中等型采空區治理技術方案研究*

李佳盛,顏紅迪,李宇星

(湖南黃金洞礦業有限責任公司,湖南 岳陽市 414500)

0 引言

代縣國弘鐵礦位于山西省代縣東南的新高鄉趙家灣西南1.3 km 處,行政區劃隸屬代縣新高鄉。礦體厚度為6～15 m,平均傾角為70°,連續性較好,區內地層巖性單一,巖體結構以整體塊狀、層狀結構為主。巖石強度較高,礦層和頂底板巖石的穩固性較好,確定本礦區屬工程地質條件簡單的礦床,礦山設計采用無底柱階段崩落法開采。該礦山已經形成了2個回采中段,其中1605 m 中段已經回采結束,正在回采1580 m 中段。目前該礦山地下采空區還剩余有3個未進行治理,分別為1580 m 中段1#、2#、3#采空區,3 個空區距離地表(山體)只有40～60 m,具體采空區位置如圖1所示。

1 采空區周邊巖體力學參數及質量評價

為查明空區周邊的巖體工程地質條件和圍巖穩定性情況,采用SIROVISION 設備進行了工程地質調查[[1-3],并進行巖石物理力學性質試驗,而后根據Hoek,Carranza-Torres(2002)提出的巖體破壞經驗準則[4],得出巖體的力學參數,結果見表1。

表1 巖體力學參數

采用單一綜合指標RQD 和多個指標復合分級方法——Q 系統治理評價方法,對礦區范圍內出露的斜長角閃巖、石英型磁鐵礦、石英巖進行了巖體質量分級,所得結果如下。

(1) 斜長角閃巖:巖體質量為中至較好。

(2) 石英型磁鐵礦:巖體質量為良至好。

(3) 石英巖:巖體質量為中至較好。

2 采空區現場調查

目前遺留有3個采空區未進行有效治理,由于井下空區是在2020年開采形成的,內部情況不明,只能采用掃描的方式進行內部調查。采用三維激光掃描儀進行空區數據的采集[5],該儀器具有測量速度快、數據完整性好、數據拼接方便等優點。選用3DReshaper點云處理軟件完成數據內業處理工作[6],并輸出相關圖件。采用非接觸式三維激光掃描儀,可快速、安全、高效、全面地采集空區空間數據,建立空區三維模型,依據現有井巷工程實測數據建立工程模型[7],綜合分析空區情況,為礦山采空區治理、礦山安全管理提供基礎數據?，F場調查情況如圖2和圖3所示。

圖2 空區位置

圖3 3個空區具體掃描輪廓

此次三維激光測量充分掌握了已測空區的分布及空間情況,該空區數據可與礦體模型和礦山CAD 圖紙相結合,分析該區域空區基本情況[8],為下一步空區治理提供依據。目前3個采空區的具體情況見表2。

表2 3個采空區現狀尺寸

3 空區穩定性分析及分級

在前期巖體質量及穩定性分析、現場三維輪廓調查的基礎上,采用3D Mine、Rhino3D 軟件聯合建立了國宏礦業礦區及空區三維實體模型[9]。利用有限差分計算軟件FLAC3D 進行模擬計算[10],對礦區范圍內1#、2#、3#采空區周邊應力、位移及塑性區分布情況進行求解,對采空區穩定性情況進行進一步分析。本部分研究通過采空區穩定性理論分析方法,對目前礦山存留的1#、2#和3#采空區的穩定性進行了分析與分級,并采用三維數值模擬分析對采空區穩定性情況進行了計算,得到結論如下。

(1) 根據目前采空區尺寸及形態,以MATHEWS穩定圖法劃定結果為基礎,當以采空區頂板暴露面積作為采空區穩定性分級標準時,1#、2#、3#采空區的安全級別分別為I(安全)、II(較安全)、II(較安全)[11]。

(2) 使用Q 系統巖體分級結果作為依據,當以采空區最大無支護跨度作為劃定采空區穩定性分級標準時,1#、2#、3#采空區的安全級別分別為I(安全)、Ⅲ(較不安全)、Ⅲ(較不安全)[12]。

(3) 根據三維數值模擬計算結果,從采空區周邊圍巖應力分布狀態可以看出,采空區頂、底板通常受拉應力作用,采空區側幫及各角點受壓應力作用顯著,從應力大小及分布復雜情況來看,采空區穩定性狀態:1#采空區優于2#采空區,2#采空區優于3#采空區。從采空區開采完成后采場周邊位移情況來看,采空區主要存在頂板下沉和底鼓現象,從采空區周邊圍巖變形程度來看,1#采空區小于2#采空區,2#采空區小于3#采空區。從采空區周邊塑性區分布情況變化的角度來看,在采空區周邊圍巖應力平衡過程中,各采空區周邊圍巖都曾出現過塑性破壞,在達到應力平衡狀態后,采空區周邊塑形單元分布1#采空區少于2#采空區,2#采空區少于3#采空區。因此,當以數值模擬結果作為判定采空區穩定性依據時,1#、2#、3#采空區的安全級別分別為I(安全)、II(較安全)、Ⅲ(較不安全)[13]。

