張 君，王李管，張建國

(1.中南大學(xué)數(shù)字礦山研究中心，湖南 長沙 410083； 2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083； 3.長沙迪邁數(shù)碼科技股份有限公司，湖南 長沙 410083)

1 前言

花垣縣位于湖南省西部，湘、黔、渝交界處，錳、鉛鋅資源豐富，已探明的礦產(chǎn)有20余種，其中錳礦儲(chǔ)量居全國第二位，鉛鋅礦儲(chǔ)量1 300萬t，有“東方錳都”和“有色金屬之鄉(xiāng)”之稱。由于歷史原因花垣縣境內(nèi)的鉛鋅礦主要由民采為主，隨著21世紀(jì)初前10年有色金屬價(jià)格持續(xù)上漲，花垣縣鉛鋅礦歷史高峰期鉛鋅礦硐數(shù)量達(dá)1 064個(gè)，經(jīng)過2010年整合后共保留了41個(gè)礦權(quán)和43個(gè)采區(qū)。2015年國家安監(jiān)總局展開了金屬非金屬地下礦山采空區(qū)專項(xiàng)普查工作，調(diào)查結(jié)果顯示花垣鉛鋅礦5個(gè)礦區(qū)30家鉛鋅礦共形成2 303萬m3采空區(qū)[1]，暴露面積約218萬m2。由于無秩序開采導(dǎo)致形成了非常復(fù)雜的采空區(qū)群，大大小小采空區(qū)相互貫通，而且礦區(qū)巖溶地段發(fā)育，存在溶洞、地下徑流和暗河，巖石以灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖為主，巖石強(qiáng)度中等，存在較為發(fā)育的斷層和節(jié)理，易形成冒頂片幫、突泥突水、局部整體垮塌等地壓災(zāi)害，并伴隨著空氣沖擊波、地表塌陷和山體滑坡等次生災(zāi)害。2016年湖南省安監(jiān)局將花垣縣鉛鋅礦列為省重點(diǎn)隱患治理工程，企業(yè)通過立項(xiàng)并借助國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和科研單位的技術(shù)力量，采用封堵采空區(qū)和采空區(qū)微震監(jiān)測(cè)聯(lián)合治理方法。本文通過研究花垣縣鉛鋅礦采空區(qū)重點(diǎn)隱患區(qū)域和治理方案[2～3]，并通過微震監(jiān)測(cè)技術(shù)[4～6]實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采空區(qū)地壓活動(dòng)變化趨勢(shì)，依據(jù)對(duì)微震事件活動(dòng)分析，優(yōu)化指導(dǎo)采空區(qū)封堵工程實(shí)施，保障采空區(qū)的有效安全治理。

2 采空區(qū)治理方案

以花垣縣鉛鋅礦采空區(qū)一期治理工程長凳坡鉛鋅礦采空區(qū)治理工程為例闡述采空區(qū)治理方案。地下礦山采空區(qū)處理方法主要分為崩落頂板、充填采空區(qū)、封堵采空區(qū)和加固圍巖等4種[7～8]，結(jié)合花垣縣鉛鋅礦的實(shí)際情況，對(duì)以上4種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和技術(shù)對(duì)比分析。

2.1 方案對(duì)比

(1)充填采空區(qū)。廢石充填料不足、尾砂充填運(yùn)輸和系統(tǒng)建設(shè)成本太高，當(dāng)?shù)仄髽I(yè)缺乏配套的技術(shù)隊(duì)伍，無法維護(hù)充填系統(tǒng)，且治理周期較長。

(2)崩落采空區(qū)。由于空區(qū)形態(tài)不一、多層重疊、相互貫通，礦體不連續(xù)呈雞窩狀分布，崩落采空區(qū)不可控的因素較多，易誘發(fā)采空區(qū)大規(guī)模坍塌，施工難度大。

(3)加固圍巖。部分可通行的區(qū)域可實(shí)現(xiàn)礦柱加固措施，但很難實(shí)現(xiàn)全部采空區(qū)的加固，而采空區(qū)現(xiàn)狀是大部分區(qū)域已經(jīng)無法進(jìn)入。

