石人溝鐵礦采空區分段充填治理方案研究與應用

田 欣 何榮興 張 賢 張星宇 任鳳玉

(1.河北鋼鐵集團礦業有限公司,河北 唐山 066501;2.東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819;3.云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南 曲靖 655011)

地下礦山采用空場法或崩落法回采,頂板未完全崩落時會形成采空區。采空區的長期存在,受采動、地下水、結構面和爆破震動的影響,空區頂板圍巖弱化發生失穩冒落,致使礦山開采條件惡化,引起礦柱變形[1]、相鄰作業區采場和巷道維護困難[2]、井下大面積冒落[3]、巖移[4]及地表塌陷[5]等安全危害,更為嚴重的會產生空區突然垮塌,形成高速氣流和沖擊氣浪[6]造成的人員傷亡和設備破壞,給礦山安全生產構成嚴重威脅,甚至造成環境惡化、礦產資源嚴重浪費。因此,對采空區進行及時治理變得尤為重要。近年來,我國學者在采空區治理方面進行了大量研究,例如,劉海林等[7]針對來龍礦區方解石礦山采空區群的穩定程度,提出了采用鐵柵欄和齒形阻波墻聯合封閉,并輔以多點位移計和鉆孔應力計對圍巖穩定性進行在線連續監測的空區治理方案;任鳳玉等[8]針對大中礦業書記溝鐵礦兩個形狀不規則的相鄰中型采空區,在空區圍巖可冒性分析的基礎上,研究提出在散體墊層防護下、崩落兩空區之間巖柱、將相鄰兩空區連為一體進行誘導冒落的采空區處理方案;賈海波等[9]針對內蒙古某多金屬礦淺孔房柱開采形成的大面積采空區,采用數值方法分析了不同治理方案和施工順序的圍巖應力及位移變化特征,提出了“隔一充一”的間隔充填采空區并回收點柱的方法;張社稷[10]對祈雨溝金礦采空區現狀進行分析基礎上,提出了分級尾砂、廢石和膠結充填的采空區治理方案;曹建立等[11-13]針對某鐵礦采空區賦存特征,提出了地表鉆孔監測與廢石充填相結合的空區治理方法;任鳳玉等[14]對某螢石礦主井附近采空區進行調查和理論分析,提出了廢石和碎石混凝土接頂充填的空區處理方案,并用數值方法驗證該方案的可行性。上述研究成果為采空區的充填治理提供了參考,同時也表明,礦山所用采礦方法、所具備的技術條件、形成采空區形態和穩定特征各不相同,需要根據采空區和礦山生產現狀來綜合確定空區治理方案。本文針對石人溝鐵礦采空區賦存和穩定性特征,提出了分段充填的治理方案,并通過模擬不同方案效果,確定最終參數,在實際應用中收到較好的治理效果。

1 石人溝鐵礦生產及空區概況

1.1 礦山開采歷史

石人溝鐵礦為鞍山式磁鐵礦床,于1975 年7 月建成投產,礦山采用露天分區開采方式開采0 m 水平以上礦體。露天轉地下開采分三期進行建設。地下一期工程開采范圍為南區(16 號勘探線以南)0 ～-60 m 中段,規模為年產鐵礦石60 萬t,豎井開拓,建有主井、副井和南風井各1 條,采用淺孔留礦法采礦。地下二期工程開采范圍為北區(16 號勘探線以北)-16～-60 m 中段之間礦體,采用淺孔留礦法采礦。地下三期工程開采范圍為-60～-210 m 中段的礦體,規模為年產鐵礦石 200 萬t,采用分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法,中段高度為 90 m,分段高度為15 m,礦房寬度20 m,為滿足礦井通風與生產安全,設置副中段高度為45 m。礦石回收時沿礦體走向方向劃分兩步回采礦塊,一步采、二步采間隔布置,寬度均為20 m,高度均為90 m,垂直礦體走向的相鄰盤區之間留設20 m 隔離間柱。目前礦山-60～-165 m 水平采空區已隨開采進度充填完畢,開采到-210 m 階段,礦山采礦權范圍內最后一個階段,其開采歷史和現狀如圖1 所示。

