楊春柳，李尚英，劉 剛，陳國軍，李兆鵬

（中核集團北方鈾業(yè)有限公司， 遼寧葫蘆島市 125105）

某鈾礦緩傾斜礦體采空區(qū)處理方法探討

楊春柳，李尚英，劉 剛，陳國軍，李兆鵬

（中核集團北方鈾業(yè)有限公司， 遼寧葫蘆島市 125105）

針對某鈾礦Ⅱ1礦體采空區(qū)需要處理的實際情況，結(jié)合國內(nèi)常用采空區(qū)處理方法，對其處理方法進行探討，最終確定采用聯(lián)合處理法。探討結(jié)果及建議可作為類似礦體處理采空區(qū)的參考依據(jù)。

鈾礦；緩傾斜礦體；采空區(qū)處理；礦柱支護；崩落法；充填法；聯(lián)合處理

0 前 言

礦山企業(yè)生產(chǎn)運用崩落法、空場法等方法開采時，會形成較大面積采空區(qū)。遺留的采空區(qū)隨暴露時間的增加，穩(wěn)定性越來越差，會發(fā)生采場頂板圍巖崩塌、地面沉降、失穩(wěn)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，若不及時處理，不但影響到正常的生產(chǎn)秩序，而且有可能發(fā)生安全事故?？刂频V體及圍巖的穩(wěn)定性一直是采礦技術(shù)人員需要解決的問題。圍巖的穩(wěn)定性影響因素較多，如圍巖的物理參數(shù)、受力狀態(tài)等，對其處理的實質(zhì)就是緩解巖體應(yīng)力集中程度，使巖體中的應(yīng)力重新分布，減小結(jié)構(gòu)的幾何變形，應(yīng)變能得到釋放，達到新的應(yīng)力平衡，真正實現(xiàn)地壓的有效管理，保證礦山安全生產(chǎn)［1－8］。

隨著核能產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，促進了鈾礦冶的快速發(fā)展，對鈾礦山的產(chǎn)能提出了更高的要求，而隨著高強度的開采，某鈾礦形成了面積較大的采空區(qū)。本文根據(jù)某鈾礦山Ⅱ1緩傾斜礦體采空區(qū)的處理要求，對其處理方法進行探討。

1 地質(zhì)及開采條件概況

某鈾礦Ⅱ1礦體空間賦存形態(tài)復(fù)雜，主礦體回采工作已接近尾聲。該礦體所屬中段地層總體概況如下。

復(fù)成份礫巖：為河床相沉積巖層。淺灰、淺肉紅色，礫石成份復(fù)雜，以花崗巖、凝灰?guī)r為主，另有砂巖、脈巖等。礫石直徑大，夾透鏡狀復(fù)成份砂巖，膠結(jié)物為凝灰?guī)r、玻璃質(zhì)、長石、石英砂巖。局部地段有礦化，礦化部位有黃鐵礦、有機質(zhì)。

凝灰質(zhì)砂礫巖：為河漫灘相、河湖過渡相沉積，是主要含礦巖層。下部為富含有機質(zhì)、凝灰角礫為特征的礫巖段，上部為長石、石英為主的砂巖段。礫石成份以凝灰?guī)r、花崗巖為主，間有砂板巖、石英巖等，膠結(jié)物為凝灰質(zhì)和少量有機質(zhì)。

凝灰?guī)r：湖盆相沉積。淺灰色、米黃色、灰黑色，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀、條帶狀、似角礫狀構(gòu)造，膠結(jié)物為火山巖、玻璃質(zhì)為主。

安山巖：為礦體蓋層。斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斑晶主要為中性斜長石，少量角閃石、云母，基質(zhì)呈坡基交織結(jié)構(gòu)，主要由玻璃質(zhì)及少量磁鐵礦組成。

根據(jù)Ⅱ1礦體的幾何形態(tài)、位置、產(chǎn)狀、價值及所處的工程環(huán)境，結(jié)合礦山生產(chǎn)實際，回采時采用全面法結(jié)合無軌設(shè)備開采，遺留下面積不小的采空區(qū)（見圖1）。

2 處理方法選擇

2.1 采空區(qū)常用處理方法

為了確保礦山永久性井巷和相關(guān)輔助巷道在服務(wù)年限內(nèi)正常運行，減小采空區(qū)對這些工程的影響，必須對其進行處理。目前國內(nèi)外對礦山采空區(qū)的處理方法按采礦方法分類大致有4種：礦柱支撐法、充填料充填法、崩落圍巖法以及聯(lián)合處理法。

