中等型采空区治理技术方案研究*

李佳盛,颜红迪,李宇星

(湖南黄金洞矿业有限责任公司,湖南 岳阳市 414500)

0 引言

代县国弘铁矿位于山西省代县东南的新高乡赵家湾西南1.3 km 处,行政区划隶属代县新高乡。矿体厚度为6～15 m,平均倾角为70°,连续性较好,区内地层岩性单一,岩体结构以整体块状、层状结构为主。岩石强度较高,矿层和顶底板岩石的稳固性较好,确定本矿区属工程地质条件简单的矿床,矿山设计采用无底柱阶段崩落法开采。该矿山已经形成了2个回采中段,其中1605 m 中段已经回采结束,正在回采1580 m 中段。目前该矿山地下采空区还剩余有3个未进行治理,分别为1580 m 中段1#、2#、3#采空区,3 个空区距离地表(山体)只有40～60 m,具体采空区位置如图1所示。

1 采空区周边岩体力学参数及质量评价

为查明空区周边的岩体工程地质条件和围岩稳定性情况,采用SIROVISION 设备进行了工程地质调查[[1-3],并进行岩石物理力学性质试验,而后根据Hoek,Carranza-Torres(2002)提出的岩体破坏经验准则[4],得出岩体的力学参数,结果见表1。

表1 岩体力学参数

采用单一综合指标RQD 和多个指标复合分级方法——Q 系统治理评价方法,对矿区范围内出露的斜长角闪岩、石英型磁铁矿、石英岩进行了岩体质量分级,所得结果如下。

(1) 斜长角闪岩:岩体质量为中至较好。

(2) 石英型磁铁矿:岩体质量为良至好。

(3) 石英岩:岩体质量为中至较好。

2 采空区现场调查

目前遗留有3个采空区未进行有效治理,由于井下空区是在2020年开采形成的,内部情况不明,只能采用扫描的方式进行内部调查。采用三维激光扫描仪进行空区数据的采集[5],该仪器具有测量速度快、数据完整性好、数据拼接方便等优点。选用3DReshaper点云处理软件完成数据内业处理工作[6],并输出相关图件。采用非接触式三维激光扫描仪,可快速、安全、高效、全面地采集空区空间数据,建立空区三维模型,依据现有井巷工程实测数据建立工程模型[7],综合分析空区情况,为矿山采空区治理、矿山安全管理提供基础数据。现场调查情况如图2和图3所示。

图2 空区位置

图3 3个空区具体扫描轮廓

此次三维激光测量充分掌握了已测空区的分布及空间情况,该空区数据可与矿体模型和矿山CAD 图纸相结合,分析该区域空区基本情况[8],为下一步空区治理提供依据。目前3个采空区的具体情况见表2。

表2 3个采空区现状尺寸

3 空区稳定性分析及分级

在前期岩体质量及稳定性分析、现场三维轮廓调查的基础上,采用3D Mine、Rhino3D 软件联合建立了国宏矿业矿区及空区三维实体模型[9]。利用有限差分计算软件FLAC3D 进行模拟计算[10],对矿区范围内1#、2#、3#采空区周边应力、位移及塑性区分布情况进行求解,对采空区稳定性情况进行进一步分析。本部分研究通过采空区稳定性理论分析方法,对目前矿山存留的1#、2#和3#采空区的稳定性进行了分析与分级,并采用三维数值模拟分析对采空区稳定性情况进行了计算,得到结论如下。

(1) 根据目前采空区尺寸及形态,以MATHEWS稳定图法划定结果为基础,当以采空区顶板暴露面积作为采空区稳定性分级标准时,1#、2#、3#采空区的安全级别分别为I(安全)、II(较安全)、II(较安全)[11]。

(2) 使用Q 系统岩体分级结果作为依据,当以采空区最大无支护跨度作为划定采空区稳定性分级标准时,1#、2#、3#采空区的安全级别分别为I(安全)、Ⅲ(较不安全)、Ⅲ(较不安全)[12]。

(3) 根据三维数值模拟计算结果,从采空区周边围岩应力分布状态可以看出,采空区顶、底板通常受拉应力作用,采空区侧帮及各角点受压应力作用显著,从应力大小及分布复杂情况来看,采空区稳定性状态:1#采空区优于2#采空区,2#采空区优于3#采空区。从采空区开采完成后采场周边位移情况来看,采空区主要存在顶板下沉和底鼓现象,从采空区周边围岩变形程度来看,1#采空区小于2#采空区,2#采空区小于3#采空区。从采空区周边塑性区分布情况变化的角度来看,在采空区周边围岩应力平衡过程中,各采空区周边围岩都曾出现过塑性破坏,在达到应力平衡状态后,采空区周边塑形单元分布1#采空区少于2#采空区,2#采空区少于3#采空区。因此,当以数值模拟结果作为判定采空区稳定性依据时,1#、2#、3#采空区的安全级别分别为I(安全)、II(较安全)、Ⅲ(较不安全)[13]。

