锡铁山铅锌矿采空区治理方案优选

高天宇 马 麟

（1.西部矿业股份有限公司锡铁山分公司；2.大冶有色设计研究院有限公司）

我国矿山重特大安全事故时有发生，采空区灾害是主要诱因之一。采空区灾害的主要有片帮、冒顶、突水、地震、岩爆、冲击地压、地面塌陷、地面沉降、地裂缝以及由其导致的滑坡、泥石流、地表植被破坏等多种形式［1-3］。采空区破坏了矿山开采技术条件，对矿山安全生产构成严重威胁，造成环境恶化、矿产资源严重浪费、经济损失巨大，已经成为制约矿山发展的一个重要难题［4］。随着矿山向深部开采，地压增大使采空区更容易发生事故，若不及时治理，就有可能导致大面积地压活动，造成矿山重特大事故。据统计，到2016年，我国金属非金属矿山采空区体积已超过12.8亿m3。据不完全统计，我国因采矿引起的地表塌陷面积达1 150 km2，发生采矿塌陷灾害的矿业城市有30多个，每年因采矿地面塌陷造成的损失达4亿元以上。锡铁山铅锌矿采空区数量多，总体积规模大，单个采空区的体积规模较大，采空区之间相互贯通的情况较多，空间关系复杂，为了安全开采深部矿体，必须加以治理。

1 采空区现状

锡铁山铅锌矿采矿方法为留矿采矿法和分段空场法，2种采矿方法设计的采出矿石比例为2∶8，采用留矿采矿法开采过程中，顶板稳定性差，安全性得不到保障，矿山目前仅有2个采场采用留矿法进行开采，其余采用分段空场法开采。

矿山在采矿过程中，在矿山沟设置了2个永久保安矿柱，矿山沟以东至无名沟地段的矿体都进行了“三柱”回收以及围岩崩落工作，该地段采空区已与地表塌透贯通，大量崩落围岩进入采空区，并在3 002 m中段形成了大于30 m的岩石缓冲层。2 702~3 002 m地段开采的Ⅱ、Ⅲ号矿体厚度大于5 m则采用分段空场采矿法回采，并进行了“三柱”回收工作，在三柱回采爆破的同时，采取了崩落围岩形成采空区缓冲层的方式治理空区。通过3Dmine软件建立铅锌矿采空区立体可视化模型如图1所示，通过统计，矿山形成的采空区体积总量超过900万m³，并且随着矿山采矿向深部延续，采空区体积规模将按每年约40万m³的速度进一步增大。通过现场调查发现，部分相邻采场在顶、底和间柱开采后，采空区连成一片，且一些独立、偏远的盲矿体形成的采空区也未及时处理，从安全角度分析，长期存在未治理的大面积和数量众多的采空区已成为矿山的一个重大安全隐患，并在一定程度上严重威胁着矿山的生产安全。图1为锡铁山铅锌矿采空区立体模型及地表复合图。

通过在矿山调研可知，由于矿山已开采多年，3 062 m中段以上的3 142、3 222、3 282 m中段人员已经不能进入，经过和矿上人员进行交流分析，预计已经发生较大规模的冒落；现场调查主要针对3 062 m中段及其以下中段。由调研得到已开采中段采空区现状见表1。

2 采空区治理方案选择

2.1 采空区治理技术

采空区治理是空场法开采后必须解决的一个重要问题。影响采空区治理方法的主要因素有采空区的大小、形态，矿岩特性，充填物料的来源和质量，矿柱的合理回收情况，建筑物、构筑物能否拆迁，河流能否改道、池塘能否填平，山崩、滑坡、泥石流对矿区的影响等。

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根据目前国内外矿山所采用的采空区治理方法，主要包括充填治理采空区、崩落围岩治理采空区、留永久矿柱支撑采空区、隔离与疏导采空区和联合法治理采空区5类，前4类是最基本的采空区治理方法，联合法是采用上述4种方法联合治理采空区［5］。由表2可以看出不同治理方法都有其适应的适用条件，在不同条件下各有利弊。

