某礦山采空區及廢棄豎井治理方案研究

劉雄，代碧波

（1.浙江有色地質環境研究院，浙江 紹興 312000；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

某地下礦始采于九十年代初，一直為村民小規模隨意開采，主要為邊探邊采，未進行整體設計，坑口多次易主，布設多個豎井，開采較為凌亂，未形成統一的中段。后由某礦產資源開發公司獲得該礦采礦權進行開采，開采方式為淺孔留礦法，開采標高+167～+50m。經過幾十年的開采，地表形成了34個豎井，井下形成多個采空區。為了防止片幫、冒頂、采空區塌陷和老隆突水等影響安全的事故發生，需要盡快對廢棄豎井及采空區進行處理。

1 采空區調查

由于礦山開采歷史較早，且早期開采無正規設計，企業工程技術人員缺乏，開采資料保存較少，采空區調查采用大量的訪問及地面豎井井口坐標測量，并挑選比較典型的采空區進行井下實際測量，將測量結果與技術人員提供的資料及訪問資料進行對比，作為采空區治理的基本依據。

從礦山提供的礦區井上井下對照圖可知，共分布有11個采空區和34個豎井，具體情況見表1和表2。

表1 采空區狀況表

2 礦巖穩固性分級

礦巖穩固性分級是評價采空區穩定性、確定工程加固系統和措施的基礎工作，而采用統一的工程巖體分級標準，有利于工程之間類比和經驗交流。本文根據國家相關標準對礦區礦巖穩固性進行分級，進而指導采空區穩定性分析[1]。

2.1 礦（巖）體節理裂隙調查

在井下選取比較具有代表性且便利的地方進行節理裂隙調查[2]。本次調查采用詳細線測量的方法，選擇比較典型的剖面線5條，總長50.9m，共測得節理產狀64條，調查結果見表3和圖1～圖4。

表2 豎井狀況表

表3 節理裂隙調查統計結果

2.2 巖石物理力學性質指標

在現場采樣的基礎上進行室內巖石力學試驗[3-6]，試驗結果見表4。

表4 巖石試驗結果匯總表

2.3 工程巖體質量分級

巖體質量分級采用國家標準—工程巖體分級標準（GB50218－2014），分級結果如下[7-8]：礦區內輝石粗安巖、構造角礫巖屬于較堅硬巖、較完整巖體；礦體上下盤構造角礫巖為Ⅲ級，輝石粗安巖為Ⅱ級。

3 采空區穩定性分析

采用經驗類比法對采空區穩定性進行分析，因頂板暴露跨度是表征采空區是否穩定的重要尺度，當采空區跨度大于某一值時，頂板巖體可能發生片幫冒落。當跨度值一定時，圍巖穩定與否由巖體的穩固性所決定，即采空區的穩定性由跨度和巖體質量級別共同決定[9]。

圖1 輝石粗安巖不連續面極點分布圖

圖2 輝石粗安巖不連續面等密度圖

圖3 構造角礫巖不連續面極點分布圖

圖4 構造角礫巖不連續面等密度圖

與一些重要的地下巖土工程相比，礦山采空區的穩定性要求相對較低。根據地表設施情況，有時不需要長期穩定，也容許發生小規模的冒落。并且，在不穩定性概率方面也是不同的。重要的巖土工程只要發生小規模的、少量的冒落，即認為是不穩定的，而采空區只有當其發生持續不斷的大規模冒落時才認為是不穩定的。因此，判斷采空區是否穩定或確定采空區的穩定跨度時，可將巖體的質量級別適當提高。

根據巖土工程基本質量分級，本礦區采空區礦體上下盤構造角礫巖為Ⅲ級。由地下工程巖體自穩能力表可判斷采空區跨度以20m為界，即跨度大于20m時頂板可能會冒落，小于20m時頂板除局部可能因構造影響產生冒落外，整體上是穩定的。根據采空區實際調查的結果，采空區跨度均大于20m，因而其采空區存在冒落和垮塌的可能性，需要進行治理。

4 采空區及豎井治理方案

目前，礦山采空區及廢棄豎井的處理方法主要有充填法、崩落法、預留礦柱法、隔離法和聯合法等[10-11]。總體上來說，采空區處理的目的是通過改善圍巖中應力分布狀態來控制地壓，從而減少巖體變形量和移動量，達到消除空區隱患的目的[12-13]。

4.1 采空區的治理方法和措施

對暴露面積小于200m2的CK3、CK7、CK8采空區用崩落圍巖的方式釋放地壓和充填空區；對暴露面積大于 200m2的 CK1、CK2、CK4、CK5、CK6、CK9、CK10、CK11采空區（見表1）進行廢石充填處理。根據采空區調查，需充填采空區體積共72994m3，按充填90%計算則回填用料量為65694.6m3，主要采用廢石或地表碎石土。

充填治理的主要流程為：通過豎井在各采空區頂板向上10m標高處打平巷（2×2m）至采空區頂部，然后向采空區打充填井（1.5×1.5m）。同時，為了充分利用自重，充填井的傾角一般大于或等于65°。在充填之前先封閉處理擬充填區域（各通道的出口均用廢石封堵）。準備工作就緒后，充填料（包括井巷施工時的廢石）通過地表原有的運輸系統運至充填井所在巷道，然后由充填井充填空區。充填時要注意一定要將重點部位采空區充實，注意充填接頂、防止地表塌陷和移動，確保礦山生產安全。

4.2 廢棄豎井的處理

礦山目前留有豎井34個，其中初步設計利用原有豎井2個（2#主井和SJ21）、未施工豎井1個（SJ14）、已回填豎井9個，需回填封閉豎井22個（見表2）。回填方式是采用廢石、塊石回填至井口下5m處，向上采用粘性土夯實回填或采用混凝土回填至地表，需回填土石方量6032m3。按充填90%計算，則回填用料量為5688m3，主要采用廢石或地表碎石土。

4.3 采空區監測

在采空區巖移界線之外，共設計了8個監測點，以便及時了解采空區巖移變化情況，掌握采空區充填的效果。若發現異常，及時分析及時處理。

5 結論

（1）對采空區進行調查，明確了礦區采空區位置、面積、空間分布、充水情況等基礎數據，為采空區治理方案的確定提供基礎。

（2）通過礦（巖）體節理裂隙調查和室內巖石物理力學試驗對礦（巖）體進行工程巖體質量分級，結果表明：礦區內輝石粗安巖、構造角礫巖屬于較堅硬巖、較完整巖體。礦體上下盤構造角礫巖為Ⅲ級，輝石粗安巖為Ⅱ級。

（3）采空區跨度以20m為界，小于20m時頂板除局部可能因構造影響產生冒落外，整體上是穩定的，而跨度大于20m時頂板存在冒落和垮塌的可能性，需要進行治理。

（4）本次采空區治理共需處理空區和廢棄豎井各72994m3和6032m3。對暴露面積小于200m2的空區用崩落圍巖的方式釋放地壓和充填空區；對暴露面積大于200m2的空區進行廢石充填處理，主要采用廢石或地表碎石土進行充填，既節約了部分運輸提升和廢石堆積費用，也避免了廢石堆積所造成的環境污染。