圖1 石人溝鐵礦10#勘探線剖面Fig.1 Profile of 10# exploration line in Shirengou Iron Mine

圖2-210 m 水平采空區探測結果Fig.2 Results for goaf detection in-210 m level

1.2 采空區賦存特征

2019 年5 月,M2 礦體下部盲采空區突然冒透-210 m 水平,隨后空區冒落高度與寬度不斷增大,并很快冒落到-165 m 水平。該冒落空區沿礦層由北向南傾斜,北側圍巖相對南側而言,較為不穩定。根據現場監測與實地觀察,在空區快速冒落到-165 m 水平之后,空區上部四周的冒落速度比下部快,使空區南側冒落邊壁的傾角逐漸增大。為獲取冒落空區形態與活動特征,利用三維激光掃描儀FARO Focus S350 先后3 次對-210 m 水平已揭露空區進行三維激光探測,其空區三維模型如圖2 所示。

由圖2 可知,大部分周邊空區分布在-210 m 水平以下,進而證實周邊空區為盲采空區。已探測的采空區大小不等,且均為不規則采空區,其中冒落空區的高度和寬度最大,且不規則程度較大,主要表現為上寬下窄,且局部起伏面較多。由各采空區與穿脈的相對位置關系可知,鄰近冒落空區的多個采空區主要分布在冒落空區的北側,高度較大的周邊空區主要集中分布在7-1#～8-1#穿之間,其中8-1#采空區的高度最大;在-224 m 水平,冒落空區出露一向北延伸的采空區(即9#穿采空區),該空區的高度及寬度均相對較小,但該空區在-224 m 水平與冒落空區貫通,其勢必會引導冒落空區圍巖的冒落方向。冒落空區沿礦體走向方向的最大寬度約102 m,高度約120 m;-240 m 水平以上,冒落空區頂板形狀趨近于拋物線拱形,但-240 m 水平以下,冒落空區底部處于傾斜狀態,且整體表現為沿走向方向延伸。冒落空區垂直礦體走向方向的最大寬度約98 m,8-1#穿采空區是高度最大的周邊空區,但與冒落空區的距離相對較遠。

圖3 為冒落空區與各分段礦體的位置關系剖面圖,冒落空區在-165 m 水平剖面主要分布在-165 m水平10#穿和10-1#穿之間;在-180 m 水平剖面主要分布在-180 m 水平10#穿和10-2#穿之間;在-195 m水平剖面主要分布在-195 m 水平9-4#穿和10-2#穿之間,且經過該分段的斷層,其勢必影響冒落空區在該分段的冒落規模和方向;在-210 m 水平剖面主要分布在-210 m 水平9-1#穿和10-1#穿之間。冒落空區在4 個分段水平剖面面積從上分段(-165 m)至下分段(-210 m)為增大的趨勢,其與采空區圍巖冒落拱形的趨勢相符,但剖面形態不一,且空區邊界均較為不規整,表明空區的冒落活動將持續進行,空區邊界還將進一步擴大。

圖3 冒落空區與各水平礦體的位置關系Fig.3 Positional relationship between the caving goaf and the ore body in each level

1.3 采空區成因及活動性分析

M2 礦體冒落空區為民采礦點的采空區冒落所致。一般民采礦點擅長房柱法與不規則淺孔留礦法開采,其采空區具有高度小、形狀不規則、分布范圍大、分層較多的特點。在礦體厚度較大、品位較高的部位,通常民采空區的寬度較大、留下的分層頂板厚度較薄,容易最先冒落。在較低層位頂板失穩冒落后,破壞上一層位頂板的支撐條件,引起連鎖反應,形成高度較大的冒落空區。

對冒落空區周邊礦巖的鉆探與巷探結果顯示,冒落空區北側還分布4 個盲采空區,其中8-1#采空區的高度最大(約45 m),由此可知,該類盲采空區高度一般不超過45 m。因-210 m 以下無開拓與采準工程,對形成冒落空區的下部盲采空區位置與分布特征,目前不具備探測條件,但可從已知的三維激光探測獲悉,-210 m 水平冒落空區凈空高度約120 m,這表明冒落空區的形成,是由-210 m 水平以下多層位盲空區頂板冒透后持續向上冒落所致。

