羅毅莎,姚振鞏

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

采空區(qū)安全處理的對策措施研究

羅毅莎,姚振鞏

(長沙礦山研究院, 湖南長沙 410012)

在論述了國內(nèi)采空區(qū)的處理技術方法的基礎上,結(jié)合湖北某金屬礦采空區(qū)安全論證與處理措施,提出在采空區(qū)穩(wěn)定性安全論證之后的采空區(qū)危害分析下的安全對策措施,為礦山安全開采服務。

采空區(qū);安全論證;處理措施;危害分析

采用空場法、崩落法開采的地下礦山,往往會形成巨大的地下采空區(qū)和崩落空區(qū),而當采空區(qū)面積達到一定數(shù)量時,就有可能發(fā)生大規(guī)模突然冒落等地壓災害,造成人員和財產(chǎn)的重大損失。大量的礦山事故經(jīng)驗表明:采空區(qū)的處理不及時、采礦方法選擇不當與同一礦體多種采礦方法混用、礦柱留的不夠、頂板崩落不充分等,是造成礦山大面積地壓災害的根源。采空區(qū)處理的實質(zhì)是分散或轉(zhuǎn)移應力集中部位,降低巖體的應力集中程度,使應力重新達到相對平衡,以此控制和管理地壓,保證礦山安全生產(chǎn)。

恰當選擇采空區(qū)處理方法,應考慮礦山具體情況,如地質(zhì)賦存條件、采礦方法、空區(qū)性態(tài)、地壓顯現(xiàn)特征等因素,經(jīng)嚴密論證分析后,有針對性地提出安全對策。本文以湖北某地下礦山處理采空區(qū)的措施為例來說明。

1 國內(nèi)采空區(qū)處理技術方法

國內(nèi)礦山對采空區(qū)處理技術方法歸納起來有:崩落圍巖處理空區(qū)、充填料充填空區(qū)、礦柱支撐空區(qū)、封閉和隔離處理空區(qū)和聯(lián)合法處理空區(qū)[1]。

1.1 崩落圍巖處理空區(qū)

崩落圍巖處理空區(qū)的特點是用中深孔、深孔或藥室爆破方法,將空區(qū)圍巖大量崩落以形成緩沖保護墊層,同時充填空區(qū),從而防止因空區(qū)內(nèi)巖石突然冒落而造成危害。采用崩落圍巖處理空區(qū),能及時消除空場,緩解應力過分集中和避免大規(guī)模的地壓活動,且處理工藝相對簡單,可有效提高勞動生產(chǎn)率。該方法在國內(nèi)礦山中使用廣泛。

1.2 充填料充填處理空區(qū)

利用碎石、尾礦砂、水砂、混凝土等充填料充填空區(qū),讓充填體支撐空區(qū),控制地壓活動。該方法可減少礦體上部地表下沉量、防止礦巖內(nèi)因火災、減少損失貧化。

1.3 留永久礦柱或構(gòu)筑人工石柱處理空區(qū)

留永久礦柱或構(gòu)筑人工石柱處理采空區(qū),一般用于緩傾斜薄至中厚以下的礦體,以及用房柱法、全面法回采,頂板相當穩(wěn)定,地表允許冒落的礦山。我國有色礦山的生產(chǎn)實踐表明,一些緩傾斜礦體,尤其是礦巖條件好,礦柱選留恰當?shù)牡V體,連續(xù)的空區(qū)面積均不太大。

1.4 封閉和隔離處理空區(qū)

封閉和隔離處理采空區(qū)是一種經(jīng)濟、簡單的方法。封閉這類采空區(qū)的目的主要是防止圍巖突然冒落時空氣沖擊波對人員和設備的危害。封閉隔離法的主要措施:

(1)封閉空區(qū)與外界相通的巷道。方法有:在巷道中構(gòu)筑1～2.5m厚的鋼筋混凝土墻,作封閉墻;在巷道中挑頂板,使頂板爆下一層巖石堵塞巷道,堵塞長度約15m。