綜上所述,可以判定1#采空區目前安全等級為Ⅰ級(安全),2#采空區目前安全等級為Ⅱ級(較安全),3#采空區目前安全等級為Ⅲ級(較不安全),有必要對3#采空區進行有針對性的專項治理。

4 采空區治理方案研究

采空區目前治理的方法主要是封堵、充填、崩落和聯合處理。根據國弘鐵礦的空區現狀調查和穩定性分析結果,綜合考慮其空區的處理方案為聯合處理方案。采用充填法(干式廢石或濕式尾砂)和崩落法治理采空區的聯合方案[14]。

(1)3#采空區具體治理方案。對于3#采空區,將采用崩落圍巖放頂的方式進行治理,前期現場調查的3#采空區尺寸為51 m(長)×25.3 m(寬)×(8.9～22.0)m(高),空區面積為1046.6 m2,體積為12 817.4 m3,該處采空區底板標高為1577 m,地表平均標高為1640 m。利用現有采空區為自由面,采用中深孔側向爆破,使得現有空區達到極限暴露面積后,頂板實現自然崩落,頂板自然崩落后填實3#采空區。崩落治理方案如圖4 所示。崩落范圍依據現有3#采空區的分布狀況,考慮既要確保崩落至頂板跨度的極限位置,又要確保崩落的圍巖量可以滿足緩沖墊層的安全需要。通過考慮兩種因素的要求,計算得出3#采空區治理工程需要崩落的范圍為699.4 m2,崩落后總空區面積達到1746 m2,崩落圍巖量為9058 m3,屆時崩落層厚度將達到5.8 m,加上原有殘留的廢石即可達到6.8 m。崩落輔助工程布置需要增加一個鑿巖爆破巷道,利用現有的設備進行鑿巖,設計鑿巖巷道圍繞在1580 m 中段的3#采空區周邊。在東側和北側各布置一條鑿巖巷道,巷道規格設計為4 m×4 m,確保能夠滿足現有設備的鑿巖需要,總長度為104 m,總工程量為1664 m3。此次爆破共設計炮孔90個,總施工炮孔長度為1200 m,總裝藥量為6.7 t,需要電子雷管180發,該工程共計需要38 d。計算的緩沖層厚度為6.36 m,實際崩落后的巖層緩沖層的厚度可達6.8 m,緩沖層厚度能滿足安全要求。

圖4 采空區治理方案

(2)2#采空區具體治理方案。2#采空區屬于此次治理的第二采空區,穩定性狀況為較穩定,內有部分積水,積水深度為0.3 m,且已有部分廢石填充。經計算,必須要求在采空區底部充填4.6 m 厚的廢石,即可滿足安全要求。廢石充填量為2783 m3,廢石來源主要是3#采空區治理鑿巖巷道施工過程中產生的廢石[15]。

(3)1#采空區具體治理方案。1#采空區屬于此次治理的最小采空區,穩定性狀況為穩定,內有少量積水,且有部分廢石充填。根據計算公式,計算的緩沖層厚度為3.5 m,依據此計算結果,設計要求在采空區底部充填3.5 m 厚的廢石,廢石充填量為353.5 m3。廢石來源主要為3#采空區治理鑿巖巷道施工過程中產生的廢石[15]。

5 結論

(1) 通過三維激光掃描儀進行空區數據的掃描和采集,得出:1#采空區內部有碎石,空區體積為474.8 m3;2#采空區體積為5962.4 m3;3#采空區體積為12 817.4 m3。

(2) 計算分析得出1#采空區目前安全等級為Ⅰ級(安全),2#采空區目前安全等級為Ⅱ級(較安全),3#采空區目前安全等級為Ⅲ級(較不安全),有必要對3#采空區進行針對性的專項治理。

(3) 依據空區的穩定性和分級結果,綜合考慮目前空區治理的主要方法,分別對1#、2#采空區采用一定厚度的廢石進行充填處理,3#空區采用崩落側向圍巖處理。

(4) 通過對采空區采用充填和崩落的處理方式,較好地誘導崩落3#采空區至地表,利用3#采空區治理鑿巖巷道廢石充填了1#、2#采空區,消除了空區存在帶來的安全隱患。