王海軍，薛辛陪

(北京礦冶研究總院，北京100160)

國外某銅鋅礦采空區(qū)治理方案研究

王海軍，薛辛陪

(北京礦冶研究總院，北京100160)

采空區(qū)的存留會對地表、地下開采都產(chǎn)生危害，需要及時治理。根據(jù)國外某銅鋅礦的實(shí)際條件，分析了可能會對地表和地下開采產(chǎn)生的危害。為避免潛在危害發(fā)生，在完成采空區(qū)三維建模、明確其空間位置關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性定性評價，將采空區(qū)劃分為單獨(dú)治理單元，進(jìn)行治理方案篩選。結(jié)果顯示，篩選出的采空區(qū)治理方案既能保證礦山的安全生產(chǎn)，也能獲得較好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

采空區(qū)危害;采空區(qū)治理;方案篩選

采空區(qū)的治理一直是地下開采的重要課題，國內(nèi)外主要采用崩落、充填、封閉采空區(qū)和類框架結(jié)構(gòu)采空區(qū)治理技術(shù)［1－2］來減少采空區(qū)對人員、設(shè)備的破壞。近些年來，采礦人員把采空區(qū)探測技術(shù)、采空區(qū)監(jiān)測技術(shù)［3］及數(shù)學(xué)模擬引入采空區(qū)治理，不斷努力實(shí)現(xiàn)采空區(qū)危害提前預(yù)報、及時預(yù)警、針對性治理的目標(biāo)。

采空區(qū)治理的根本目的是減少其危害，使地下開采安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)地開展。因此，在治理采空區(qū)時，一定要結(jié)合地下開采的規(guī)劃，做到統(tǒng)籌兼顧、未雨綢繆，既要保證地下開采的高效、連續(xù)，也要保證采空區(qū)治理及時、有效，做到安全生產(chǎn)?？梢姡煽諈^(qū)的及時治理尤其重要。

1 項(xiàng)目概況

1.1 礦山概況

該銅鋅礦山地處沙特阿拉伯ASIR高原Najran省，為大型硫化物礦床，存在于火山巖、沉積巖和侵入巖的邊際和雜巖中，主要硫化礦物質(zhì)有黃鐵礦、閃鋅礦以及黃銅礦。礦山主要分為三個礦區(qū)。礦區(qū)一礦體的平均水平厚度為7.7 m，密度3.5 t/m3;礦區(qū)二的礦體厚度為5.7 m，密度3.4 t/m3;礦區(qū)三的礦體厚度為6.0 m，密度3.0 t/m3。圍巖密度2.6～2.8 t/m3。依據(jù) JORC標(biāo)準(zhǔn)并按照鋅-銅折算的5%的鋅當(dāng)量邊界品位圈定探明和控制的總資源量9 433 081 t。在該礦區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)了24種不同的巖石，已經(jīng)探明的礦區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的構(gòu)造界限。屬于穩(wěn)固礦巖，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件屬于簡單類型。但該礦山礦區(qū)一地表有季節(jié)性河流(Wadi，圖1所示)經(jīng)過，每年的4～5月為雨季。

1.2 礦體開采方案

礦山采用地下開采，斜坡道開拓，中央兩翼式通風(fēng)方式，無軌設(shè)備鏟裝及運(yùn)輸，生產(chǎn)規(guī)模為70萬t/a。

根據(jù)礦體賦存條件(圖1所示)及以后礦柱回采要求，在礦體與地表間留有40 m厚的保安礦柱，防止礦區(qū)貫通地表“Wadi”，上下階段間留有30 m厚的頂?shù)字糜诓煽諈^(qū)的初期支撐及壽命期末的礦柱回收。

綜合地質(zhì)、巖石力學(xué)和采場集合參數(shù)等因素，該礦山采用分段空場采礦法，礦房按走向布置，礦房尺寸長為85～90 m，間柱為12～15 m，礦房寬度為礦體厚度，階段高度為60～95 m，分段高度一般為30 m，鑿巖巷道規(guī)格為5 m×4.5 m。

