多中段复杂大面积采空区综合治理方案研究

胡亚桥，韦章能，覃星朗，谢经鹏

(铜陵有色金属集团控股有限公司技术中心， 安徽 铜陵市 244000)

0 引言

在我国约有半数以上的金属非金属地下矿山在回收矿产资源的同时留下了大量的未处理采空区，且大多数矿山的采空区存在不同程度的安全隐患[1]。矿山开采破坏了岩体的原岩应力平衡，当维持采空区稳定性的矿柱在高应力作用下达到其临界状态时就会导致采空区失稳，一旦矿柱变形破坏诱发采空区大面积冒落，将会形成井下冲击气浪、地表塌陷等灾害事故，危及井下作业人员和设备，给矿山造成重大损失，严重影响安全生产。

天马山硫金矿业公司各中段采空区不仅会影响矿山生产和城市安全管理，也不利于采空区周边残留矿柱资源回收利用，为了贯彻落实国家“安全第一，预防为主，综合治理”的安全生产方针[2]，保证矿山开采过程中的安全生产，为矿山的正常生产创造一个安全的作业环境，矿山遗留空区的治理有十分重要的意义。

1 采空区赋存现状

天马山硫金矿业有限公司位于铜陵市东郊，与铜官山铜矿床及天鹅抱蛋山金矿床相连接。从1990年代开始，天马山矿业公司浅部矿体采用浅孔留矿法开采，在对开采后形成的采空区充填的过程中，由于原铜官山铜矿的铜系统实施闭坑而硫金矿选矿后尾砂量较少，不能满足大量充填的需求，砂源不足使得空区充填欠账逐年增大，其中位于+5m～−215m中段大小采空区共有160余个，容积超过100万m3[3]。

矿体主要分为南北两大区域，北部区域的空区数量多，并且采空区之间大多是相通的，但大部分空区之间只是局部采通或是通过巷道工程连通，大部分的单个空区的暴露面积和采空区的高度相对较小；南部空区数量较少，但采空区都是上、下或左、右大面积的连通形成一体，采空区的体积、暴露面积及高度都较大，甚至出现横跨3个中段相互连通的大面积采空区，赋存现状极其复杂。因此，为确保矿山安全生产，消除采空区安全隐患，天马山矿业公司采空区综合治理已迫在眉睫。

2 空区稳定性分析

2.1 地压监测分析

矿山主要采用多点位移计、光弹应力计、三维激光仪和钻孔应力计监测采空区及矿柱，另外，在复杂大面积采空区上方地表实施常规测量监测和GPS实施在线监测。多点位移计和应变计主要监测采空区周边岩体内部位移变化，钻孔应力计和光弹应力计重点监测采空区周边围岩次生应力变化。

监测结果表明：历史累计回采形成的空区，地表最大下沉位移为−0.73mm，位于 4 线附近，空区顶板+10m 最大位移值为−1.39mm，两者位移值都较小，地表整体平稳。弹应力、应力应变监测部分−55m中段矿柱、−95m中段矿柱监测点数据起伏变化相对较大，说明−55m中段、−95m中段矿柱附近区域围岩受井下采矿活动的影响，存在应力集中现象。建议及时对38A线垂直矿柱附近空区进行高强度胶结充填，同时逐步对遗留空区（老采空区）进行充填处理，彻底消除采空区安全隐患。

2.2 数值模拟分析

根据天马山矿业公司当前多中段、大规模采空区现状，采用三维数值模拟计算采空区各区域主应力、位移及塑性区情况，并且提取关键位置的特征量进行分析研究，评价当前状态下主要矿柱、采空区的稳定性。模拟结果见表1。

