马山采区第四系下浅埋民采空区探测及治理方案研究

2021-06-30刘海林肖益盖王雨波李鸿飞李鹏程

现代矿业 2021年5期

李宁刘海林，3 肖益盖王雨波李鸿飞刘帅，3 李鹏程

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司）

上世纪90年代，受矿业大环境影响，较多国有矿山企业纷纷破产关闭，导致民采泛滥。长期无序盗采乱采，打破了矿体赋存的原岩应力平衡状态，同时，缺乏技术上的指导，任意而为的民采行为造成了部分矿产永久损失，使国家自然资源蒙受了严重损失，遗留的大量采空区三维形态、空间位置不详，给后续安全生产和资源合理开发带来了极大困难和安全隐患。近年来，随着国家生态环境保护力度的不断加大和地质灾害预防工作的持续加强，开展民采空区探测、制定民采空区处置方案、消除民采空区引发地质灾害隐患已成为监管部门和矿山主体企业不得不面对的难题，国内外专家和学者在这方面开展了较深入的研究：宋卫东等［1］利用空区精密探测系统查明了石人沟铁矿井下采空区群分布特征，数值分析了采空区群的稳定性；王德胜等［2］在废弃巷道内通过钻凿钻孔摸清了首云矿浅埋特大采空区三维形态，提出了采用毫秒微差爆破技术形成泄压天窗处置遗留采空区方案；程久龙等［3］结合具体工程实例系统介绍了探地雷达在查明地表浅部采空区的应用原理和技术方法；王丹等［4］综合运用物探、钻探与CMS法对民采空区进行了勘察，准确掌握了民采空区的赋存形态和规模；戴前伟等［5］选取瞬变电磁及EH-4 2种方法验证了在钼矿采空区探测应用的准确性；张西良等［6］提出采用“采空区顶板崩落+边坡削坡”的综合治理方案消除民采空区安全隐患；师永海等［7］采用地表钻孔注浆方式充填凤凰山铁矿井下废弃采空区，然后在地表覆土复绿，有效改善了治理区周边生态环境；谢其全等［8］依靠留设人工点柱、废石充填和崩落上覆围岩来处理工作面顶部民采空区；王海军等［9】通过预留隔离矿柱、开展民采空区围岩体监测等技术手段降低采矿生产影响。

本项目以凤阳县金鹏矿业中家山铅锌金银矿马山采区为研究背景，综合运用瞬变电磁和地表钻孔探测等技术手段开展马山采区浅埋民采空区勘察，依据探查到的民采空区三维形态和空间分布，分析与井下生产相互影响，进行民采空区处置方案设计，为矿山消除地质灾害和安全隐患提供指导。

1 矿床开采技术条件及现状

1.1 矿床开采技术条件

中家山铅锌金银矿床是受北北东和北西西向两组构造挤压破碎带控制的脉状半隐伏铅锌为主、伴生金银的构造蚀变岩型矿床，马山矿段由4条近似平行的含矿构造蚀变带组成，即Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ号矿体，地表出露构造蚀变带走向长1 100 m，宽6～8 m。矿体走向近东西，倾向北北东，倾角80°～88°，局部近直立或反倾；矿体厚度0.17～7.75 m，平均真厚度1.71 m；矿体埋深0～425 m，控制最大延深466 m，矿体赋存标高为-385～+46.5 m；矿石平均地质品位Pb3.35%、Zn4.17%、Au2.08 g/t、Ag51.48 g/t；矿体由含铅锌金银矿构造角砾岩、碎裂岩、碎裂变粒岩组成，属于连续性好、厚度稳定狭长型矿体。矿体顶、底板围岩主要为变粒岩、黑云母微斜长片麻岩，受到构造活动影响，近矿围岩多属破碎。矿体上部为厚度0～20 m的第四系表土层和坡积物覆盖，第四系之下为广泛分布于矿区内太古界五河杂岩组，其岩性主要为黑云母微斜长片麻岩、变粒岩，另含有少量方解石、绿帘石、黄铁矿。

1.2 矿山现状

中家山铅锌金银矿始建于1985年，为地下生产矿山，1996年矿山停产关闭，2006年由凤阳县金鹏矿业收购整合，成为采选联合企业，全矿设计生产能力15万t/a，马山采区生产能力6万t/a，目前，矿山已进入生产末期，服务年限不足5 a。

