袁家村鐵礦采空區處理生產實踐

王高峰

(太鋼袁家村鐵礦，山西省 嵐縣 033599)

0 引言

采空區對露天礦安全生產的影響主要是圍巖形變惡化導致的。采空區的存在打破了礦體周圍巖體中初始應力平衡，在采空區圍巖巖體中形成二次應力場。隨著礦山開采活動的不斷進行，應力場在時間效應、水化作用和外力震動等因素影響下多次重新分布，導致圍巖抗剪強度降低，一旦超過圍巖抗剪強度極限，巖體就會出現變形破壞。采空區所導致的片幫、冒頂、突水、巖爆、沖擊地壓、礦震、地面塌陷、地裂縫以及由此誘發的滑坡、泥石流、地表植被破壞等多種形式的災害在不斷增多，采空區已成為礦山安全的重要隱患。資料顯示，在全國20個省、區內，共發生大規模采空區災害180處以上，累計塌陷面積超過70萬公頃，造成的經濟損失已經超過500億元。

1 礦區地質概況及采空區現狀

袁家村鐵礦露天開采境界內的礦體的上部部分塊段，2000年前后有數十家民營企業進行開采，這些小礦山大多是開采礦體中的富礦和原生礦，開采富礦是沿礦體走向方向開采，開采原生礦是沿深度方向下掘。由于這些小礦山普遍存在水平方向和垂直方向的越界開采，往往是幾個礦山同時在同一位置、不同深度多階段掠奪性開采，在井下無序開采的同時，地表露頭礦隨處亂挖，采富棄貧，不僅嚴重破壞了資源，還形成了很多規模大小不等的采空區以及廢舊坑道，這些境界內的采空區和廢舊坑道在生產過程中必須事先處理，否則將成為露天開采過程中的生產安全隱患。

2 采空區處理技術思路

針對袁家村鐵礦采空區特征，與國內多家物探和研究機構進行了技術交流，確定采空區處理流程如下：

采空區探查→采空區穩定性分析及開采安全及處理技術的研究→采空區處理設計及施工→采空區處理后驗證和監測預報。

1)探測：采用物探、鉆探和三維激光空腔掃描技術，對采空區位置及形態進行詳細探測，并獲得采空區的三維坐標圖像。先進行小區域物探試驗、鉆探驗證，取得適宜的物探方法，在此基礎上轉入正式探查。初查：約3.08 km2；詳查：標高為1 550 m以上約1.91 km2；鉆探及三維掃描儀驗證：精確定位采空區位置及空間尺寸，為采空區穩定性研究和處理提供第一手資料。

2)穩定性分析、安全開采及處理技術的研究：針對露天開采安全的要求，在前期探查的基礎上，建立不同空區的頂板穩定模型，提出相應的處理方法與措施。開展采空區穩定性分析和露天開采安全技術研究，取得不同區域、不同部位的安全頂板厚度等安全技術參數及處理方法。

3)處理設計及施工：依據研究成果，對不同的采空區分別進行處理設計及制定施工方案，目前常用的方法有強制崩落圍巖法和充填法。采空區處理范圍為近兩年的1 650 m以上生產區域，初步考慮由采礦外包單位實施，以確保采礦生產安全。

4)處理后驗證：對處理后的采空區進行計算和鉆孔驗證，確認后人員、設備方可進入生產現場。采空區處理后除對爆堆進行體積計算驗證外，還應依據不同規則的采空區分別在邊部進行鉆探和三維空腔掃描儀驗證。

5)監測預報技術：應用專用檢測手段對采空區進行實時監測，如有異常，及時預報，超前防范。

3 采空區處理有效措施

3.1 采空區頂板穩定性研究

委托研究部門根據礦區采空區工程地質及形狀大小、保安層需承擔的最大載荷為頂板的自身重力和露天采礦過程同時在采空區頂部作業的設備荷載和生產爆破的影響，研究采空區對露天開采的影響，采用不同分析方法結合，通過數據對比找到安全可靠且經濟合理的厚跨關系。