(2)設隔離層使上部空區(qū)與下部作業(yè)區(qū)隔開。

(3)在密閉隔離的空區(qū)上部開通往地表的“天窗”,然后用堅實密閉墻封閉通向生產(chǎn)區(qū)域和主要坑道的一切通道,這樣,圍巖冒落時,空區(qū)的空氣由“天窗”流向地表,不至于成為高壓氣流危害生產(chǎn)人員與設備的安全。

1.5 聯(lián)合法處理空區(qū)

聯(lián)合法處理空區(qū)是指在一個采空區(qū)內(nèi)同時采用兩種方法處理采空區(qū),其方法有:礦柱支撐與充填法聯(lián)合、封閉隔離與崩落圍巖聯(lián)合等。

2 湖北某礦采空區(qū)安全論證后的危害分析

湖北某礦一直采用無底柱淺孔留礦法開采,留有6～8m的頂?shù)字?經(jīng)多年開采,井下已形成約66.8×104m3的采空區(qū),采空區(qū)離地面的最淺部位約50m,目前地面尚未有垮塌的跡象。礦區(qū)分為Ⅰ礦帶和Ⅱ礦帶,目前主采的是礦區(qū)的II礦帶。Ⅱ礦帶包括Ⅵ號、Ⅶ號、Ⅷ號等3個礦體,現(xiàn)井下已形成的中段有:+50,0,-50,-100,-150,-225,-250,-280和-320m,目前主要生產(chǎn)中段為-280,-320m正在進行開拓。

根據(jù)該礦的賦存特點,在現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)巖石力學試驗、巖體質(zhì)量評價、巖體力學參數(shù)確定的基礎上,采用Mathews穩(wěn)定圖方法、有限元分析方法、緩沖層厚度分析、防頂板突發(fā)冒落空氣沖擊波危害的封閉墻穩(wěn)定性校核等技術方法,對該礦的采空區(qū)進行了較為全面的安全論證[2～5]。

2.1 采空區(qū)地面塌陷

根據(jù)對采空區(qū)穩(wěn)定性的有限元分析,頂柱在剪應力、拉應力的作用下,特別是在頂柱的跨度較大時,有可能從局部垮塌開始。若頂柱破壞垮通,采空區(qū)又未進行充填處理,則采空區(qū)上下盤失去支撐,將引起地面較大的塌陷。參照類似生產(chǎn)礦山,對礦體的上、下盤的移動錯動角選取為65°,以此圈定開采時的錯動范圍。

2.2 采空區(qū)上下盤與頂柱的破壞

根據(jù)對采空區(qū)穩(wěn)定性分析研究,其基本結(jié)論為:

(1)礦山開采現(xiàn)狀的穩(wěn)定性較好,開采影響的范圍限在采空區(qū)周邊3～15m的范圍,目前不會發(fā)生大的地壓災害。

(2)該礦頂柱礦石的跨度在10m以下時(礦體平均厚度為6.33m),頂柱安全;但當?shù)V體的跨度達15m以上時,暴露面積的穩(wěn)定范圍控制在600～900 m2內(nèi),若暴露面積超出此控制范圍,頂板將逐漸自然冒落;大理巖、閃長巖穩(wěn)定的允許暴露面積較大,一般情況下不會發(fā)生大面積的片幫冒落。

(3)Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ號礦體間相互的影響不大。

(4)對于主開采的Ⅵ號礦體,開采擾動形成的應力集中區(qū)一般是在采空區(qū)的頂端和底端,隨深度的增加應力集中的程度也將加大。開采的同時,在采空區(qū)上下盤的3～15m范圍內(nèi)形成了剪破壞區(qū),1～3m范圍內(nèi)形成拉破壞區(qū),所留頂柱內(nèi)形成應力集中區(qū),開采擾動形成的位移也指向采空區(qū)。因此,目前該礦采空區(qū)的穩(wěn)定性整體較好,部分跨度較大的頂柱部位(跨度＞10m)存在拉、剪破壞,特別是在靠下盤位置。