此外,對比冒落空區形成初期的3 次探測結果,由圖4 可知,空區形成初期圍巖極不穩定,冒落活動非常劇烈,進而使得空區圍巖冒落至空區內,從而增加空區底板厚度,且上部空區頂板冒落線相較前一次探測均有明顯的擴大,但空區體積整體呈增大的趨勢。一般而言,冒落活動中新暴露的采空區體積大于冒落散體的碎脹體積,才能出現空區頂板冒落后,剩余空區體積增大的現象,也證實了形成冒落空區的下部盲采空區應是多層位的,且冒落空區下部可能還存在未探明的盲采空區的分析結果。

圖4 冒落空區3 次探測結果對比Fig.4 Comparison of the three detection results of the caving goaf

2 分段充填安全治理方案

目前采空區治理方式主要有礦柱支撐、封閉、崩落、充填[13],每種空區處理方式具有不同的特點和適用性。石人溝鐵礦冒落空區具有埋深大、規模大、不規則且位于主要生產區域等特點,空區形成初期便處于陣發性冒落活動中,自身屬性決定其安全處理難度較大。由于空區體積大,且空區上部為回采充填體,不適合采用崩落進行處理;而且冒落空區主要由下部盲空區冒落所致,目前形成空區的活動特性表明下部仍存在未被冒落散體充填的盲空區存在,如果采用廢石充填,充填料會隨底部盲空區冒落而陷落,不能消除空區對周邊圍巖的危害,因此,不適合采用廢石充填治理方案。空區底部未知盲空區的存在,需要使冒落充填廢石形成具有一定強度和粘結力的充填體,同時地下開采為充填開采,礦山具有完備的充填系統,考慮空區規模大的特征,提出在空區圍巖冒落危害防護系統的基礎上進行分段尾砂膠結充填的空區安全治理方案,切實保障冒落空區安全治理及其周邊礦體的安全開采。

為研究充填料漿在冒落散體中的滲流特性及散體膠結后形成的充填體強度特性,設計合理的散體膠結充填體配比,開展了如圖5 所示的一系列冒落散體膠結充填實驗。實驗表明,當充填料漿為68%時,料漿在冒落散體內具有較好的滲透性,并能粘結包裹散體(圖5(a)、圖5(b)),在沿冒落散體高度方向上68%的料漿能夠較好地下滲,在料漿灰砂比為1 ∶4 養護28 d 條件下,形成膠結充填體的強度約2 MPa。

為降低充填成本,便于充填施工,將空區充填過程劃分為以下4 個區段:空區底部固結區段、-210 m ～-270 m 水平空區充填段、-165 m～-210 m 水平空區充填段和冒落空區頂部充填段,各區段順序充填。冒落空區因下部民采空區連鎖冒落至生產區域而形成,在空區底部形成了較厚的冒落散體堆。充填管路應鋪設到空區邊壁,空區充填初期,空區口部的充填膠皮管道應盡可能貼近空區底部,對-270 m 水平以下空區底部散體層的固結充填;空區底部散體固結充填完成后,進行-210 m～-270 m 以下采空區充填,包括冒落空區及其北部連通的周邊空區充填。此過程先充填冒落空區,充填到-210 m 水平之后,同步充填-224 m 水平北部周邊空區。考慮-210 m 水平以下不在該礦采礦權范圍內,該水平以下因無開拓和采準工程而不具備充填條件,故階段一與階段二的充填入口均設定在-210 m 水平(圖6(a))。周邊空區充填時,從-210 m 水平分別開掘與-224 m 空區的通口或利用前期已揭露點,可在空區投影線邊緣的安全部位,打大直徑斜孔,通過斜孔進行管路充填;-210 m 水平的冒落空區及其連通空區充填結束后,進行-210 m～-165 m 空區充填。該階段充填入口暫設置在-165 m 水平(圖6(b)),在充填之前,在安全的部位封堵其下通口,保證充填料盡可能多地存于空區內,并使充填料溢流水快速溢出。具體選址待前兩個階段完成后,依據實際充填和冒落情況作出調整;為保障頂部礦量的回收和采空區不冒透地表,需進行冒落空區的頂部充填。冒落空區的頂部充填位置可初步選擇在-135 m 分段水平圍巖較為穩定區域(圖6(c)),具體選址待前3 個階段完成后,依據實際充填和冒落情況作出調整。各分段充填對應的充填作業技術參數如表1 所示。

