高學(xué)通

(華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021)

金屬礦山條帶狀老舊采空區(qū)尾砂充填治理技術(shù)

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(華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021)

金屬礦山在長期的采礦活動中形成了規(guī)模巨大、情況復(fù)雜的地下隱伏采空區(qū)，給礦山生產(chǎn)帶來嚴(yán)重安全隱患，尤其對于礦區(qū)建設(shè)場地內(nèi)存在的下伏采空區(qū)，必須采取合理的治理措施。借助江西某礦山采空區(qū)治理工程，針對施工中遇到的條帶狀采空區(qū)，綜合采用了改進(jìn)型組合鉆具、高精度陀螺測斜儀、陀螺偏心糾斜工藝及井下電視探測技術(shù)，保證充填鉆孔能夠直達(dá)采空區(qū)頂板；充填施工中，優(yōu)化選取尾砂-水泥膏狀漿液配比，采取了多項(xiàng)技術(shù)措施控制充填接頂和冒落堆填體的膠結(jié)，有效保證了采空區(qū)治理效果。相關(guān)研究成果和技術(shù)措施可以為類似工程提供借鑒和指導(dǎo)。

金屬礦山；條帶狀采空區(qū)；尾砂充填；膏體漿液

0 引 言

采空區(qū)是人為開采礦產(chǎn)資源而在地表下面產(chǎn)生的“空洞”，目前我國很多礦山由于過去長期的采礦生產(chǎn)活動，在礦區(qū)不同位置和深度上分布著大大小小各種形態(tài)的采空區(qū)。由于過去采礦方式和礦山資料管理水平的落后，很多的老舊采空區(qū)具有隱伏性強(qiáng)、空間分布特征規(guī)律性差、頂板冒落塌陷情況難以預(yù)測等特點(diǎn)，給礦山安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的威脅[1]。

另外，如果需要在存在下伏采空區(qū)的場地上進(jìn)行工程建設(shè)的話，必須采取相應(yīng)手段查明采空區(qū)的分布特征，選擇合理的治理方案，以保證地基穩(wěn)定性和上部建(構(gòu))筑物的安全。目前，對于尚未完全沉陷穩(wěn)定的采空區(qū)，常采用在地表鉆孔直達(dá)空區(qū)頂板，將漿液注入采空塌陷區(qū)和覆巖裂隙帶中，由漿液形成的結(jié)石體阻止上覆巖層及地表的進(jìn)一步變形，該方法目前應(yīng)用廣泛，取得了良好的治理效果[2￣5](見圖1)。

圖1 采空區(qū)充填工程布置

由于金屬礦山礦脈發(fā)育的特點(diǎn)，很多采空區(qū)在水平面上以條帶狀展布，傾角陡寬度窄，加之采空區(qū)形成年代久遠(yuǎn)，過去采礦管理水平落后且缺少準(zhǔn)確的井上井下對照圖件，造成地面鉆孔很難準(zhǔn)確揭露采空區(qū)頂板，很大程度上增加了采空區(qū)治理難度。本文結(jié)合江西某金屬礦山采空區(qū)充填治理工程，通過施工過程中的不斷探索改進(jìn)，形成了一套行之有效的條帶狀老舊采空區(qū)治理技術(shù)，對于指導(dǎo)類似工程實(shí)踐具有重要意義。

1 工程概述

1.1 采空區(qū)分布特征

本采空區(qū)治理項(xiàng)目位于江西省上饒市，由于礦山新建地面建筑物，需要對場區(qū)范圍內(nèi)存在潛在塌陷風(fēng)險的老舊采空區(qū)進(jìn)行治理，采空區(qū)平面分布特性見圖2。

圖2 擬建場區(qū)采空區(qū)平面分布特征

根據(jù)設(shè)計(jì)治理方案，該區(qū)域主要分布3條采空區(qū)需要治理，礦脈厚度2～3 m，形成采空區(qū)水平寬度不足2 m，頂板埋深20～58 m。

1.2 充填治理方法

從地表直接鉆孔，直達(dá)空區(qū)頂板，地表充填孔保證終孔口徑應(yīng)不小于Φ150 mm。鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再鋪設(shè)充填管路，將尾砂膏體漿液注入鉆孔內(nèi)，最后采用高壓注稀釋漿液的方式完成空區(qū)接頂。為保證空區(qū)充填質(zhì)量要求，還應(yīng)鉆鑿充填檢測鉆孔，檢測充填后采空區(qū)是否充滿，必要時還應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)注，以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的完全充填。

治理鉆孔布置見圖3，其中Ⅰ、Ⅱ序孔為充填孔，孔間距20 m，Ⅰ序充填孔原則上按40 m間距布置，Ⅱ序充填孔位于兩側(cè)Ⅰ序孔中間，Ⅲ序檢測孔位于Ⅰ、Ⅱ序充填孔中間。