(4)封堵采空區(qū)。施工難度較低，周期短，雖不能完全消除采空區(qū)隱患，但是可以隔離危險(xiǎn)源。

2.2 封堵方案

依據(jù)花垣縣鉛鋅礦山開采現(xiàn)狀和企業(yè)特點(diǎn)，充填采空區(qū)和崩落采空區(qū)已不太現(xiàn)實(shí)，因此通過采空區(qū)普查和采空區(qū)穩(wěn)定性論證分析，對(duì)鉛鋅礦區(qū)采空區(qū)安全隱患程度進(jìn)行分級(jí)，并結(jié)合資源開發(fā)利用方案，采用分區(qū)隔離方案，通過構(gòu)筑人工隔離帶，消除采空區(qū)之間的相互影響，具體通過以下幾種方案進(jìn)行采空區(qū)封堵。

(1)巷道隔離。為了防止采空區(qū)頂板突然垮塌造成沖擊氣浪危害，在通往采空區(qū)巷道中設(shè)置隔離墻，而隔離墻主要采用以下幾種形式。

鋼筋混凝土密閉墻內(nèi)布置單層鋼筋網(wǎng)，鋼筋與密閉墻兩側(cè)的砂漿錨桿通過電焊焊接，錨桿間距為0.5m，錨桿長度大于1.5m，如圖1。

對(duì)于大型采空區(qū)連接的巷道，一般在鋼筋混凝土隔離墻后巷道內(nèi)充填10～30m長的廢石堆，以減緩沖擊波對(duì)隔離墻的沖擊，如圖2。

通過構(gòu)筑雙層混凝土阻波墻，阻擋沖擊波沖擊，但是為了一些重要區(qū)域留有檢查通道，在阻波墻內(nèi)留設(shè)人行門，但是兩道墻的人行門要錯(cuò)開布置，以進(jìn)一步減緩沖擊波的作用力，如圖3。

圖1 巷道隔離墻示意圖

圖2 帶有廢石充填巷道隔離墻示意圖

圖3 帶有人行通道巷道阻波墻示意圖

(2)采空區(qū)隔離。采空區(qū)隔離設(shè)施主要布置在生產(chǎn)區(qū)和采空區(qū)，當(dāng)生產(chǎn)區(qū)與采空區(qū)的邊界相距較近、空區(qū)橫跨兩邊時(shí)，為形成生產(chǎn)區(qū)與采空區(qū)之間的隔離帶，必須對(duì)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)的充填要求盡可能接頂，形成的隔離帶寬度不小于20m，圖4為廢石充填隔離帶示意圖。

圖4 廢石充填隔離帶示意圖

此外，為了達(dá)到采空區(qū)的有效治理，在大型采空區(qū)底部需要堆積一定量的廢石以形成緩沖墊層，減輕對(duì)底板的沖擊作用，吸收部分的沖擊能，以保護(hù)底板的圍巖。同時(shí)在大型采空區(qū)建設(shè)一定數(shù)量的人工鋼筋混泥土礦柱，防止采空區(qū)頂板成片的一次性垮塌。

3 微震監(jiān)測(cè)預(yù)警與采空區(qū)治理

考慮到采空區(qū)封堵方案無法徹底消除采空區(qū)垮塌隱患，因此有必要對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而不斷優(yōu)化調(diào)整采空區(qū)處理措施，避免采空區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的垮塌失穩(wěn)事故。隨著信息技術(shù)的發(fā)展礦山地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)也不斷更新，傳統(tǒng)的地壓監(jiān)測(cè)手段主要采用應(yīng)力計(jì)、位移計(jì)、錨索應(yīng)力計(jì)等單點(diǎn)形式的物理測(cè)量手段直接測(cè)量局部巖石應(yīng)力、變形量或沉降量，該技術(shù)結(jié)果比較直觀，但作用范圍太小，為了增大監(jiān)測(cè)區(qū)域面積需要布置大量的傳感器以形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)，且系統(tǒng)后期維護(hù)工作量很大。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種新型地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有遠(yuǎn)距離、非接觸、大范圍、高靈敏度等特點(diǎn)，可對(duì)采空區(qū)的整體穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9～10]，相對(duì)單點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)可更早獲取地壓災(zāi)害形成前階段的巖石破裂信息，因此預(yù)警成功率更高。