1)頂板為單種巖性：采空區保安層厚度與采空區跨度關系見表1。

表1 采空區保安層厚度與采空區跨度關系表

2)采空區頂板巖層為多種巖層組合。在確定采空區保安層厚度時，可根據巖層組合特征和推薦的各種巖性預留保安層厚度進行換算，例：采空區跨度b=20 m，組合頂板為15 m，分別為2#氧化礦5 m，磁鐵礦5 m，灰巖5 m，則組合頂板可支撐的采空區最大跨度為：

b總=b2#氧化礦+b磁鐵礦+b灰巖=7.46 m+6.3 m+7.35 m=21.11 m

采空區頂板可保持穩定。

3.2 采空區探測

3.2.1 采空區安全探測分類

探測清楚采空區、廢舊坑道形狀及空間位置是處理好采空區、廢舊坑道的前提和關鍵。通過物探、鉆探試驗，袁家村鐵礦采空區勘查確立了鉆探為主，物探及人工調查為輔的綜合勘查手段，見圖1。

圖1 采空區安全探測分類圖

3.2.2 物探

采空區探測方法借助物探探測手段，輔以原開采礦山實測資料和人工走訪調查信息，有針對性地在異常區進行鉆探，判定是否確實存在空區。目前物探技術能探測深度的范圍是500～600 m，但是隨著深度的增加，誤差會逐漸增大。在地面以下200 m范圍內，空區深度物探探測結果的誤差為±2 m，水平跨度探測結果為±3 m。實際施工過程表明物探成果還存在一定的多解性，需要通過長期的經驗數據的積累來進行解釋和確定，物探成果應用生產仍需要大量試驗參數修正和精度驗證。袁家村鐵礦主要采用高密度電阻率法采空區物探。

高密度電阻率法采空區物探：高密度電阻率法測線間距一般約為5 m，高密度電阻率工作采用電極距3 m，選用溫納、偶極裝置進行探測，有效測深50 m，最大探測深度60 m。采用鉆進式電極布置方式，鉆進深度約10 cm。針對存在探測盲區的技術瓶頸，采用交叉布線、重疊布線的布線方式，減小盲區，增大物探有效范圍和地震CT法探測。

采用物探方法進行先導性區域性多層性的線面探測，與鉆孔定點探測相結合，實現探測區域空區的零遺漏，消除采空區對生產采區的危害與安全隱患。

3.2.3 鉆探

鉆探是采空區探測最為可靠、現實的手段。袁家村鐵礦采空區所采取的礦位100 m×50 m的超前鉆探(孔深100 m左右)和15 m×15 m的中孔區域超深鉆探(孔深約50 m)參數較為合理，基本可滿足安全生產的需要。袁家村鐵礦采空區超深孔布置的方案和原則：

1)勘探設計中，遇到富礦體時，設計的超深孔的中心部位要在富礦體上。

2)按照礦體產狀，為了避免采空區的遺漏，當深度為45 m和60 m時，布孔時由“每下兩個臺階布置一次超深鉆”改為“每下一個臺階布置一次超深鉆”，最上面的兩個臺階布孔時可加密，鉆孔深度不必打60 m。

3)富礦區除外，如5～10 m的厚度小的部分貧礦，可以不布置超深孔。

4)大于60 m的礦體，在鏡鐵礦區域沒必要增加鉆孔，只是重點考慮富礦體；但在1#、10#礦體上鉆孔要加密。

5)有巖石夾層時，如果礦體厚度小于10 m，可不考慮布孔；如果礦體厚度大于10 m，巖石和礦體分開考慮，在礦位上布孔。

6)巖芯鉆探時，設計超深孔沿勘探線走向時，先按100 m×100 m的網度設計超前巖芯鉆，當無法確保不遺漏大型采空區時，再按50 m×50 m的網度加密。

7)專項勘探時，先用三維掃描儀掃描得出空區的走向和高度，然后根據實際情況，將空區處理和生產勘探結合起來。

8)編制超深孔勘探設計時，要對設計范圍內的每一個礦塊分別進行單體設計，單獨驗收，形成獨立的報告，制定出設計、過程管理、驗收規范。

9)對于超深孔探測設計，根據礦體厚度、類型和性質細化布孔網度。

3.3 采空區處理

3.3.1 采空區處理時機

采空區處理時機的確定要根據空間、時間制約因素來進行綜合分析。

空間因素：對已探明的采空區，考慮采空區所在位置與生產作業臺階推進之間的相互關系，進行綜合分析，做到采空區的處理不影響生產作業臺階的正常推進。時間因素：采空區爆破處理與臺階爆破同時進行，考慮臺階推進進度，做好采空區爆破處理前期工作，一般超前于臺階爆破兩個星期組織采空區的穿孔工作；采空區爆破處理超前于臺階爆破，采空區具備爆破處理條件的，選擇合適的起爆方式爆破。