圖3 充填鉆孔孔位布置

1.3 設(shè)計(jì)工程量

本工程主要包括采空區(qū)鉆孔和充填灌漿兩部分。設(shè)計(jì)鉆孔28個，其中充填孔18個，檢測孔10個，鉆探工作量1635 m，采空區(qū)總充填工作量約35000 m3。

2 采空區(qū)鉆孔

由于采空區(qū)水平分布不足2 m，地面充填鉆孔能否直接揭露采空區(qū)頂板是關(guān)乎最終充填治理效果的決定性因素。為了查明采空區(qū)分布位置，前期由勘察設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了資料收集、物探探查和鉆孔驗(yàn)證，布置的鉆孔平面位置基本準(zhǔn)確。施工過程中，如果鉆孔向采空區(qū)頂?shù)装鍍蓚?cè)發(fā)生偏斜，將無法保證鉆孔直達(dá)采空區(qū)頂板或者根本無法揭露采空區(qū)(見圖4)。因此，如何采取有效的鉆孔方法和技術(shù)措施保證鉆孔的垂直度是治理工程的主要環(huán)節(jié)。

2.1 改進(jìn)鉆探機(jī)具

施工采用XY-150巖芯鉆機(jī)，鉆探能力可達(dá)150 m，成孔口徑符合設(shè)計(jì)要求，但在項(xiàng)目開展前期，鉆機(jī)普遍配備的是3 m長度的短鉆具巖芯管且沒有安裝扶正器，造成鉆孔開孔以后極易發(fā)生較大的偏斜。

針對上述情況，項(xiàng)目部要求鉆機(jī)全部配置5 m長鉆具并安裝雙層扶正器，通過后期測試，鉆孔垂直度有了較大改善，其偏斜率降低到0.2%，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 鉆孔偏斜無法揭露采空區(qū)示意圖

2.2 采用高精度測斜儀

由于鉆孔垂直度要求高，施工過程中設(shè)計(jì)鉆孔每鉆進(jìn)10 m即進(jìn)行一次孔斜測量，為了準(zhǔn)確獲取鉆孔軌跡，采用了JDT-6型高精度陀螺測斜儀。

該測斜儀采用半捷聯(lián)式結(jié)構(gòu)，利用陀螺的定軸性和進(jìn)動性作為鉆孔傾斜方位的定向基準(zhǔn)，利用石英撓性重力加速度計(jì)和方位器，分別測量頂角和自轉(zhuǎn)角，精度高并且具有抗磁性干擾性能。精度為：頂角誤差不大于±3′，方位誤差不大于1°，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)符合施工要求。

2.3 采取先進(jìn)糾斜工藝

在鉆孔跟蹤測斜過程中，如果發(fā)現(xiàn)鉆孔軌跡存在超偏趨勢，繼續(xù)鉆進(jìn)將無法滿足設(shè)計(jì)要求時，必須及時采取糾斜措施。

鉆孔糾斜采用公司專利技術(shù)—垂直鉆孔陀螺偏心糾斜施工工藝及相關(guān)裝置(見圖5)。該裝置可以精確定位糾偏方位，現(xiàn)場根據(jù)偏斜率要求可快速制作偏心楔，工藝操作簡便，準(zhǔn)確性高，有效解決了現(xiàn)有垂直鉆孔糾斜技術(shù)中存在的精度低、效果差及操作復(fù)雜等問題。

圖5 垂直鉆孔陀螺偏心糾斜裝置

通過上述裝置和工藝的應(yīng)用，現(xiàn)場鉆孔一次性糾斜成功率達(dá)到70%，兩次糾斜成功率達(dá)到90%以上，有效保證了充填孔按設(shè)計(jì)靶點(diǎn)揭露采空區(qū)頂板。

2.4 利用井下電視對空區(qū)進(jìn)行探測

對于鉆孔揭露的采空區(qū)，施工中采用井下電視探測技術(shù)查明采空區(qū)的冒落坍塌和頂板裂隙發(fā)育情況，以便制定有針對性的充填計(jì)劃。該井下電視可以精確記錄探頭下放深度，對孔壁巖體裂隙及空洞發(fā)育情況適時記錄，并以錄像形式長期保存。

圖6為鉆孔揭露采空區(qū)頂板時的孔內(nèi)圖像，圖7為采空區(qū)洞壁發(fā)育形態(tài)，該技術(shù)可以將地下隱伏且人體無法進(jìn)入直接觀察的采空區(qū)形態(tài)直觀展現(xiàn)出來，為充填施工和治理效果檢測提供重要依據(jù)。

圖6 鉆孔揭露采空區(qū)頂板圖像

圖7 采空區(qū)洞壁發(fā)育形態(tài)