表1 冒落空區分段充填料漿參數Table 1 Sublevel filling technical parameters in the caving goaf

圖6 充填地點位置示意Fig.6 Schematic of filling location

3 空區治理方案可行性數值模擬

3.1 采空區數值模型及模擬參數

為進一步分析分段充填方案的可行性和充填效果,采用3DEC 離散元[15-16]對石人溝鐵礦冒落空區、8-2#和9#穿空區進行數值建模,如圖7 所示。根據冒落空區的形成特點,將冒落空區內部以該礦15 m 的分段高度劃分為8 段,圍巖和充填體物理力學參數參照表2 賦值。

表2 巖體物理力學參數Table 2 Rock mass physical and mechanical parameters

圖7 冒落空區的分層充填3DEC 模型Fig.7 3DEC model of layered backfilling body of caving goaf

由前述可知,周邊空區中的8-2#和9#穿空區與冒落空區相鄰,對空區圍巖冒落影響較大,模擬充填條件下空區巖移活動時僅考慮這2 個周邊空區的開挖。8-2#和9#穿空區位于-210 m 水平以下,且9#穿空區與冒落空區貫穿于-224 m 水平,空區現場治理時需保障冒落空區充填高度達到-210 m 水平之后,再接續充填與其北側相通的周邊空區,由此確定如表3 所示的空區開挖、充填數值模擬方案。每一充填方案均是單獨進行,利用圖7 中的三維離散元數值模型,在3DEC 中達到初始力學平衡后開挖冒落空區,隨即充填至表3 中某一方案的目標水平,其后進行9#和8-2#空區開挖,每一周邊空區開挖均進行離散元數值收斂計算。

表3 空區充填數值模擬方案Table 3 Numerical simulation schemes for goaf backfilling

3.2 數值模擬結果分析

按表3 所示空區充填數值模擬方案,可得冒落空區圍巖沿礦體走向方向的冒落情況,如圖8 所示。圖8(a)、圖8(b)顯示,冒落空區充填至-270 m 水平與未充填時對應的圍巖顯著破壞區相同,表明空區充填前期,充填體與圍巖接觸面積較小,其提供的橫向支撐力暫不能有效抑制空區巖移范圍。空區逐步充填至-210 m 水平時(圖8(c)～圖8(f)),顯著破壞區明顯減小,主要表現在沿礦體走向方向的顯著破壞區銳減,表明隨著冒落空區下部逐步被充填,空區圍巖顯著破壞區越來越小,充填體可有效阻止空區北側圍巖冒落。當充填-210 m 以上水平時,由圖8(g)～圖8(i)可知,此時空區的顯著破壞區主要集中在空區頂板,冒落空區基本不出現橫向擴展。統計圖8 中9 個方案對應的空區橫向冒落范圍如圖9 所示,由冒落范圍變化趨勢可知,當空區充填至-255 m 水平時,-165 m～-210 m 水平空區冒落范圍開始銳減;充填至-240 m 水平時,-210 m 水平空區冒落范圍減幅最大,充填至-210 m 水平時,-195 m 和-210 m 水平空區不發生橫向冒落,同時-165 m 和-180 m 水平空區圍巖橫向冒落范圍較小,此時充填體可有效阻止空區北側圍巖冒落。

圖8 充填時冒落空區圍巖冒落過程模擬Fig.8 Simulation of the caving goaf caving process during filling

圖9 充填條件下空區橫向最大冒落范圍Fig.9 Transverse maximum goaf caving range of under filling condition

由數值模擬可知,采空區的充填對于控制空區頂板的冒落和空區邊界的擴展具有重要抑制作用,充填條件下空區圍巖橫向冒落的階段性變化對空區分段充填治理及周邊礦體開采具有一定的指導作用,可將-210 m 水平作為充填臨界水平,低于臨界水平充填時,主要開采空區南側礦體,北側鄰近礦體不宜開采;高于臨界水平充填時,空區圍巖冒落集中在空區頂板,若周邊空區已實施充填,空區北側鄰近礦體可安全探采。