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2.2 采空区治理方案优选

针对锡铁山铅锌矿采空区的治理，具体分析如下。

（1）该铅锌矿矿石品位高，采用留永久矿柱支撑的方法，将造成矿山资源量大幅损失，显然不经济；随着开采深度的增加，小尺寸矿柱难以保障生产安全，矿柱尺寸势必增大，将造成更大的经济损失；当采空区积累到一定程度时，局部矿柱的应力集中达到极限，矿柱的崩塌只是时间问题，不能从根本上消除采空区的安全隐患。

（2）采用充填法治理采空区被认为是目前治理采空区效果最佳的方法，但是其成本往往也是最高的，工艺也最复杂。根据采空区统计，8、9、10这3个中段的采空区总量在137万m³。通过充填成本测算，灰砂比1∶15的料浆，当浓度70%~72%，7 d充填体强度≥0.3MPa，可用于治理采空区，充填成本为91.16元/m³，则治理成本达到1.25亿元，按30%治理计算，也要3 746万元，治理成本高，而且短期内就要投入，研究认为不是最佳的方案。

（3）应用封闭隔离法的主要目的是控制采空区冒落时的影响范围，而不以阻止采空区顶板位移为目标，应用封闭隔离法治理采空区的矿山比较多，通常与其他治理方法结合使用，这是一种经济、简便的采空区治理方法。

目前，矿山2 822 m中段以上矿体已全部回采完毕，矿块在矿房回采后，已完成了“三柱”的回采工作。据矿方统计，3 002 m以上采空区垫层厚度均达到30 m，由现场调查，2 822 m以上采空区基本冒落，与上部采空区冒通，预计形成了至少20 m厚度的缓冲垫层。

矿山现采取的围岩自然崩落或强制崩落的方法治理采空区，未发生大的采空区安全事故，证明采取崩落法治理采空区的办法是合理有效的。和充填治理采空区的方法比较，崩落矿岩治理采空区较为简单易行，成本较低，投资少，采空区如能及时治理，并达到要求的崩落范围和厚度，可以缓解岩层应力集中，保证井下生产区的安全。国内外的大量实例也证明这种治理方法是安全可靠、技术可行、经济合理和见效最快的一种治理措施。

因此通过采空区治理方案优选，认为锡铁山铅锌矿采空区治理宜采取封闭隔离和崩落围岩形成缓冲垫层的方法，即隔离采空区与生产区，悬挂安全警示标志，开展安全检查相结合的方法；对一定规模以上并对生产有安全影响的采空区，应采取实时监测监控措施，在有大冒落预兆时及时撤除人员、设备及设施。

针对不同类型的采空区具体治理方案如下。

（1）对相对较为独立和远离生产作业区的采空区，采用围岩自然冒落，在通道口构筑格栅隔离，在区域内矿块回采结束后，在主要巷道构筑隔离墙治理采空区，悬挂警示标志，定期开展安全检查。

（2）对同一中段连通和靠近生产作业区域的较小规模采空区，采用密闭墙封闭，悬挂警示标志，定期开展安全检查的方法治理。

（3）对于同一矿带上，且上、下中段采场采空区直接或间接连成一片形成的大规模采空区，采用密闭墙封闭，并在通道口悬挂安全警示标志，定期开展安全检查，实时监控空区状态，在有大冒落预兆时及时撤除人员，悬挂安全警示标志，定期开展安全检查。

3 结论

（1）为了安全开采锡铁山铅锌矿深部矿体，消除采空区数量多，规模大，空间关系复杂的问题，采用3DMine软件建立铅锌矿采空区立体可视化模型，掌握采空区的三维形态，统计出该铅锌矿采空区体积总量已超过900万m³。

（2）通过对采空区进行现场调查与分析，统计分析矿山已开采中段采空区现状，从安全可靠、经济效益、治理周期等方面对不同的采空区治理方案进行比选，研究得出该铅锌矿治理采空区适合封闭隔离和崩落围岩形成缓冲垫层的方案，该方案简单易行、经济合理和见效快，能为类似矿山采空区治理提供参考依据。