劉彥賓,馮煜彪,賀富領(lǐng)

(河南省巖石礦物測(cè)試中心, 河南鄭州 450003)

淺談非煤礦山地下采空區(qū)處理措施

劉彥賓,馮煜彪,賀富領(lǐng)

(河南省巖石礦物測(cè)試中心, 河南鄭州 450003)

地下采礦所遺留的采空區(qū)存在諸多安全隱患,頻頻引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,已引起社會(huì)廣泛關(guān)注?？偨Y(jié)了采空區(qū)處理技術(shù)措施及其適用條件,合理的選取采空區(qū)處理技術(shù)措施對(duì)于礦山有效利用資源、及時(shí)消除安全隱患、最大限度的減少成本等方面都具有很重要的意義。

采空區(qū);空區(qū)治理;非煤礦山;冒頂;片幫

改革開放以來(lái),由于一些企業(yè)對(duì)采空區(qū)缺乏及時(shí)有效的處理,使我國(guó)地下采空區(qū)面積越來(lái)越大,其遺留的安全隱患也越來(lái)越多。地下采空區(qū)頻頻出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害,已經(jīng)引起社會(huì)廣泛關(guān)注,也給礦山安全生產(chǎn)敲響了警鐘[1]。規(guī)模巨大的采空區(qū)已成為地下礦山的主要災(zāi)害源之一,可能導(dǎo)致礦震、突水、巖爆、地面塌陷等多種災(zāi)害。遺留采空區(qū)處理已是礦山企業(yè)面臨的重要課題[1～5]。

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)礦山采空區(qū)事故類型和三門峽靈寶市 20多座非煤礦山處理地下采空區(qū)方面的成功經(jīng)驗(yàn),同時(shí)參考國(guó)內(nèi)一些文獻(xiàn)資料,分析并提出了地下采空區(qū)處理方面的對(duì)策措施及其適用條件。

1 地下采空區(qū)存在的主要危害類型

埋藏在地下的礦體被采動(dòng)、掘空后,礦體周圍巖體的力學(xué)平衡被打破,在重力和應(yīng)力作用下,便產(chǎn)生裂隙和斷移,形成了采空塌陷區(qū)。這些空區(qū)的長(zhǎng)期存在使一些礦區(qū)的地壓活動(dòng)加劇,相繼從局部突然崩落發(fā)展到大范圍的突然崩落,并引起地表大范圍的巖移,有的造成了較嚴(yán)重的破壞。地下采空區(qū)存在的危害,主要是采空區(qū)圍巖失穩(wěn)引起的,其主要表現(xiàn)為采空區(qū)大范圍垮落或陷落,地面陷落,采場(chǎng)頂板大范圍垮落、陷落,巷道或采掘工作面的片幫、冒頂?shù)萚1]。

(1)采空區(qū)大范圍垮落、陷落。采空區(qū)大范圍突然垮落時(shí),冒落的巖石以極快的速度壓縮采空區(qū)內(nèi)的空氣,并在極短的時(shí)間將內(nèi)部氣體排出,在空區(qū)和巷道內(nèi)會(huì)形成一股強(qiáng)大的沖擊波,該沖擊波作用于巖體,引起巖體塌陷,同時(shí),采空區(qū)內(nèi)大量的有害氣體也會(huì)排放到作業(yè)場(chǎng)所。采空區(qū)大范圍垮落的危害巨大,一旦發(fā)生,可能造成井下工作人員大量傷亡、巷道變形、工作場(chǎng)所及其設(shè)備、設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞,也可能會(huì)引發(fā)其他災(zāi)害等。1993年,山東省棗莊市一石膏礦 5000m2的采空區(qū)突然大范圍垮落,強(qiáng)大的沖擊波使井下十多人當(dāng)場(chǎng)喪生,可見采空區(qū)突然大范圍垮落的危害極大[1]。