2.3 空氣沖擊波危害

該礦為防治巖層的突然塌陷,在井下的+50,0,-100,-150,-200m中段與采空區(qū)聯(lián)通的巷道處,用C25混凝土或紅磚加鋼板進行了封堵。C25混凝土封堵墻的厚度大于1m以上,對防止空氣沖擊波的危害起到了一定的作用,且在-200mⅥ號礦體接近正中偏東處,用廢石充填,最高處達到-150m。

2.4 突水與淹井危害

該礦目前主采的是礦區(qū)的II礦帶Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ號礦體,礦區(qū)北部Ⅰ礦帶溶洞較多且大,與附近青山水庫下游的趙家港連通,但在Ⅱ礦帶與Ⅰ礦帶之間有一隔水層,將兩礦帶安全隔開。Ⅱ礦帶處在一個東西向長條狀水文地質(zhì)單元中。該水文地質(zhì)單元有志留系頁巖、未風化的巖漿巖體隔水,大氣降水范圍和強度不很大,地下水排泄較暢通,地下涌水量極小。雖然本礦的水文地質(zhì)條件應屬簡單類型,但若在開采作業(yè)的過程中,使Ⅰ礦帶與Ⅱ礦帶之間的隔水層遭受破壞,必將導致井下的突然潰水,使礦山遭受巨大的損失。加之本礦上部存在老窿,空區(qū)面積較大,各地段積水情況不清,因此在開采過程中應采取防止老窿、采空區(qū)突水的措施。

3 安全技術對策措施

3.1 采空區(qū)地面塌陷的安全對策措施

(1)地表設施和建筑物均布置在開采錯動界線以外。

(2)加強塌陷區(qū)的管理,盡可能準確的標出塌陷區(qū)域的邊界線,并設立明顯的標志。

(3)及時掌握采空區(qū)的變化情況,及時編制塌陷區(qū)井下、地面對照圖。

(4)應在地表塌陷區(qū)周圍埋設必要的觀測點,并進行定期觀測,為塌陷區(qū)的安全管理、周邊道路改造和塌陷區(qū)提前征地提供科學依據(jù)。

(5)地表塌陷、裂縫區(qū)的周圍,必須設置截水溝或擋水墻,防止大氣降水滲入井下。

(6)應做好塌陷區(qū)水文地質(zhì)(防洪排水)技術管理工作。

(7)應專人負責,定期書面通知毗鄰鄉(xiāng)村,對塌陷區(qū)提出注意事項,防止人、畜事故發(fā)生。

(8)安全生產(chǎn)管理部門要定期組織有關人員對塌陷區(qū)的安全管理工作和安全情況進行監(jiān)督檢查,并提出整改意見。

3.2 采空區(qū)處理的安全技術措施

(1)利用廢石或尾礦及時充填處理空區(qū):采用井下開采的廢石或尾礦作為充填料,對采空區(qū)進行處理。廢石層的厚度要滿足沖擊氣浪緩沖層厚度的要求。大量的工程實踐證明,采用充填處理采空區(qū)是控制采空區(qū)穩(wěn)定性最好的方法。該方法為該礦采空區(qū)處理的首選方案。

(2)主動崩落圍巖,形成緩沖巖石墊層,處理采空區(qū):該法是在圍巖穩(wěn)固、整體性好、不能自然崩落情況下,用爆破手段強制崩落圍巖,使圍巖充填空區(qū)或形成緩沖巖石墊層,以控制壓力轉(zhuǎn)移或緩和頂板應力集中,防止圍巖大面積突然崩落,產(chǎn)生的氣浪對生產(chǎn)區(qū)巷道、設備和人身造成危害。與充填處理采空區(qū)比較,本法簡單易行,成本一般較低。采空區(qū)圍巖上盤的崩落工作選擇在采場大量放礦之后進行,可減少礦石損失貧化。但崩落放頂時,應采取微差爆破技術,盡量減小爆破沖擊波對上部頂柱的破壞。放頂形成的緩沖層的厚度應在10m以上,若頂柱垮塌,應視垮塌中段的個數(shù)適當增加緩沖層的厚度,即增加一個中段高度要多增10m的緩沖層。該方法在局部地段選擇采用。