马山采区范围内有9座非法民采井，形成于1998—2003年，2008年矿山重组后全部取缔民采并进行了回填治理。根据矿山掌握前期资料和生产过程中揭露情况，民采井筒及民采空区具有如下分布特征。①所有民采井筒均为独眼井，民采空区长度有限，空区基本分布在井筒周边；②民采空区竖直范围分布在-60～+10 m水平，水平范围分布在29#～34#勘探线，走向长度266 m；③井筒位置及民采空区位置分布无规律性，随矿体形态起伏而变化；④民采空区形成时间较长，距离地表较近，受井下爆破回采影响，无法排除部分采空区是否发生了冒落，周边围岩处于复杂的应力状态；⑤-60 m中段巷道掘进揭露了一处民采空区，空区完整性差，多被冒落矿岩体松散充填；⑥民采空区对应地表为林地和一般农田，无重要建（构）筑物。部分治理后民采井筒见图1，民采井筒参数见表1。

采空区分布特征一般与矿体的分布特征具有一致性。根据矿岩赋存地质特征和民采井位置可推测出民采空区分布在31#～38#勘探线，采空区在深部分布上具有差异性，不同民采空区宽度随矿体厚度和采矿方法不同而异。受马山矿段主要矿体控制，民采空区走向一般为110°，倾角70°～90°，采空区顶、底板围岩主要为变粒岩。

2 民采空区探测分析

2.1 瞬变电磁法空区探测

本次物探使用CUGTEM-GK型瞬变电磁仪，瞬变电磁法勘探装置类型采用重叠回线组合装置，布设边长3 m的激发和接收正方形线圈，激发线圈3匝，接收线圈16匝。供电脉宽10 ms，采样率16µs。每个测点至少采用15次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的可靠性。为保证探测区域完全覆盖民采空区，获取最佳的地电信号，采取垂直矿体走向布置瞬变电磁勘探线，并扩至两端部民采井筒外50 m，勘探线间距20～80 m。本次探测区域内共布置14条测线，测线自西向东编号从A到N，勘探线总长度1 120 m，剖面点距10 m，形成网格密度（20～80）m（线距）×10 m（点距），共设计测点126个，勘探线位置及测点分布见图2。

将外业观测原始数据存储至计算机，首先对原始数据进行逐点检查，验证其有效性并进行误差统计，之后进行滤波处理，以达到压制干扰、突出有效信号的目的，最后用专业数据处理软件进行分析，绘制各测线视电阻率剖面图。通过对各视电阻率剖面图进行资料解释，推测民采空区分布见图3。由图3可知，本次利用瞬变电磁仪共探测5个民采空区，民采空区分布在29#～34#勘探线，除CK3空区外其余基本位于0 m水平以上，距离地表最近的是CK5民采空区，距离地表最深是CK3民采空区，各民采空区参数见表2。

2.2 定向钻孔探测分析

定向钻孔作为最直接、最简单、最准确的采空区探测技术手段，广泛应用于地下矿山，但由于钻孔探测造价高、周期长，使得其只有在资金充足和孔位精度要求高的情况下才使用。

本次钻孔设计应结合地表物探和前期地质详查成果，综合考虑地表现状与环境、矿岩构造条件、矿体赋存形态、钻机凿岩能力、民采井分布情况。设计从地表钻凿定向孔用于探测民采空区，钻孔直径为110 mm，孔内安装ϕ95 mm×6 mm的双金属耐磨钢管，套管下至基岩面以下5 m，定向钻孔布置坚持如下原则。①钻孔间距不得大于8 m；②现场实地测量放点，孔位偏差不超过0.1 m；③钻孔每15 m测斜一次，每百米孔斜不应超过2°；④优先选择布置在较为确定的采空区顶板上方，以便于施工垂直钻孔；⑤结合前期物探成果和地质勘察等资料综合确定。根据上述布孔原则，针对民采空区探测共布置定向钻孔22个，钻孔总进尺1 458 m，定向钻孔位置分布见图3，相关定向钻孔参数见表3。