综上所述,可以判定1#采空区目前安全等级为Ⅰ级(安全),2#采空区目前安全等级为Ⅱ级(较安全),3#采空区目前安全等级为Ⅲ级(较不安全),有必要对3#采空区进行有针对性的专项治理。

4 采空区治理方案研究

采空区目前治理的方法主要是封堵、充填、崩落和联合处理。根据国弘铁矿的空区现状调查和稳定性分析结果,综合考虑其空区的处理方案为联合处理方案。采用充填法(干式废石或湿式尾砂)和崩落法治理采空区的联合方案[14]。

(1)3#采空区具体治理方案。对于3#采空区,将采用崩落围岩放顶的方式进行治理,前期现场调查的3#采空区尺寸为51 m(长)×25.3 m(宽)×(8.9～22.0)m(高),空区面积为1046.6 m2,体积为12 817.4 m3,该处采空区底板标高为1577 m,地表平均标高为1640 m。利用现有采空区为自由面,采用中深孔侧向爆破,使得现有空区达到极限暴露面积后,顶板实现自然崩落,顶板自然崩落后填实3#采空区。崩落治理方案如图4 所示。崩落范围依据现有3#采空区的分布状况,考虑既要确保崩落至顶板跨度的极限位置,又要确保崩落的围岩量可以满足缓冲垫层的安全需要。通过考虑两种因素的要求,计算得出3#采空区治理工程需要崩落的范围为699.4 m2,崩落后总空区面积达到1746 m2,崩落围岩量为9058 m3,届时崩落层厚度将达到5.8 m,加上原有残留的废石即可达到6.8 m。崩落辅助工程布置需要增加一个凿岩爆破巷道,利用现有的设备进行凿岩,设计凿岩巷道围绕在1580 m 中段的3#采空区周边。在东侧和北侧各布置一条凿岩巷道,巷道规格设计为4 m×4 m,确保能够满足现有设备的凿岩需要,总长度为104 m,总工程量为1664 m3。此次爆破共设计炮孔90个,总施工炮孔长度为1200 m,总装药量为6.7 t,需要电子雷管180发,该工程共计需要38 d。计算的缓冲层厚度为6.36 m,实际崩落后的岩层缓冲层的厚度可达6.8 m,缓冲层厚度能满足安全要求。

图4 采空区治理方案

(2)2#采空区具体治理方案。2#采空区属于此次治理的第二采空区,稳定性状况为较稳定,内有部分积水,积水深度为0.3 m,且已有部分废石填充。经计算,必须要求在采空区底部充填4.6 m 厚的废石,即可满足安全要求。废石充填量为2783 m3,废石来源主要是3#采空区治理凿岩巷道施工过程中产生的废石[15]。

(3)1#采空区具体治理方案。1#采空区属于此次治理的最小采空区,稳定性状况为稳定,内有少量积水,且有部分废石充填。根据计算公式,计算的缓冲层厚度为3.5 m,依据此计算结果,设计要求在采空区底部充填3.5 m 厚的废石,废石充填量为353.5 m3。废石来源主要为3#采空区治理凿岩巷道施工过程中产生的废石[15]。

5 结论

(1) 通过三维激光扫描仪进行空区数据的扫描和采集,得出:1#采空区内部有碎石,空区体积为474.8 m3;2#采空区体积为5962.4 m3;3#采空区体积为12 817.4 m3。

(2) 计算分析得出1#采空区目前安全等级为Ⅰ级(安全),2#采空区目前安全等级为Ⅱ级(较安全),3#采空区目前安全等级为Ⅲ级(较不安全),有必要对3#采空区进行针对性的专项治理。

(3) 依据空区的稳定性和分级结果,综合考虑目前空区治理的主要方法,分别对1#、2#采空区采用一定厚度的废石进行充填处理,3#空区采用崩落侧向围岩处理。

(4) 通过对采空区采用充填和崩落的处理方式,较好地诱导崩落3#采空区至地表,利用3#采空区治理凿岩巷道废石充填了1#、2#采空区,消除了空区存在带来的安全隐患。