(3)嚴格采用所選用的淺孔留礦采礦法的采場結(jié)構(gòu)參數(shù),留足和維護好足夠尺寸的頂柱與間柱,堅持合理的開采順序,并且合理確定巷道斷面形狀和大小。

(4)根據(jù)井巷和采場所處的圍巖穩(wěn)固程度,對井巷與頂柱采取錨桿支護等措施,特別是采空區(qū)的跨度大于10m后的頂柱,一是采用錨桿加固,二是在其下部應留足對其的支撐礦柱。

(5)建立采場地壓監(jiān)測觀測點(網(wǎng)),隨時掌握采場地壓變化情況。

(6)加強人員的現(xiàn)場巡視,及時了解采空區(qū)的安全狀態(tài)。

(7)加強頂板管理,做好浮石的檢查和處理工作,及時撬毛。

(8)建立安全技術操作規(guī)程和作業(yè)制度,加強安全技術培訓,提高職工的技術素質(zhì)。

(9)經(jīng)常行人的巷道,每天要有人巡回檢查,對頂、幫有松動的地段,要及時敲幫問頂并予以處理;危險場所設立警告標志,嚴禁人員進入。

3.3 防空氣沖擊波危害的技術措施

(1)采用崩落上盤圍巖或人工充填方法,在采空區(qū)形成10m以上的緩沖層,若頂柱垮塌,應視垮塌中段的個數(shù)適當增加緩沖層的厚度,即增加一個中段高度要多增10m的緩沖層。

(2)在與采空區(qū)相聯(lián)通的巷道及時進行混凝土的封堵,封堵的C25混凝土的厚度在1m以上。

3.4 防突水的安全對策措施

(1)根據(jù)GB16423-2006《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》的安全要求,按最終確定的采礦方案設計足夠能力的可靠的排水系統(tǒng)。

(2)采用由南到北的開采順序,逐漸接近Ⅰ礦帶,且對回采結(jié)束后采場留下的采空區(qū)及時充填處理。

(3)應在預計的塌陷區(qū)周圍設置截洪溝。地表的排水溝要形成系統(tǒng),定期檢查并疏通。

(4)堅持“有疑必探、先探后掘”的原則,編制探水設計,嚴格執(zhí)行探放水安全技術措施。為了確保井巷施工安全,應在含水層裂隙溶洞發(fā)育地段或接觸帶附近采取超前探水或局部注漿堵水措施,以防止井巷掘進過程中的突然涌水。如遇含水層,應及時報告技術人員,并打超前探水孔。

(5)主井、盲豎井的車場防水閘門要經(jīng)常檢查并試開啟,防水閘門應采用1.0MPa的單門雙段。

(6)在開掘新的采礦工程時,應編制新老坑道連通產(chǎn)生突水涌水事故的搶險應急預案。

4 結(jié) 語

由于各類采空區(qū)處理方法都有其特定的適用條件,各有利弊。因此,為使采空區(qū)的處理與礦山地下資源的最大開發(fā)相對應,對采空區(qū)的安全處理的對策措施,應在對具體礦山采空區(qū)的安全論證的基礎上,通過對礦山開采的安全危害分析,有針對性的提出。

[1]李俊平,錢新明,鄭兆強.采空場處理的研究進展[J].中國鉬業(yè),2002,(3):10～15.

[2]陳敬剛,李愛兵.某采空區(qū)的穩(wěn)定性分析論證研究[J].采礦技術,2009,(3):37～39,46.

[3]劉正宇,李愛兵,鄒 平,等.湖北某礦采空區(qū)穩(wěn)定性論證[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2009,(3):62～64,88.

[4]季惠龍,侯克鵬,張成良,等.大型采空區(qū)頂板冒落危害預測[J].采礦技術,2010,(3):50～54,76.

[5]黃銀海,嚴 韜.宜昌磷礦采空區(qū)治理對策探討[J].采礦技術,2009,(6):55～56,59.

2010-05-01)

羅毅莎(1959-),女,四川成都人,高級工程師,主要從事采礦、礦山安全技術研究。