表1 天马矿采空区各区域主应力、位移及塑性区域

由表1可知，采空区区域最大主应力—压应力程度普遍不高，局部存在应力集中现象，最小主应力—拉应力在38A线12m宽垂直矿柱位置明显，总体上处于强度极限范围内。38A线12m宽垂直矿柱位移量变化稍大，其他矿柱位移变化较小。38A线12m宽垂直矿柱、−135m中段14m厚水平矿柱以拉伸破坏为主，塑性破坏率大于15%，局部区域破坏达到25%以上，因此亟需对其进行重点监测或采取地压控制措施；跨中段大面积采空区塑性区主要集中在上盘，且都以剪切破坏为主，结合特征剖面塑性区分布，极有可能发生局部垮落危险。

2.3 三维激光探测结果分析

采用空区三维激光探测(扫描)技术对采空区进行探测，形成三维模型，并分析采空区的形状，垮落以及空区体积的变化，检验空区的稳定性状况。探测结果见表2。

将探测的空区模型剖面与原爆破设计边界进行对比，发现天马山矿空区形状大致吻合，没有发生明显变化，探测显示天马山矿采空区目前仍处于相对稳定状态。但南部区域部分采场上下中段连通采场连成一体，空区体积变大，采场暴露面积过大，极易出现应力集中现象，对周围隔离矿柱和相邻采场的开采造成很大的安全隐患影响。

表2 天马矿主要采空区体积

3 采空区治理方案

3.1 治理方法的选择

国内外采空区综合治理的主要方法有“崩、充、支、封、疏、垫”等[4−5]。由于天马山矿位于铜陵市市区东侧，为了保障附近居民的生活，结合天马山矿的开采现状，提出了几种治理方案（见表3）。

天马山矿南部采空区都是上、下或左、右大面积连通形成一体，采空区的体积、暴露面积及高度都较大，甚至出现横跨3个中段相互连通的大面积采空区，且在38A线垂直矿柱和水平矿柱出现较大的应力集中现象，周围空区暴露面积较大，空区体积较大，存在较大的风险，胶结充填对矿山的安全生产有重大意义；北部空区数量众多，胶结充填成本较高，但采场高度较小，空区较为稳定，适合微胶充填；天马山矿深部资源量较少、矿石品位较低，矿山开采期限有限。方案三能最大程度降低充填成本，提高矿柱回收率，保证矿山的安全回采。综上所述，方案三较为合适。

天马山矿空区属于Ⅲ级危险源，即大多数采空区具有一般的危险性，少数采空区具有较低和较高风险性。因此，对于矿柱周围或风险性较高的采空区采用充填法治理比较合适，可满足地表不允许陷落的要求，较低风险等级的采空区采用封闭隔离方式进行处理，这类空区体积小、暴露面积不大，且相对独立，稳定性较好。

表3 天马矿空区群治理方案

3.2 充填具体方案

依据矿山采空区分布特点，结合优选的治理方法，采空区充填的总体思路（顺序）是：在−255m～−215m构建胶结充填体隔离层，与下部生产区域隔开，然后采取由下而上、从南至北的方式进行采空区治理。考虑到部分有价值、高品位矿柱回收问题，总体充填方案为：

（1）−215m～−135m中段之间38A线垂直矿柱以南采空区上下贯通，以北采空区顶板暴露面积大，涉及到−175m中段水平矿柱回采，因此均需进行胶结充填，为矿柱回采创造有利条件。

（2）−135m～−95m中段之间37线至40线采空区未充填，该区域涉及到−135m中段水平矿柱安全回采，实施胶结充填。

（3）−175m～−135m中段27线至37线采空区采用微胶结充填。

（4）−95m～+5m中段采空区多中段互相贯通，采场体积较小，赋存条件复杂，对多中段复杂大面积采空区实施区域尾砂微胶结充填；对部分体积较小，暴露面积较小，空区较为稳定的采场实施区域封闭。

4 结论

根据天马山开采现状、空区群现状，利用地压监测技术、数值模拟、空区探测技术对天马山空区群稳定性进行分析，根据天马山空区群现状，对不同的空区治理方案进行分析，选择合适的充填方法来解决空区群安全隐患，不仅能最大限度地降低矿山安全隐患，还能提高矿柱回采的安全性，为矿山创造更大的经济效益。