某鉛鋅礦重疊交錯(cuò)復(fù)雜遺留采空區(qū)治理

劉 靜 ，孟中華 ，鄒 平 ，李愛兵

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410012)

新疆千鑫礦業(yè)有限公司可克塔勒鉛鋅礦于2007年對新疆富蘊(yùn)縣原可克塔勒富桂鉛鋅礦實(shí)施資源整合后而來。由于之前礦山的雜亂無序不規(guī)范開采，致使礦床被凌亂的無序分割開采，有 10余條斜井通往3～7線附近863 m標(biāo)高以上各中段進(jìn)行開采，在井下形成了大量不規(guī)則的殘柱和多個(gè)大小不等、高低不一的未經(jīng)處理的采空區(qū)。采礦坑道及用于接力提升的小斜井縱橫交錯(cuò)布置在采空區(qū)及其附近，且由于采礦資料的嚴(yán)重缺失，采空區(qū)狀態(tài)不明，致使礦山今后開采的安全隱患極大。為了安全合理開采863 m標(biāo)高以下的珍貴礦產(chǎn)資源，千鑫礦業(yè)決定對可克塔勒鉛鋅礦863 m標(biāo)高以上原采空區(qū)進(jìn)行探查和治理。

1 采空區(qū)現(xiàn)狀

1.1 采空區(qū)掃描及測量

為了詳細(xì)了解原采空區(qū)數(shù)量、大小、形態(tài)及其周邊工程布置情況，千鑫礦業(yè)和科研機(jī)構(gòu)合作，對原采空區(qū)進(jìn)行了普查，并應(yīng)用三維激光掃描設(shè)備對采空區(qū)進(jìn)行了掃描和測量。

1.2 采空區(qū)分布

根據(jù)采空區(qū)普查結(jié)果，可克塔勒鉛鋅礦礦界范圍內(nèi)標(biāo)高在+863.2 m～+1207.5 m間3～7線范圍內(nèi)的采空區(qū)共有 50個(gè)，其所在高程為：864，900，938，954，985，992，1008，1039，1080，1123，1163 m。可克塔勒鉛鋅礦采空區(qū)分布如圖1所示。

1.3 采空區(qū)規(guī)模

在863 m標(biāo)高之上存在的50個(gè)采空區(qū)大體分布在13個(gè)水平，采空區(qū)總體積達(dá)50.15×104m3。其中，單個(gè)采空區(qū)的高度從2.2～80.0 m不等，空區(qū)的斷續(xù)高度為 344.3 m，單個(gè)采空區(qū)最大的體積為7.8×104m3，位于1號井，最小的體積為148 m3，位于7號井，而1號井、5號井的采空區(qū)體積最大，達(dá)（12.86～14.25）×104m3，其它幾個(gè)井的采空區(qū)體積為幾萬方不等，單個(gè)空區(qū)最大水平面積達(dá)1949 m2，位于8號井。采空區(qū)之間多為重疊，相互交錯(cuò)，部分連同為一體。

圖1 采空區(qū)三維掃描立體分布

2 采空區(qū)隱患及其表現(xiàn)形式

2.1 礦山采空區(qū)的安全隱患

地下采空區(qū)尤其是缺乏技術(shù)資料的礦山企業(yè)，其具有強(qiáng)隱伏性、空間分布特征規(guī)律性差、生產(chǎn)安全影響大，頂板冒落與塌陷等地壓活動難以預(yù)測等特點(diǎn)。因此可克塔勒鉛鋅礦863 m以上原采空區(qū)存在如下安全隱患：

（1）大規(guī)模空區(qū)或空區(qū)群，有發(fā)生沖擊地壓的可能性，嚴(yán)重危害井下生產(chǎn)作業(yè)安全；

（2）破壞了井下開采安全環(huán)境，導(dǎo)致部分區(qū)域礦體難以開采，造成礦石資源浪費(fèi)；

（3）破壞區(qū)域圍巖穩(wěn)定性，致使井下工程頂板冒頂類事故增多，增大頂板安全管理難度；

（4）破壞了原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，致使巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布，時(shí)常導(dǎo)致礦柱失穩(wěn)破壞；

（5）提高了支護(hù)成本和井下工程維護(hù)成本，降低了礦山經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 采空區(qū)隱患表現(xiàn)形式

地下采空區(qū)災(zāi)害的主要表現(xiàn)形式有冒頂、片幫、沖擊地壓、突水、巖爆、地面塌陷、地面沉降、地面開裂等，以及由其導(dǎo)致的地面滑坡、泥石流和地表植被破壞等。

3 采空區(qū)隱患治理實(shí)施方案

3.1 采空區(qū)穩(wěn)定性分析與治理原則

根據(jù)可克塔勒鉛鋅礦空區(qū)普查結(jié)果，依照空區(qū)規(guī)模、形態(tài)和位置進(jìn)行了數(shù)字建模，通過專用軟件對空區(qū)及其周邊圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析。對各空區(qū)的危險(xiǎn)危害程度進(jìn)行了分類，并依此確定了空區(qū)治理的順序和原則：

（1）根據(jù)采空區(qū)的空間位置特點(diǎn)，將其分為較獨(dú)立的采空區(qū)和集中的空區(qū)群兩類，其中較獨(dú)立的單個(gè)采空區(qū)進(jìn)行單獨(dú)處理，相對集中的采空區(qū)劃為空區(qū)群進(jìn)行統(tǒng)一處理；