圖1 礦體賦存狀態(tài)圖Fig.1 Schematic diagram of the orebody occurrence state

圖2 開采現(xiàn)狀圖Fig.2 Schematic diagram of current status of exploration

1.3 礦山開采現(xiàn)狀

礦區(qū)一為礦量最大、開拓最早的礦區(qū)，礦區(qū)二正在進(jìn)行前期開拓還未形成礦塊生產(chǎn)能力，礦區(qū)三正在進(jìn)行補(bǔ)充勘探。

礦區(qū)一開拓工程基本完成，開拓礦量387.5萬t，采礦生產(chǎn)已經(jīng)完成3個礦塊的開采，礦塊累積生產(chǎn)礦量約66.3萬t，目前形成約19.5萬m3的采空區(qū)。礦區(qū)一已于2013年達(dá)產(chǎn)，圖2為礦區(qū)一開采現(xiàn)狀圖。

礦區(qū)一礦體較厚，尤其是圖2中1 515 m水平4#采空區(qū)，礦體最厚可達(dá)40 m，達(dá)到了保安礦柱的厚度，而且保安礦柱上方為季節(jié)性河流，這些都是采空區(qū)危險因素，需要重點(diǎn)關(guān)注。

2 采空區(qū)危害

采空區(qū)是隱伏的，其危害也是很難預(yù)判、預(yù)知的，對采空區(qū)的危害防范比較困難，另外每個礦山的實(shí)際情況也不同，就需要辨別采空區(qū)可能發(fā)生的危害。

2.1 采空區(qū)對地表的破壞

當(dāng)?shù)叵麻_采影響到達(dá)地表以后，在采空區(qū)上方地表將形成一個凹陷盆地，或稱地表移動盆地。一般來說，地表移動盆地的范圍要比采空區(qū)面積大得多，形狀近似橢圓形。主要表現(xiàn)的危害為地表坍塌、山體滑坡等。采空區(qū)地表變形的大小及其發(fā)展趨勢、地表移動盆地的形態(tài)與范圍等受礦體賦存深度、礦體厚度、巖體強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況、地下水活動及地下開采方式等多種因素影響［4－5］。地表塌陷或山體滑坡對地表構(gòu)筑物的影響很大，間接引起工業(yè)場地或居民區(qū)的搬遷，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失與較壞的社會影響。其次也可能造成環(huán)境的破壞，比如綠色植被的破壞、地下水徑流的破壞，影響生態(tài)環(huán)境，貽害后代。

2.2 采空區(qū)對地下開采的影響

采空區(qū)作為礦山地下開采的伴生物，其危害是多方面的，不但是多種礦山地質(zhì)災(zāi)害的直接誘發(fā)因素，同時對礦山日常安全生產(chǎn)管理工作造成許多影響。采空區(qū)可能造成的危害包括直接影響礦山安全生產(chǎn)和間接影響人員、設(shè)備安全等。采空區(qū)對地下開采的主要危害見表1［6］。

2.3 礦山采空區(qū)危害

隨著礦山的繼續(xù)開采，采空區(qū)不斷發(fā)展，采空區(qū)存留時間也在增加。該礦山采空區(qū)危害主要表現(xiàn)為以下幾個方面:

表1 采空區(qū)危害種類、發(fā)生原因、影響范圍Table 1 Hazard types，causes，influence scope of the goaf

1)由于采空區(qū)引起的應(yīng)力集中，可能造成保安礦柱產(chǎn)生裂隙，這些裂隙很容易成為“Wadi”的導(dǎo)水通道，給井下排水系統(tǒng)造成壓力，也有可能引發(fā)短期設(shè)備淹沒事故，造成礦山停產(chǎn)。

2)采空區(qū)的破壞繼續(xù)發(fā)展，有可能造成部分頂板塌落，直接使采空區(qū)貫通“Wadi”，在雨季來臨時會引發(fā)大量水的涌入，造成淹井事故，可能會引起人員傷亡、設(shè)備損壞等，造成礦山的長期停產(chǎn)。

3)采空區(qū)的部分坍塌發(fā)生在旱季，塌方產(chǎn)生氣浪也有可能傷害井下工作人員、設(shè)備，造成不必要的損失，在雨季來臨之前還需要把“Wadi”改道，增加開采成本。

