采空區(qū)失穩(wěn)導(dǎo)致的地表塌陷處置措施研究

黃和平 侯克鵬

(云南亞融礦業(yè)科技有限公司)

紅河縣阿扒鉛鋅礦所屬礦區(qū)Ⅴ-1礦體401采空區(qū)在礦體回采結(jié)束后沒(méi)有及時(shí)處理，采空區(qū)上部圍巖逐漸冒落，最終導(dǎo)致地表發(fā)生陷落，面積約600 m2，需要對(duì)該陷落區(qū)域進(jìn)行回填處理，并圈定移動(dòng)范圍對(duì)該區(qū)域安全監(jiān)測(cè)。同時(shí)要對(duì)全礦范圍內(nèi)其他類似采空區(qū)提前采取處理措施，防止地表再次發(fā)生陷落。因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展相應(yīng)的處置措施研究工作，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

紅河縣阿扒鉛鋅礦采用平硐開(kāi)拓，已建成1 420,1 465 m 2個(gè)中段。礦體賦存于斷殘裂帶中，為急傾斜脈狀薄礦體，平均厚3～5 m，傾角為65°～70°。根據(jù)礦體的開(kāi)采技術(shù)條件，設(shè)計(jì)采用淺孔留礦法，輔以全面法開(kāi)采。采場(chǎng)長(zhǎng)50 m，寬為礦體厚度，中段高40 m。礦山生產(chǎn)區(qū)內(nèi)生產(chǎn)V-1礦體，在1 465 m中段布置了401，402，403采場(chǎng)，在1420中段布置了202，203采場(chǎng)。

2 巖體力學(xué)參數(shù)

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和巖石力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)阿扒鉛鋅礦巖體進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)，該礦巖體屬于差巖體。采用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)該礦宏觀巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究[1]，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

3 地表移動(dòng)范圍

根據(jù)礦方提供的平、剖面圖建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型[2],見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算模型

礦山生產(chǎn)礦體主要為V-1礦體，最低開(kāi)采標(biāo)高為1 410 m，基于實(shí)際情況，本次計(jì)算方案：第一步，模型原始平衡階段，該步驟無(wú)任何開(kāi)挖充填過(guò)程，施加自重力，在整個(gè)模型中形成自重應(yīng)力場(chǎng)，為后續(xù)開(kāi)挖及分析奠定基礎(chǔ)；第二步，開(kāi)采至現(xiàn)狀；第三步，V-1 礦體(1 420 m以上)開(kāi)采結(jié)束。

模擬過(guò)程中，允許圍巖依照自身的力學(xué)機(jī)制發(fā)生一定的位移或破壞，1 420 m以上礦體隨著開(kāi)采進(jìn)行，A10剖面采空區(qū)上下盤圍巖應(yīng)力進(jìn)一步釋放，應(yīng)力釋放區(qū)域增大，上盤圍巖出現(xiàn)拉應(yīng)力，為0.24 MPa；V-1礦體繼續(xù)開(kāi)采，位移值持續(xù)增大，開(kāi)采結(jié)束后最大達(dá)14.2 m，塑性區(qū)面積繼續(xù)擴(kuò)大，塑性區(qū)主要位于礦體上盤，圍巖位移方向指向采空區(qū)。根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果(圖2)，圈定礦體開(kāi)采結(jié)束后的上盤圍巖移動(dòng)角，基于塑性區(qū)，礦體上盤移動(dòng)角為44°，基于位移，礦體上盤移動(dòng)角為54°，取二者平均值48°。

圖2 開(kāi)采結(jié)束移動(dòng)范圍

4 采空區(qū)處置措施

采空區(qū)處理的實(shí)質(zhì)是盡可能利用地壓的分布和轉(zhuǎn)移規(guī)律為采礦服務(wù)，根據(jù)礦山具體條件，將采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)的強(qiáng)度、出現(xiàn)的時(shí)間及規(guī)模控制在不危害生產(chǎn)安全的允許范圍內(nèi)。國(guó)內(nèi)外地下礦山采空區(qū)處理方法歸納起來(lái)主要有3種：崩落圍巖處理采空區(qū)、充填采空區(qū)、封閉或隔離采空區(qū)[3-5]。