（2）依照穩(wěn)定性分析結(jié)果，優(yōu)先治理危險(xiǎn)危害性大的采空區(qū)；

（3）評估采空區(qū)對于今后仍需繼續(xù)使用的生產(chǎn)和運(yùn)輸系統(tǒng)的影響，對影響較大的采空區(qū)優(yōu)先進(jìn)行治理；

（4）盡量減少采空區(qū)治理時(shí)對目前生產(chǎn)的影響；

（5）治理方案技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、安全可靠、便于現(xiàn)場操作；

（6）充分利用地形地貌和現(xiàn)有的井巷工程，減少治理工程量，縮短治理時(shí)間。

3.2 采空區(qū)治理方案

根據(jù)該鉛鋅礦采空區(qū)現(xiàn)狀和現(xiàn)場實(shí)際情況，完全采用充填和崩落處理采空區(qū)都存在一定的困難，因此主要采用封閉和分區(qū)隔離的方式，并輔助一些其他加固措施治理采空區(qū)，必要的情況下采用充填治理。

（1）巷道隔離形式。為防止采空區(qū)頂板圍巖崩落產(chǎn)生的沖擊氣浪危害，在礦區(qū)、采區(qū)之間和采空區(qū)與生產(chǎn)系統(tǒng)之間構(gòu)筑隔離帶。隔離墻主要有巷道隔離墻、齒狀阻波墻及留有人行通道的巷道阻波墻（見圖1～圖2）。按2.0的安全系數(shù)經(jīng)計(jì)算隔離墻采用錨桿插入式鋼筋混凝土墻時(shí)擋墻厚度 1.5～1.6 m即可滿足50 m空區(qū)高度冒落產(chǎn)生的沖擊波，為了空區(qū)治理施工的方便性和統(tǒng)一性，將擋墻厚度全部統(tǒng)一為2 m。

圖2 巷道隔離墻

圖3 齒狀阻波墻

（2）采空區(qū)隔離。采空區(qū)隔離的形式主要有鋼筋混凝土+廢石和廢石充填隔離兩種。當(dāng)?shù)V山主要生產(chǎn)和運(yùn)輸系統(tǒng)經(jīng)過采空區(qū)，而無條件避開時(shí)，采用鋼筋混凝土+廢石充填隔離采空區(qū)，混凝土構(gòu)筑假巷以保證生產(chǎn)系統(tǒng)的安全；廢石充填隔離采空區(qū)主要集中在礦區(qū)或采區(qū)之間，當(dāng)?shù)V區(qū)或采區(qū)之間的邊界相距較近，空區(qū)橫跨兩邊時(shí)，為形成礦區(qū)或采區(qū)之間的隔離帶，不得不對此類采空區(qū)進(jìn)行廢石充填以形成隔離帶，隔離帶采空區(qū)的充填一般需盡可能接頂，空頂高度不大于2 m，形成的隔離帶寬度不小于20 m。

（3）廢石充填。根據(jù)各采區(qū)井下掘進(jìn)產(chǎn)生的廢石量，對目前生產(chǎn)系統(tǒng)周邊、危險(xiǎn)性大的采空區(qū)進(jìn)行一部分充填，在采空區(qū)底部形成緩沖墊層。決定緩沖層厚度的主要因素有：空區(qū)高度（巖塊墜落高度）、冒落與緩沖層的巖石塊度、冒落層厚度、冒落面積與空區(qū)水平截面積之比值。通常按經(jīng)驗(yàn)選取緩沖層的厚度，對于高度大于100 m的空場，不小于20 m。不同空區(qū)緩沖墊層厚度計(jì)算結(jié)果如表1所示。

（4）增設(shè)人工礦柱。采空區(qū)隔離的形式主要有鋼筋混凝土+廢石和廢石充填隔離兩種。人工礦柱需通過面積承載理論計(jì)算確定礦柱所承受的載荷，然后根據(jù)載荷和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2010）確定人工礦柱的參數(shù)。

表1 不同高度空區(qū)緩沖墊層厚度計(jì)算結(jié)果

3.3 采空區(qū)治理設(shè)計(jì)

根據(jù)可克塔勒鉛鋅礦實(shí)際情況，針對其8個(gè)井口的空區(qū)治理分別設(shè)計(jì)了密閉墻、充填井、人工礦柱、人工假巷，須進(jìn)行空區(qū)充填和隔離的進(jìn)行了廢石充填量和崩落圍巖量的計(jì)算和設(shè)計(jì)。其采空區(qū)治理工程量匯總?cè)绫?所示。

表2 可克塔勒鉛鋅礦采空區(qū)治理工程量匯總

4 結(jié) 論

（1）原采空區(qū)存在沖擊地壓、易發(fā)生頂板事故和礦柱破壞的安全隱患，經(jīng)空區(qū)普查和綜合分析可知，可克塔勒鉛鋅礦采空區(qū)具備治理?xiàng)l件；

（2）該礦的采空區(qū)治理符合國家相關(guān)政策；

（3）確定的空區(qū)治理方式安全可行，治理方案科學(xué)合理，治理效果能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；

（4）該礦原采空區(qū)治理后為863 m標(biāo)高以上部分殘礦和礦柱的回采重構(gòu)了開采環(huán)境，可最大限度回采貴重資源，同時(shí)也可為863 m標(biāo)高以下礦體的開采創(chuàng)造更加安全的生產(chǎn)條件。