（1）永久礦柱支撐法。用房柱法或全面法回采時，會在采場保留部分貧礦或者廢石作為支撐單元，以控制直接頂板圍巖的變形。留設(shè)礦柱或構(gòu)筑混凝土柱處理采空區(qū)，一般適用于礦體埋深較淺、平伏層狀或扁豆狀、礦石和圍巖都很穩(wěn)固、地質(zhì)構(gòu)造面較少的緩傾斜礦體。礦柱支撐法要避免留設(shè)過多礦柱造成地質(zhì)儲量損失，尤其對于稀有金屬而言，在礦山服務(wù)年限內(nèi)，可能會造成不小比例的礦石損失，因此應(yīng)盡可能對礦柱進行回收。由于礦柱的位置與礦柱上部圍巖的跨度穩(wěn)定性有關(guān)，在回采礦柱過程中會造成一部分頂板冒落，此時人工砼柱支護就能發(fā)揮作用。

圖1 采空區(qū)分布示意

（2）充填處理法。為了控制局部采場幫壁的工作狀態(tài)和采場近場圍巖的位移，防止大面積地壓活動，并有助于解決尾礦和采掘廢石的堆放問題，人工處理采空區(qū)的另外一種方法就是使用充填法處理空區(qū)。充填法和其他處理方法比較而言費用較高、工藝復(fù)雜，適合在下列情況使用：控制圍巖位移對井下工程的破壞；上部礦體、地表的建筑物、構(gòu)筑物或農(nóng)業(yè)耕地需要保護；充填量巨大的采場；貴重金屬或者高品位礦體的回采。

充填法處理空區(qū)包括廢石干式充填和尾砂、碎石水力充填［9］。廢石干式充填處理空區(qū)的優(yōu)點為：充填系統(tǒng)利用礦山溜井等巷道，輸送簡單，材料來源容易，充填成本低；充填料的級配要均勻，急傾斜的薄礦脈采空區(qū)適合于此方法。缺點是充填體的沉降率較大，難于充分充填接頂，廢石人工充填效率低，有時需從地表其他地方采石，增加充填成本；部分礦山會因采空區(qū)處理作業(yè)滯后，采場空頂時間過長，充填系統(tǒng)過早破壞，影響采空區(qū)處理進度。

尾砂、碎石水力充填空區(qū)的優(yōu)點為：充填較致密，能夠充分接頂，可更好地控制頂板巖層位移和崩落，保護地表安全，提高礦石回收率；用尾砂充填，可改善地表環(huán)境，減少尾礦壩庫容；管道輸送效率較高。缺點是需建立尾砂分級、碎石破碎、充填輸送系統(tǒng)等設(shè)施，一次性投資較大，工藝管理要求嚴格。

（3）崩落法處理采空區(qū)。崩落圍巖處理空區(qū)的實質(zhì)是用爆破的圍巖松散體充填空區(qū)并形成緩沖墊層，緩和應(yīng)力集中，防止采區(qū)內(nèi)大面積圍巖突然崩落產(chǎn)生氣浪對工程巷道、設(shè)備和人造成危害。該方法簡單易行，成本較低，應(yīng)用范圍較廣泛，一般適用于：地表允許崩落，地表崩落后對礦區(qū)及其周邊生產(chǎn)無害；回采礦柱和處理空區(qū)同時進行，礦石貧化損失大，礦石價值不高、低品位的礦體。此方法的缺點是：若上部沒有足夠的巖石墊層和嚴格的封閉措施，會帶來安全隱患。

（4）聯(lián)合處理法。由于礦體的成礦條件、產(chǎn)狀各異，形成的采空區(qū)也千差萬別，單一的處理方法不能完全解決問題，聯(lián)合處理方法便應(yīng)運而生。比如空場法回采緩傾斜礦體留下的采空區(qū)處理，可以采用留設(shè)礦柱支撐頂板圍巖，還可以對采空區(qū)進行充填，充填體不但可以滿足上部頂層圍巖及圍壁變形控制的需要，而且還能夠起到臨時人工礦柱的效果，給回收采場的預(yù)留礦柱提供便利。崩落法處理的空區(qū)可能會發(fā)生后續(xù)的變形破壞，故還應(yīng)采取封閉處理措施。封閉法的主要方法為封閉連通采空區(qū)的穿脈、斜坡道等巷道，如在有關(guān)巷道中砌筑巖石、混凝土阻波墻或者使用崩落巖石堵塞巷道。

2.2 采空區(qū)處理方法選擇

Ⅱ1礦體采空區(qū)處理方法本著安全可靠、經(jīng)濟合理、技術(shù)可行、及時的原則，從以下方面考慮：

（1）雖然鈾礦山生產(chǎn)規(guī)模較小，但鈾資源屬于稀有貴重金屬，為降低貧化損失率，一般使用充填法進行開采，在礦山初步整體設(shè)計的過程中已經(jīng)把充填系統(tǒng)考慮其中；