阿扒鉛鋅礦礦體上部山體陡峭，如果采用崩落圍巖的方法處理采空區(qū)，勢(shì)必引起山體滑坡，造成重大安全隱患，該方案不可行。該礦尾礦采用干堆，為了降低對(duì)地表環(huán)境的影響，采用尾礦充填采空區(qū)為宜。結(jié)合礦山生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)際情況及地質(zhì)地形條件等因素，設(shè)計(jì)全尾砂管道泵送充填采空區(qū)方案。

4.1 充填材料

該礦山選礦廠已經(jīng)把排出的全尾砂濃縮、壓濾后形成全尾砂濾餅進(jìn)行干堆。設(shè)計(jì)采用汽車將壓濾后的全尾砂濾餅運(yùn)至設(shè)計(jì)充填站的尾砂堆場(chǎng),再經(jīng)全尾砂充填系統(tǒng)輸送至井下空區(qū)，選用32.5#普通硅酸鹽水泥作為膠凝劑。

4.2 充填配比

該礦山所用充填料為單一全尾砂，灰砂比應(yīng)使膠結(jié)充填體強(qiáng)度滿足《有色金屬礦山生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》中“膠結(jié)充填體的強(qiáng)度應(yīng)滿足充填體保持自立和在承受爆破震動(dòng)時(shí)不塌落的要求，通常不應(yīng)小于1 MPa，人工底柱膠結(jié)充填體的強(qiáng)度應(yīng)大于4 MPa”的規(guī)定[6]。根據(jù)其他類似礦山的經(jīng)驗(yàn)，充填體底部結(jié)構(gòu)采用的灰砂比一般為(1∶3)～(1∶4)，其他部位為(1∶8)～(1∶20)。綜合考慮充填體強(qiáng)度和充填成本因素，推薦阿扒鉛鋅礦充填系統(tǒng)全尾砂膠結(jié)充填配比參數(shù):

(1)地表陷落區(qū)充填灰砂比為1∶8，質(zhì)量濃度為66%～70%，經(jīng)充填配比試驗(yàn)得出，該配比下的試塊7 d齡期的抗壓強(qiáng)度不小于0.6 MPa，28 d齡期的抗壓強(qiáng)度不小于1.2 MPa。

(2)采空區(qū)充填灰砂比(1∶10)～(1∶12)，質(zhì)量濃度為66%～70%，經(jīng)充填配比試驗(yàn)，該配比下的試塊7 d齡期的抗壓強(qiáng)度不小于0.5 MPa，28 d齡期的抗壓強(qiáng)度不小于0.9 MPa。

4.3 充填物料平衡計(jì)算

根據(jù)礦山實(shí)際情況，充填能力確定為30 m3/h。充填制備站采用年工作330 d，每天1班，每班8 h工作制度，平均充填量為240 m3/d。

充填材料日需供應(yīng)量指充填材料來(lái)源地供應(yīng)給充填設(shè)施的每日平均量，計(jì)算公式為

Q1=K1K2Q0,

(1)

式中,K1為充填材料的原體積和初次沉縮后的體積之比，1.05～1.15，一般情況下干式、膠結(jié)充填取小值，水砂充填取大值,在此取1.1；K2為充填料的流失系數(shù)，水砂充填為1.05，膠結(jié)充填為1.02～1.05，在此取1.03；Q0為平均充填量，240 m3/d。

計(jì)算得出Q1=270 m3/d。

4.4 充填方案

該礦坑口標(biāo)高高于擬建充填站底邊標(biāo)高，周邊無(wú)高于坑口的較平坦地面可做充填站，需要設(shè)置水平傾斜上行輸送管道將充填料漿送至空區(qū)，充填站選址于尾礦干堆場(chǎng)旁空地。