(2)地表陷落。地下采空區(qū)變形、塌陷后,采空區(qū)上部覆巖層的應(yīng)力平衡被破壞,導(dǎo)致巖層和地表移動(dòng),發(fā)展到一定程度便會(huì)使地表陷落,引發(fā)地表建筑物或其他設(shè)施下沉和倒塌,形成地表裂縫、塌陷坑。地表陷落所形成的地表塌陷坑匯集地表水,當(dāng)塌陷坑和井下巷道、采空區(qū)有水力聯(lián)系時(shí),塌陷坑內(nèi)積水可能通過(guò)巖層斷裂帶進(jìn)入地下,不僅增加井下排水負(fù)擔(dān),還有可能引起井下透水事故。

(3)采空區(qū)頂板垮落、陷落。采場(chǎng)頂板大范圍垮落時(shí)會(huì)對(duì)空區(qū)底板產(chǎn)生巨大的沖擊力,并將能量傳遞至其他井下工程,對(duì)井下工程尤其是礦柱的破壞性很大,還有可能誘發(fā)地震,威脅安全生產(chǎn)。采空區(qū)頂板垮落、陷落常常導(dǎo)致采場(chǎng)和周圍的巷道、設(shè)備和設(shè)施破壞、人員的傷亡,也可能造成其他危害。2005年 11月 6日,河北省邢臺(tái)縣尚汪莊石膏礦區(qū)的三個(gè)石膏礦發(fā)生特大坍塌事故,引起地表坍塌,并誘發(fā)里氏 3.1級(jí)地震,形成一面積約 5.3萬(wàn) m2的塌陷區(qū),死亡 37人,地面 88間房屋倒塌。

(4)巷道或采掘工作面的片幫、冒頂。相鄰采空區(qū)被礦柱和封閉墻隔開,一旦某個(gè)采空區(qū)發(fā)生失穩(wěn),必定會(huì)對(duì)周圍空區(qū)的穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大影響,使其他地下工程的受力發(fā)生巨大變化,并可能引起連鎖反應(yīng)而造成巷道或采場(chǎng)大規(guī)模的片幫和冒頂,導(dǎo)致人員傷亡、巷道及設(shè)備、設(shè)施破壞等災(zāi)害。

2 采空區(qū)處理

采空區(qū)處理方法較多,一般來(lái)說(shuō),應(yīng)遵循統(tǒng)一性、及時(shí)性、合理性的原則[3]。采空區(qū)處理應(yīng)統(tǒng)一考慮整個(gè)礦床中各種礦體的回采工藝與空區(qū)處理,且選擇某種采空區(qū)處理方法必須要技術(shù)上可行,經(jīng)濟(jì)上合理。

采用空?qǐng)龇▽?duì)礦床開采,所形成的采空區(qū)按賦存條件不同,可以分為緩傾斜中厚以下礦體開采空區(qū)、急傾斜薄礦脈群開采空區(qū)、傾斜、急傾斜中厚礦體開采空區(qū)等 3種類型。各類采空區(qū)可能是單獨(dú)存在的,也可能是幾個(gè)空區(qū)分布在一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)階段上;空區(qū)有與地表直接相通或不直接相通等情況。根據(jù)采空區(qū)處理特征,目前采用的處理技術(shù)措施主要有以下 5種:

(1)隔離法處理采空區(qū)。礦山在回采工作結(jié)束后,利用預(yù)留的礦柱支撐頂板巖石,較長(zhǎng)時(shí)間維護(hù)采空區(qū)。為了安全起見,需在相關(guān)地點(diǎn)砌筑封閉墻,使采空區(qū)與工作區(qū)隔絕,并利用通往地面的天井放出采空區(qū)內(nèi)氣流,一旦圍巖冒落,將會(huì)減少對(duì)工作區(qū)的沖擊力。該方法一般適用于分散、孤立、不連續(xù)的小礦體和盲礦體以及礦體的邊緣部分,頂板極其穩(wěn)固、規(guī)模較大的礦體,回采速度很快和礦柱比例小于8%～12%的薄礦體。

(2)自然崩落頂板處理采空區(qū)。有些層狀礦體和穩(wěn)固性較差的頂板巖石,即使留設(shè)礦柱比例很大,在采場(chǎng)回采結(jié)束后,頂板巖石也會(huì)隨之變形和崩落。因此,可利用這一特點(diǎn),找出頂板崩落的步距。礦房回采結(jié)束后,封閉采空區(qū),使頂板圍巖在采場(chǎng)內(nèi)依次自行離層崩落,起到逐步充填采空區(qū)的目的。該方法一般適用于層狀礦床、地表允許崩落的礦山以及在一定的崩落步距和一定的暴露面積下,頂板巖石有離層可能性的礦山。礦柱比例小于 3%～15%的礦山也可采用。