3 采空區(qū)充填

為了降低工程造價，實(shí)現(xiàn)因地制宜、綠色環(huán)保的施工理念，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用礦山選礦產(chǎn)生的廢棄尾礦砂作為主要材料，同時輔以水泥、水配置成為膏狀漿液。通過建立攪拌站、鋪設(shè)輸漿管路，利用充填泵通過充填孔將膏狀漿液泵送至采空區(qū)內(nèi)，形成具有一定強(qiáng)度的結(jié)石體，防止采空區(qū)坍塌和地面變形。

3.1 工藝流程

本項(xiàng)目采取的充填工藝流程見圖8。

3.2 漿液配比

設(shè)計(jì)采用尾礦砂-水泥膏狀漿液，為了保證充填質(zhì)量，要求漿液既具有良好坍落度和一定的流動性，便于充填采空區(qū)中不同大小的空洞，又要具有較高的結(jié)石率和一定強(qiáng)度(設(shè)計(jì)結(jié)石體28 d抗壓強(qiáng)度不低于2 MPa)。

為了使?jié){液滿足上述性能，充填施工前即針對進(jìn)場材料進(jìn)行了配合比試驗(yàn)，最終篩選出的漿液配比見表1。

圖8 充填施工工藝流程

表1 充填漿液配比

使用部位重量比(水泥∶尾砂∶水)質(zhì)量濃度/%28d抗壓強(qiáng)度/MPa塌落度/mm坍塌冒落帶1∶7∶1．42854．5250大空洞部位1∶7∶1．28864．6225充填接頂1∶6∶7502．3/

3.3 充填接頂技術(shù)措施

采空區(qū)治理的最終效果是要求漿液結(jié)石體完全充滿空區(qū)內(nèi)部空間，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是充填即將結(jié)束時漿液能否接觸采空區(qū)頂板而不留空隙，施工中采取的主要技術(shù)措施如下：

(1) 不同充填時段采用不同性能的漿液配比，充填即將接頂時變換質(zhì)量濃度較低、流動性較好的漿液；

(2) 采取加壓充填措施，當(dāng)充填鉆孔孔口壓力大于1 MPa，流量小于70 L/min時，仍然需要維持20 min以上方可結(jié)束充填；

(3) 利用Ⅲ序檢測孔和井下電視系統(tǒng)對充填效果進(jìn)行檢查評價，如果揭露相鄰充填孔之間仍存在未充滿的空隙，需要再次進(jìn)行充填補(bǔ)強(qiáng)。

4 采空區(qū)冒落堆填體處理

施工過程中通過鉆孔揭露和井下電視探測，發(fā)現(xiàn)約有三分之一的采空區(qū)已經(jīng)產(chǎn)生大范圍的冒落坍塌，除采空區(qū)上部存在較大空洞以外，下部全部為圍巖冒落后的塊石堆填體，由于空隙狹小，現(xiàn)有的膏狀漿液無法有效擴(kuò)散膠結(jié)，針對上述情況，采取的主要處理工藝如下：

(1) 首先利用Ⅰ、Ⅱ序充填孔對采空區(qū)上部空洞區(qū)進(jìn)行膏狀漿液的充填；

(2) 待充填漿液凝固以后，通過Ⅲ序鉆孔對充填接頂情況進(jìn)行探查，同時將鉆孔加深穿過采空區(qū)下部堆填區(qū)直達(dá)采空區(qū)底板；

(3) 利用Ⅲ序孔灌注經(jīng)過稀釋的膏狀漿液和純水泥漿液，對采空區(qū)內(nèi)的堆填體進(jìn)行膠結(jié)，增強(qiáng)堆填體的完整性和強(qiáng)度，防止發(fā)生沉降變形。

堆填區(qū)處理措施見圖9。

圖9 堆填區(qū)膠結(jié)治理

5 結(jié) 論

(1) 針對本項(xiàng)目施工中的條帶狀采空區(qū)，綜合采用了改進(jìn)型組合鉆具、高精度陀螺測斜儀、陀螺偏心糾斜施工工藝及井下電視探測技術(shù)，保證充填鉆孔能夠直達(dá)采空區(qū)頂板。

(2) 充填施工中，優(yōu)化選取了尾砂-水泥膏狀漿液配比，采取了多項(xiàng)技術(shù)措施，有效保證了充填接頂和冒落堆填體的膠結(jié)，保證了采空區(qū)最終治理效果。

(3) 本項(xiàng)目中采用的多項(xiàng)技術(shù)措施和取得的主要研究成果對于指導(dǎo)類似工程實(shí)踐具有重要作用。

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何端華(1965-)，男，湖南新寧縣人，工程師，主要從事礦山行業(yè)管理和安全監(jiān)管工作，Email：13762858588@163.com。

2016￣09￣28)