地表塌陷區(qū)先采用灰砂比為1∶8充填料充填，充填體厚度達(dá)到3 m后，采用灰砂比為1∶10充填料充填，充填至地表后采用黏土回填，并恢復(fù)植被。

采場(chǎng)充填開(kāi)始之前，需要封堵通達(dá)各采場(chǎng)的巷道，避免充填料漿流入巷道，造成安全威脅。設(shè)計(jì)采用C30混凝土澆灌擋墻，封堵各密閉點(diǎn)，混凝土擋墻厚0.3 m，巷道兩壁打眼埋入φ28 mm螺紋鋼，埋入深度為50 cm，使用同型號(hào)螺紋鋼進(jìn)行焊接，搭接長(zhǎng)度為300 mm。澆灌前清理巷道底板，擋墻腳底低于巷道底板面不少于200 mm；澆灌擋墻時(shí)，預(yù)埋DN150 PVC排水管；管子排水口一端要低于另外一端，保證3°坡度，便于排水；每根排水管長(zhǎng)2 m，排水管表面按間距0.1 m均勻布置泄水孔，然后使用濾布包裹，以免料漿從管道外流。充填工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 充填工藝流程

4.5 管道輸送系統(tǒng)

地表充填站制成的符合要求的充填料漿通過(guò)泵壓輸送至井下各充填點(diǎn)。

坑內(nèi)充填距離最遠(yuǎn)采場(chǎng)為203采場(chǎng)，輸送距離為600 m，上向輸送15 m，輸送阻力損失按4.0 MPa/km計(jì)算，輸送阻力損失為2.4 MPa。地表陷落坑輸送距離為260 m，上向輸送100 m，輸送阻力損失按4.0 MPa/km計(jì)算，輸送阻力為1.04 MPa。

充填管道內(nèi)徑計(jì)算公式為

(2)

式中,Qh為充填系統(tǒng)小時(shí)充填能力，30 m3/h;V為充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作流速，2 m/h。

計(jì)算得出D1≥73 mm。

充填管道壁厚計(jì)算公式為

(3)

式中，P為管道所受最大壓強(qiáng)，管道壓力主要來(lái)自加泵壓和上向輸送的料漿自重力，取8 MPa；σ為鋼材抗拉許用應(yīng)力，無(wú)縫鋼管取100 MPa；K為磨損腐燭量，取2 mm。

計(jì)算得出δ=4.92 mm。

4.6 設(shè)備選型

根據(jù)以上計(jì)算,結(jié)合GB/T 17393—2008標(biāo)準(zhǔn)，充填管道選用內(nèi)徑121 mm、壁厚5 mm的普通無(wú)縫鋼管，理論質(zhì)量為15.78 kg/m，管道之間用快速接頭連接。根據(jù)輸送阻力及輸送能力，選用HBT60.13.90S 型混凝土泵1臺(tái)，最大理論輸送量為60 m3/h，最大泵送壓力為13 MPa。充填料制備選用1臺(tái)JS1000-3.8型混凝土攪拌機(jī)。

5 結(jié) 語(yǔ)

充填體能有效抑制圍巖及地表變形，結(jié)合阿扒鉛鋅礦實(shí)際生產(chǎn)情況，現(xiàn)狀采空區(qū)采用尾砂充填，局部采用廢石；1420 m中段以下礦體采礦方法變革為充填法；地表塌陷區(qū)域采用膠結(jié)尾砂、黏土回填處理。采用全尾砂充填采空區(qū)，充填材料主要為選礦廠尾砂，不僅有效解決地表陷落及采空區(qū)存在的安全隱患問(wèn)題，還解決了尾砂排放帶來(lái)的安全環(huán)保問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了礦山的綠色開(kāi)采。

[1] 姚 建.大寶山地下采空區(qū)穩(wěn)定性分析及處理技術(shù)[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2006.

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[3] 張曉君.影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素敏感性分析[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2006,26(1)：14-16.

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