(3)充填物料處理采空區(qū)。當(dāng)采空區(qū)上部有建筑物時(shí),由于地表不允許大面積塌陷,就不能采用崩落空區(qū)的方法處理采空區(qū),這時(shí)可采用充填物料充填采空區(qū)。根據(jù)充填工藝和充填物料的不同,常用的充填方法可分為濕式(尾砂)充填和干式(廢石)充填。濕式充填一般采用尾砂作為充填物料,干式充填采用廢石作為充填物料。需要注意的是,濕式充填必須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行封閉,且其封閉構(gòu)筑物的強(qiáng)度應(yīng)能承受充填體的壓力。該方法適用于地表以及地下含水層不允許陷落的礦山;礦山地表有大量尾砂或不宜設(shè)置尾礦庫(kù);礦脈較密集或埋藏較深,其采空區(qū)容易產(chǎn)生較大規(guī)模巖移和垮塌的礦山,其處理采空區(qū)效果好。

(4)崩落圍巖處理采空區(qū)[4]。對(duì)于圍巖較穩(wěn)固和尚未掌握頂板冒頂規(guī)律的采場(chǎng),采用中深孔、深孔或藥室爆破,崩落大量的圍巖來(lái)充填采空區(qū),從而消減空?qǐng)鰩r移,保證回采工作安全。該方法適用于地表允許崩落以及地采轉(zhuǎn)露天開采的礦山。

(5)聯(lián)合處理采空區(qū)?；夭珊笏粝碌牟煽諈^(qū),僅采用一種采空區(qū)處理方法很難達(dá)到處理效果時(shí),則需采用兩種或兩種以上的方法方可達(dá)到處理采空區(qū)的目的。例如采用強(qiáng)制崩落圍巖充填采空區(qū)時(shí),崩下的巖量不能補(bǔ)償采礦所造成的空間,隨著向下階段的開采,空間增大到足以導(dǎo)致上部巖石大面積錯(cuò)動(dòng)崩落,這時(shí),可在適宜的一、二階段內(nèi)不回收礦柱,不破壞圍巖,并對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填,以作為下部開采時(shí)的保護(hù)層。該方法一般適用于地表允許崩落、開采埋藏比較深的礦體。

3 結(jié) 論

采空區(qū)處理技術(shù)措施的合理選取是礦山采礦活動(dòng)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié),特別在我國(guó)礦產(chǎn)資源相對(duì)緊張的情況下,合理的選取采空區(qū)處理技術(shù)措施對(duì)于礦山有效利用資源、及時(shí)消除安全隱患、最大限度的減少成本等方面都具有很重要的意義。本文總結(jié)了采空區(qū)治理方面的 5種技術(shù)措施及其適用條件,希望對(duì)礦山企業(yè)在選取采空區(qū)處理技術(shù)措施時(shí)能起到較好的借鑒作用。

[1] 王啟明,徐必根,唐紹輝,等.我國(guó)金屬非金屬礦山采空區(qū)現(xiàn)狀與治理對(duì)策分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2009,29(4):63～68.

[2] 黃英華,徐必根,唐紹華.房柱法開采礦山采空區(qū)失穩(wěn)模式及機(jī)理[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2009,29(4):24～26.

[3] 李偉明,徐必根.采空區(qū)沖擊災(zāi)害防治研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2009,29(3):60～61,85.

[4] 王永紅,王春毅,程秀升.采空區(qū)治理中的安全與技術(shù)管理[J].采礦技術(shù),2008,8(4):75～76,90.

[5] 徐必根,王春來(lái),唐紹輝.大尺度采空區(qū)巖體工程地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2008,28(1):57～60.

2010-05-09)

劉彥賓(1982-),男,河南尉氏人,助理工程師,從事非煤礦山設(shè)計(jì)、非煤礦山及尾礦庫(kù)安全評(píng)價(jià)工作,Email:lyb0378@163.com。