充填。一方面完全彻底消除顶板崩落后形成高端壁采空区的帮壁垮落风险，另一方面保障采空区下部中段采矿的安全，实现矿山生产的有效过渡衔接。

爆破出矿后形成的采空区高度约为45 m、长度约136 m、宽度约47 m、采空区体积约26.5万m3。按照国内外相关研究成果及生产实践，采取组合式充填强度设计，一方面在采空区底部形成高强度充填体假底，假底上部采用较低配比设计，减少充填成本[11-12]。

采空区均采用尾砂胶结充填，如图5所示。为了保障下部中段的正常开采，底部应采用高强度的尾砂胶结充填体，因此底部尾砂灰砂比为1∶4，充填的高度为10 m。中部及上部充填体强度需求较底部低，主要是进一步提高充填体整体稳定性，支撑采空区周边围岩稳定。中部尾砂灰砂比为1∶4，充填的高度为10 m。上部尾砂灰砂比为1∶4，充填的高度为25 m。采空区尾砂胶结充填总的水泥使用量为9.4%。