（2）限于設(shè)備水平及投資的規(guī)模，目前絕大多數(shù)鈾礦山使用上向水平干式充填法開采，濕式充填作業(yè)很少使用；

（3）鈾礦山地下開采存在氡及其子體的問題，為了確保井下通風(fēng)系統(tǒng)的正常運行和通風(fēng)質(zhì)量，保證作業(yè)人員良好的工作環(huán)境，對一些采空區(qū)及廢棄巷道要及時采取密閉措施；

（4）Ⅱ1礦體屬于緩傾斜礦體，單體設(shè)計過程中采用全面法結(jié)合無軌設(shè)備的配合進行開采。在開采過程中根據(jù)實際情況留有一部分礦柱，這些礦柱能夠保證頂板的安全，為了確保資源的最大化回收，對其中部分品位較高而對采空區(qū)安全影響不大的礦柱可以進行回收；

（5）根據(jù)Ⅱ1礦體采用的采礦方法、自上而下的采礦順序，在本礦體上部不存在其他采場，并結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，考慮到采空區(qū)對頂板的影響高度，部分采場可以考慮采用崩落頂板圍巖處理空區(qū)。

結(jié)合以上各種因素綜合考慮，結(jié)合鈾礦山的生產(chǎn)實際，Ⅱ1礦體采用礦柱支撐與充填法聯(lián)合使用的方法，并對進出采場的主要通道進行永久性密閉。

3 主要結(jié)論與改進建議

3.1 主要結(jié)論

（1）選擇適合的采空區(qū)處理方法，應(yīng)考慮礦山生產(chǎn)實際情況，如地質(zhì)條件、采礦方法、采礦順序、采空區(qū)狀況等因素，有針對性地提出采空區(qū)處理對策。Ⅱ1礦體空區(qū)采用礦柱支撐與充填法聯(lián)合使用，局部采場空區(qū)可以考慮采用崩落圍巖處理，并對相關(guān)聯(lián)通巷道進行永久性密閉。

（2）加強對采空區(qū)的變形觀測。采空區(qū)穩(wěn)定狀況的判定必須科學(xué)、及時，這是采空區(qū)處理方法選擇的前提條件。

（3）氡及其子體對鈾礦山的井下通風(fēng)質(zhì)量影響很大，對開采完的采場采空區(qū)要及時處理，一些廢棄的巷道要及時封閉，以免影響風(fēng)路和通風(fēng)質(zhì)量，確保符合輻射防護的標準要求。

（4）對于緩傾斜礦體的采空區(qū)所留的礦柱尺寸要保證采礦頂板的穩(wěn)定，盡量采用廢石留設(shè)，盡量減少資源損失，降低損失率與貧化率。

（5）由于采用干式充填法，要最大可能地保證充填料與圍巖之間的接頂問題。

3.2 改進建議

（1）由于能適應(yīng)鈾礦體的復(fù)雜變化，礦石損失和貧化率低，防護條件相對較好，故干式充填法回采礦體在鈾礦山應(yīng)用范圍較廣。此方法無需很大投入，但存在出礦、倒運環(huán)節(jié)占用時間長、充填料沉降程度較高、接頂困難等缺點，結(jié)合無軌設(shè)備的配合可提高勞動工效。目前多數(shù)鈾礦山采用破碎堆浸工藝回收資源，因此在完善干式充填系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可以考慮尾渣膠結(jié)充填、水力充填，可大大提高充填效率。

（2）加強自動化設(shè)備的投入，加強巖體活動的監(jiān)測，保證采空區(qū)變化情況的及時獲取，減輕測量人員工作量。

（3）采空區(qū)可以采用人工混凝土柱或者鋼管混凝土柱替換礦石柱，貧礦礦柱的留設(shè)可以垂直礦體的傾向，以求達到更好的受力狀態(tài)。

［1］鄭永學(xué).礦山巖體力學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1988.

［2］彭 欣.復(fù)雜采空區(qū)穩(wěn)定性及近區(qū)開采安全性研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2008.

［3］楊濤波，王曉軍，等.房柱法深部開采人工礦柱合理寬度設(shè)計［J］.有色金屬科學(xué)與工程，2011，2（2）：83－85.

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［6］羅毅莎，姚振鞏.采空區(qū)安全處理的對策措施研究［J］.采礦技術(shù)，2010，10（4）：65－67.

［7］劉洪磊，楊天鴻，黃德玉，等.桓仁鉛鋅礦復(fù)雜采空區(qū)處理方案［J］.東北大學(xué)學(xué)報，2011，32（6）：871－874.

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［9］《采礦手冊》編輯委員會.采礦手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

2011－11－07）

楊春柳（1985－），男，江蘇南通人，助理工程師，主要從事采礦技術(shù)與管理工作，Email：ycl858630＠yeah.net。