由表3结合图3可知，本次共有9个定向钻孔探测到了空区，占钻孔总个数的40.9%，钻孔进尺利用率40.3%。9个定向钻孔较为集中分布在3处区域，推测3号和4号钻孔探测到的为同一空区，即CK2空区，8号、9号和10号钻孔探测到的为同一空区，即CK3空区，14号、15号、16号和17号探测到的为同一空区，即CK5空区。定向钻孔探测与物探民采空区数量未能一致。分析认为，导致这一差异的主要原因有2方面：第一，由于民采空区存在时间较长，规模又较小，距离地表较近，上覆岩层较薄，受井下采矿扰动和时间效应影响，部分原民采空区已被冒落废石和第四系坡积松散体充填压实；第二，原部分民采井未进行采矿活动，而在民采井治理时未将井底积水全部排出，在充填治理后积水向周边破碎围岩内渗入，加上浅部地层富水特性好，形成了局部富水区域对物探结果产生了一定影响。

3 民采空区治理方案

3.1 民采空区治理方案选择

常用的民采空区处理方法有如下4类。

（1）崩落顶板和上、下盘围岩法处理采空区。前者是放顶崩落围岩至地表，彻底消除采空区；后者是崩落部分围岩充填采空区，保证足够厚度的矿岩垫层，将采空区与下部生产区隔离，使之形成缓冲岩石垫层，以控制矿山地压，转移和缓和应力集中，防止围岩大面积突然塌落产生的岩石冲击、地震波和气浪（又称空气冲击波）对生产区作业人员和设施的危害。

（2）注浆充填法处理采空区。用碎石、尾砂、水砂、混凝土等充填料充填采空区，控制地压活动。充填法处理采空区适用范围广，可以较好地保护地表和矿区生态环境。

（3）留永久矿柱（采场中规则或不规则间柱、顶柱、底柱等）支撑采空区顶板及两盘围岩，并封闭采空区，或者在采空区内浇筑人工点柱。

（4）隔离和封堵采空区方法。利用封堵墙将采空区进行封堵，将工作区域和采空区进行隔离，待顶板自然崩落。

马山采区地处丘陵地区，地表为村民农田和矿山工业场地，随着国家及地方对环保问题的重视，矿山地表不允许出现塌陷，结合马山采区下一步生产计划，采空区不进行治理会对安全开采构成隐患。综合考虑以上几点因素，马山采区井下采空区设计选用尾砂胶结充填法进行治理。

3.2 民采空区治理方案设计

综合考虑瞬变电磁探测和钻孔探测结果，确定需要治理的空区有3处，分别为CK2、CK3和CK5空区，设计采用尾砂胶结充填治理，充填原料为矿山尾砂和外购胶固粉，充填配比1:8，料浆浓度72%，要求充填体强度不低于1 MPa。在利用9个民采空区探矿钻孔作为充填钻孔的基础上，再分别在CK2、CK3、CK5空区沿走向两端各布置定向钻孔作为验证钻孔，验证钻孔与距离其最近的充填钻孔间距8 m，若验证钻孔探测到空区，则将验证钻孔作为充填钻孔并外推8 m继续施工验证钻孔，直至验证钻孔布置在围岩中为止。

料浆制备系统利用矿山现有成套充填设备即TD5C-500型矿井充填站，充填工艺包括备料、制浆、输送和充填。所需尾砂需由汽车从尾矿库运输到充填站尾砂堆料场，再采用装载设备铲装至尾砂储料仓，料仓内尾砂通过给料机和拉力传感器电子秤定量输送到混合拌料机内。与此同时，安装在充填系统一侧的粉料仓通过螺旋输送机和电子秤定量将胶固材料输送至混合拌料机中与尾砂混合，通过搅拌桶的强力搅拌形成性质稳定、浓度均匀的充填料浆。充填料浆通过柱塞加压泵后由地表充填管道经充填钻孔输送至井下民采空区。为保障充填质量，相邻2个充填钻孔中的1个钻孔充填时，要保证另外1个钻孔与大气相通作为排气孔。为有效提高接顶质量，可在每个钻孔充填期间施加1～3 MPa充填压力，当出现返浆时，代表充填结束。