4)采空區(qū)貫通地表，會破壞井下通風(fēng)系統(tǒng)，使新鮮風(fēng)流路線紊亂，造成生產(chǎn)通風(fēng)困難。

由于采空區(qū)距離地表較近，目前地壓不是很大，發(fā)生巖爆的可能性不大，但隨著開采的進(jìn)行，如不及時治理采空區(qū)，會造成應(yīng)力集中，發(fā)生局部巖爆;礦石也無自燃性，不會出現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)自燃危害;在生產(chǎn)過程中，尤其是距離采空區(qū)作業(yè)較近時，零星發(fā)生過夾鉆事故，影響不大。地下開采崩落范圍內(nèi)的地表無構(gòu)筑物，但有“Wadi”在礦區(qū)上方穿過(圖1所示)，所以上述4個方面是該礦山采空區(qū)的主要危害。

3 采空區(qū)治理措施

國內(nèi)外治理采空區(qū)的主要措施如下:首先對隱伏未探明的采空區(qū)進(jìn)行探測，然后對探明的采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析評價，再選用崩落、充填或封閉措施治理，并對采空區(qū)進(jìn)行應(yīng)力、位移監(jiān)測，達(dá)到既能及時預(yù)防危害發(fā)生、又能有效治理采空區(qū)的目的，保證地下開采的高效、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保。

3.1 采空區(qū)探測技術(shù)

常用的地下采空區(qū)物理探測方法包括高密度電阻率法、地震映象法、探地雷達(dá)法和激光法等［7－8］。但是對于新建礦山來說，完整、準(zhǔn)確的基建、生產(chǎn)期的測量及礦體建模，可以減少前期采空區(qū)的探測工作量，只需要對地質(zhì)條件復(fù)雜的礦山進(jìn)行補(bǔ)充探測。該礦山地質(zhì)條件比較簡單，前期測量、礦體建模都比較完備，此外中深孔生產(chǎn)均是依據(jù)測量、礦體建模成果，爆破后形成的采空區(qū)形態(tài)比較準(zhǔn)確，如圖3所示，也能很清楚地反映出采空區(qū)與地表、“Wadi”的相對空間關(guān)系。

圖3 采空區(qū)及其空間位置關(guān)系圖Fig.3 Schematic diagram of goaf and its spatial location

3.2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

通過3.1可知，該礦山的采空區(qū)形態(tài)、空間位置關(guān)系比較清楚。對該礦山采空區(qū)穩(wěn)定性僅做定性分析，待詳細(xì)設(shè)計時再進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。從采空區(qū)形態(tài)、空間位置關(guān)系、圍巖情況分析來看，1 515 m水平4#采空區(qū)發(fā)生采空區(qū)危害的可能性最大，需要對其進(jìn)行重點(diǎn)治理，而且，1 515 m水平4#采空區(qū)作為首要被治理采空區(qū)，還影響著礦柱的回采及礦石的損失、貧化。

3.3 采空區(qū)治理方案分析

通過采空區(qū)探測及穩(wěn)定性分析定性評價，給采空區(qū)的治理順序提供了參考。目前，國內(nèi)采用的治理措施主要包括崩落圍巖治理采空區(qū)、充填采空區(qū)、保留永久礦柱支護(hù)及封閉隔離采空區(qū)等。針對該礦山，要結(jié)合井下開采現(xiàn)狀與開采規(guī)劃，使采空區(qū)治理有效、及時地開展，防止采空區(qū)引起的危害發(fā)生。本文將幾種可能性的治理方案進(jìn)行闡述并分析，各方案如表2所示。

表2 采空區(qū)治理方案Table 2 Scheme of goaf management

從表2可知，對采空區(qū)治理可以有很多種不同的方案，做到方案準(zhǔn)確應(yīng)用不僅需要進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價，而且還需要結(jié)合礦山所在國家、礦山的實(shí)際情況。本文嘗試用專家打分法進(jìn)行方案初步篩選。