4 現場實施效果

石人溝鐵礦于2019 年10 月確定并開始實施空區分段充填治理方案,截止2020 年9 月,充入料漿約27 萬m3,在數量上達到了最初探測的空區體積,但從-210 m 水平觀察,空區底板仍未見充填料,且空區仍處于冒落活動狀態。這表明冒落空區下部還存在與之連通的其他盲空區,受限于石人溝鐵礦開拓與采準現狀,此類盲空區的分布范圍與體積無法探測,只能在安全防護系統的保護下,繼續在-210 m 水平進行充填。截至2021 年3 月,冒落空區累計充填約50萬m3料漿,而冒落空區體積仍有約22 萬m3,表明充填料漿全部下滲,且冒落空區下部的盲空區體積較大。現場調查結果顯示,-210 m 水平通口及-195 m水平10-2#穿通口,均被冒落散體堆堵塞;-180 m 水平通口近期未見明顯變化,-180 m 水平探測的全景影像結果(圖10)顯示,冒落空區底板表層布滿不同粒徑碎石,未見明顯的充填料痕跡,可見冒落空區內部充填料漿已全部向下滲透,冒落巖塊較小主要以巖粉為主,表明空區充填后空區活躍程度明顯得到改善,-180 m 水平以下空區的邊界基本處于穩定狀態,空區冒落活動主要為-165 m 水平之上的頂板冒落,且冒落主要為范圍較小的零星冒落。

圖10 冒落空區底板影像Fig.10 Image of the caving goaf floor

為進一步驗證充填效果,將冒落空區-180 m ～-210 m 水平充填前后的截面進行對比,如圖11所示。

圖11 冒落空區各水平截面對比Fig.11 Comparison of horizontal sections of the caving goaf

充填前,-210 m 水平以上冒落空區形態呈現上窄下寬的趨勢(圖11(a)),經冒落散體膠結充填后,使得-210 m 水平冒落空區橫截面積大幅度減小,且整個空區形態呈現上寬下窄的趨勢(圖11(b)),表明冒落空區下部得到了有效治理。鑒于目前空區探測體積雖與最初空區體積相差不大,但空區邊緣向外擴展和后續冒落活動基本得到有效控制,為進一步消除空區危害,應繼續按照分段充填方案進行第三階段的充填,在-165 m 水平合適位置設置充填點,將-210 m 水平采切廢石作為充填料先行進行充填,及時封堵-165 m 水平以下與空區連通的通道,再進行充填料漿的充填,礦體的開采仍需在安全防護系統的基礎上實施。

5 結 論

(1)石人溝鐵礦冒落空區主要是由-210 m 水平以下多層位盲空區頂板冒透后持續向上冒落所致,探測結果表明,冒落空區圍巖極不穩定,頂板和邊界冒落活動非常劇烈,對目前礦山安全生產具有較大的威脅。

(2)考慮空區規模大、活動性強的特征,提出在空區圍巖冒落危害防護系統的基礎上進行分段尾砂膠結充填的空區安全治理方案。利用3DEC 數值模擬采空區分段充填過程,結果表明采空區的充填對于控制空區頂板的冒落和空區邊界的擴展具有重要抑制作用,可將-210 m 水平作為充填臨界水平,低于臨界水平充填時,主要開采空區南側礦體,北側鄰近礦體不宜開采;高于臨界水平充填時,空區圍巖冒落集中在空區頂板,若周邊空區已實施充填,空區北側鄰近礦體可安全探采。

(3)截至2021 年3 月,冒落空區累計充填約50萬m3料漿,冒落空區內部充填料漿已全部向下滲透,冒落巖塊較小主要以巖粉為主,表明空區充填后空區活躍程度明顯得到改善,-180 m 水平以下空區的邊界基本處于穩定狀態,空區冒落活動主要為-165 m 水平之上的頂板冒落,且冒落主要為范圍較小的零星冒落,空區邊緣向外擴展和后續冒落活動基本得到有效控制,為進一步消除空區危害,應繼續按照分段充填方案進行下一階段的料漿充填。