針對(duì)長凳坡采空區(qū)治理區(qū)域面積，設(shè)計(jì)了一套16通道的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)范圍400m×200m，采用加速度型微震傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 微震監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)建設(shè)完畢之后進(jìn)行了波速校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，通過定點(diǎn)炮的形式進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的地震波P波波速為5 130m/s,定位誤差為5～8m。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中監(jiān)測(cè)到大量巖石微破裂事件，事件誘發(fā)的原因主要為：周邊爆破擾動(dòng)產(chǎn)生巖石松動(dòng)破壞、采空區(qū)頂板應(yīng)力動(dòng)態(tài)調(diào)整產(chǎn)生的微破裂事件、斷層活化產(chǎn)生的微小震動(dòng)事件。通過對(duì)微震事件進(jìn)行定量地震學(xué)、微震參數(shù)時(shí)間序列特征分析，并結(jié)合Dimine三維礦山工程模型，確定地壓活動(dòng)危險(xiǎn)區(qū)域。圖6為監(jiān)測(cè)周期內(nèi)微震事件的空間分布形態(tài)，通過事件聚集區(qū)域可直觀觀察到地壓活動(dòng)區(qū)域位于副井下方及其左右兩側(cè)，主井六叉路口下方也出現(xiàn)了明顯的地壓活動(dòng)。

圖6 微震事件空間分布形態(tài)

圖7 微震事件應(yīng)力云圖分析

圖7為微震事件應(yīng)力云圖分析，通過微震事件震源參數(shù)視應(yīng)力的分析，副井與主井聯(lián)絡(luò)巷道及其拐彎處地應(yīng)力值變化較大，表現(xiàn)出明顯的能量釋放特征。依據(jù)微震事件分析結(jié)果，礦方安排安全人員下井到微震定位的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行巡查，巡查結(jié)果表明副井下部延伸部分出現(xiàn)了巖石冒落以及人工礦柱被壓裂的地壓顯現(xiàn)痕跡。綜合考慮巷道工程結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)，選擇將封堵墻后移，見圖8。

圖8 封堵墻變更位置

通過變更封堵墻位置，盡量隔離危險(xiǎn)源，避免出現(xiàn)人員傷亡事故。通過本次的工程實(shí)踐，表明微震監(jiān)測(cè)可以提前進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警，在災(zāi)害的孕育、發(fā)展階段就可定位出危險(xiǎn)源位置及其危險(xiǎn)程度。

微震事件釋放能量與地震矩之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以定量地表征監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)巖體抵抗變形的能力，一般用巖體剛度值d值作為表征參數(shù)，如圖9所示，將監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的微震事件群的能量值和地震矩值繪制散點(diǎn)圖，并對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合，其擬合值就是d值。表1為監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)2017年7月～9月d值統(tǒng)計(jì)，從表1中可以看到d值在8月明顯偏小，9月有所回升，而微震預(yù)警時(shí)間在8月初，8月上旬采取了隔離充填措施，之后9月巖體穩(wěn)定性表現(xiàn)較好。

圖9 能量—地震矩關(guān)系

監(jiān)測(cè)區(qū)域2017年7月2017年8月2017年9月d值0.7-0.30.2

4 結(jié)語

通過對(duì)采空區(qū)治理手段的對(duì)比分析研究，并考慮現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和施工條件，采用封堵采空區(qū)的方法進(jìn)行隱患處理，但考慮到封堵采空區(qū)不能完全消除地壓災(zāi)害隱患，因此通過建設(shè)區(qū)域性微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以非常及時(shí)地發(fā)現(xiàn)地壓災(zāi)害源，并能有效地進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，對(duì)于類似花垣鉛鋅礦復(fù)雜采空區(qū)的礦山可采用“封堵+監(jiān)測(cè)”的采空區(qū)治理模式，該模式具有技術(shù)難度不大、建設(shè)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣意義。