3.3.2 采空區處理方案

目前用于采空區處理的方法主要為充填法和崩落法。袁家村鐵礦近期需處理的采空區均在設計境界內，如采用充填法進行處理，理論上可行，但存在二次裝運的問題，經濟上不合理。因此，目前袁家村鐵礦采空區處理采用崩落法。

1)單層采空區的處理方案。單層采空區分為兩種，未發生過垮塌的采空區和經過崩落但未完全填滿的采空區。

(1)單層采空區采用深孔爆破強制崩落法進行處理，采空區頂板所有鉆孔均要求穿透頂板，吊孔、裝藥，爆破后采空區頂板充填采空區。袁家村鐵礦目前處理大部分空區為單層采空區，如1755-1-空3、1755-1-空6、1725-1-空9、1725-1-空10等。

單層采空區強制崩落法典型施工方法如圖2所示，強制崩落A區對B區進行充填。如果強制崩落區的體積大于采空區體積，則待爆堆穩定后裝運；強制崩落區的體積小于采空區體積，則在下個水平裝運。

圖2 單層未垮塌采空區強制崩落處理

(2)單層崩落空區處理方案。該類采空區對露天生產安全影響相對較小，但如未完全塌實，同樣會影響露天臺階的生產安全。為解決在已垮塌采空區上方作業中存在的安全問題，可遵循由兩側向采空區推進的原則進行作業，具體回采方案見圖3。

圖3 單層塌落采空區處理方案

施工順序為：回采C區巖體；C區回采完畢后，回采D區巖體；D區回采完畢后，回采B、A區。

(3)多層重疊采空區處理方案。直接簡化為單層采空區進行處理，當重疊采空區間隔層厚度h2大于采空區2的保安層厚度時，直接簡化為單層采空區分別進行爆破處理，見如圖4。處理采空區1時，在空區底部構筑緩沖墊層，防止巖石塌落對下部保安層的沖擊破壞。

圖4 簡化為單層空區處理方案

(4)多層重疊空區處理方案。當重疊采空區間隔層厚度h2小于采空區2的保安層厚度時，上部采空區1處理完成后，先不進行裝運，A臺階和B臺階并段，采用水平孔或斜孔進行爆破處理采空區2，待爆堆穩定后一并裝運，見圖5。

圖5 多層重疊空區處理方案

(5)硐室爆破進行處理。對形態復雜的多層重疊采空區，可在合適地點進行硐室爆破，具體方案根據實際情況確定。

2)復雜采空區處理方案。袁家村鐵礦典型復雜采空區見圖6。

圖6 典型復雜采空區

該類采空區空腔體積較深，由于不能一次性采用崩落法處理完該類采空區，采用分層崩落法處理。分層高度參照正常臺階高度的倍數，如2倍或者3倍，視具體情況而定。如1740-10-空7。

3.4 采空區處理后的驗證

采空區處理后的驗證工作非常重要，在生產中不能忽視。

根據爆破后爆堆形態確認空區是否完全充填。采用方法：體積平衡原理(頂板松散系數取1.55)，即：空區頂板體積×松散系數=空腔體積+爆破后空腔上部爆堆體積。左側數小于右側時，空腔未完全填滿(空腔體積遠大于頂板體積的情況下，爆破后會出現塌陷坑)；左側數等于右側時，空腔剛好完全填滿；左側數大于右側時，空腔完全填滿并隆起。

采空區爆破成功24小時后，由測量人員進行地形驗收，科研單位根據測量數據建立模型，對空區的處理效果進行評價，并對空區后續的鏟裝工作提出合理建議。

3.5 采空區爆堆鏟裝

根據處理評價意見制定挖裝措施，對作業隊伍進行安全教育，認真交待施工方式和注意事項；在施工中由采空區專業人員和安全管理人員全程監控挖裝過程，確保施工作業安全、有序的進行。

4 結語

截至2020年11月，10年間累計探查到采空區391個，已經安全處理355個。采空區處理措施和辦法需要礦山在生產實踐中不斷進行總結和完善，確保礦山生產安全和順利。