本文將采空區(qū)劃分為單獨(dú)的治理單元，按表3進(jìn)行打分，針對每個治理單元篩選適用的治理方案。

表3 采空區(qū)治理方案專家打分表Table 3 Expert scoring table for goaf governance

評分過程中，可選擇多個有經(jīng)驗(yàn)的工程師，尤其是熟悉礦山實(shí)際情況的技術(shù)人員進(jìn)行打分并匯總，選出1～2個方案作為治理單元的候選方案。

3.4 采空區(qū)治理方案篩選及注意事項(xiàng)

通過采空區(qū)資料收集及穩(wěn)定性定性評價，可以初步掌握每個單獨(dú)采空區(qū)的形態(tài)及穩(wěn)定性優(yōu)劣。

從3.1知，目前主要的采空區(qū)為3#、4#、5#采空區(qū)，且其規(guī)模較大，離地表“Wadi”較近。本文主要將其作為單獨(dú)治理單元進(jìn)行專家打分、方案選擇。經(jīng)過打分、取整后，方案篩選結(jié)果如表4所示。

表4 采空區(qū)治理方案篩選表Table 4 Expert scoring table for goaf governance

經(jīng)過專家評分，可以得到每個采空區(qū)治理的候選方案。經(jīng)綜合分析、討論，兼顧礦山的開采規(guī)劃，使綜合治理方案達(dá)到施工方便、生產(chǎn)管理容易、經(jīng)濟(jì)性好、安全性好等要求。該部分采空區(qū)治理方案如圖4所示。

具體方案:

第一步:先用方案2進(jìn)行4#采空區(qū)的治理，一是支撐上部保安礦柱，二是在回收礦柱時可以防止廢石混入造成礦石貧化。

第二步:回收X-4、X-5間柱，其中X-4間柱爆破至3#采空區(qū)進(jìn)行出礦，X-5間柱爆破至5#采空區(qū)進(jìn)行出礦。

第三步:利用方案5進(jìn)行3#采空區(qū)的治理，一是用于支撐上部保安礦柱，二是在回收X-3間柱、頂?shù)字鶗r防止廢石混入造成礦石貧化。

第四步:利用方案4進(jìn)行5#采空區(qū)的治理，治理前需要將圖中“提前開采及端部損失”部分回采完畢。

經(jīng)過以上4步，可以實(shí)現(xiàn)該礦山目前采空區(qū)的綜合治理，既能消除采空區(qū)存留帶來的危害，也能回收全部礦柱，且充填成本較低。

此外，在生產(chǎn)中還要加強(qiáng)生產(chǎn)管理、安全管理［9－10］，積極開展實(shí)際工作，并在治理采空區(qū)前、后增加采空區(qū)應(yīng)力、位移監(jiān)測，消除隱患，做到“未雨綢繆”。

圖4 采空區(qū)綜合治理方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of goaf comprehensive management

4 結(jié)論

本文在采空區(qū)的賦存狀態(tài)探測的基礎(chǔ)上，完成了采空區(qū)對該礦山的危害分析。并對采空區(qū)進(jìn)行三維建模，為采空區(qū)的穩(wěn)定性定性評價、方案探討與確定提供了依據(jù)。最后通過專家打分法，明確采空區(qū)治理的意圖與實(shí)現(xiàn)途徑。該礦山應(yīng)在可行性方案的指導(dǎo)下積極開展實(shí)際工作，避免貽誤采空區(qū)治理時機(jī)。這樣既能實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，也能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是能夠帶來社會和環(huán)境效益。

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Study on goaf management of a Cu-Zn Mine in abroad

WANG Haijun，XUE Xinpei
(Beijing General Research Institute of Mining＆Metallurgy，Beijing 100160，China)

The residual goaf has damage on the surface and underground mining.And it should be treated timely.According to the actual conditions of the mine，this paper analyzes the probable damages to the surface and underground mining.For avoiding damages happening and based on the goaf 3D modeling and clear goaf space relationship，this paper passed judgment on goaf stability.Then，it divided underground goaf to be single management unit for selecting a suitable treatment project.The result can not only guarantee the safety in production，but also obtain good economic and social benefits.

goaf hazard;goaf management;management selection

TD853.391

Α

1671-4172(2015)01-0019-06

王海軍(1986－)，男，工程師，碩士，采礦工程專業(yè)，主要從事采礦設(shè)計及生產(chǎn)管理工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.005