曹建立,任鳳玉,張東杰，甘小泉

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310004)

地下金屬礦山采用空?qǐng)龇ɑ虮缆浞ㄟM(jìn)行采礦時(shí)，不可避免的會(huì)形成采空區(qū)，受爆破震動(dòng)與巖體軟弱結(jié)構(gòu)的影響，將導(dǎo)致采空區(qū)頂板巖體發(fā)生失穩(wěn)冒落，對(duì)井下安全生產(chǎn)及地表設(shè)施造成嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行及時(shí)治理變得尤為重要。近年來，我國(guó)學(xué)者在采空區(qū)治理方面進(jìn)行了大量研究，并取得了良好的效果[1-5]。賈海波等[6]利用數(shù)值技術(shù)分析了采空區(qū)充填治理過程中圍巖應(yīng)力及位移變化特征，提出了隔一充一間隔充填采空區(qū)并回收點(diǎn)柱的方法；任鳳玉等[7]利用數(shù)值方法驗(yàn)證了廢石+碎石混凝土接頂充填采空區(qū)的可行性；劉海林等[8]通過對(duì)采空區(qū)進(jìn)行三維探測(cè)，在評(píng)估采空區(qū)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上開發(fā)了采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。總之，有效的采空區(qū)處理方法在消除空區(qū)威脅的同時(shí)，還能為礦山帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

某鐵礦主要應(yīng)用淺孔留礦法開采。目前開采中主要存在的問題是，隨著開采的延深，在井下形成了不同規(guī)模的采空區(qū)(圖1)，受采空區(qū)冒落及地表塌陷威脅，迫切需要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行及時(shí)處理，消除潛在的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)礦山安全高效開采。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，井下采空區(qū)埋深較淺，地表排巖場(chǎng)廢石散體充足，并且采空區(qū)頂板賦存一定厚度的礦石資源有待回收，研究采用地表廢石充填+頂板崩落的方法處理采空區(qū)并回收礦石。

圖1 采空區(qū)賦存形態(tài)Fig.1 The occurrence of goafs

1 充填散體結(jié)拱性質(zhì)研究

合理的充填井尺寸與充填散體的有效流動(dòng)性是成功充填的關(guān)鍵。因此，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)充填散體的粒度分布情況來研究充填散體的結(jié)拱性質(zhì)，確定合理的充填井尺寸。

1.1 充填散體塊度評(píng)估

對(duì)充填散體進(jìn)行塊度評(píng)估的目的在于準(zhǔn)確掌握充填散體粒度分布，以此為依據(jù)，結(jié)合相似理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室充填散體結(jié)拱相似模擬實(shí)驗(yàn)。散體塊度評(píng)估方法有很多種，應(yīng)用比較廣泛的有篩分法、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)法、照相法等[9]。研究中將采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行散體塊度評(píng)估。實(shí)踐表明，在松散廢石堆體表面，各級(jí)散體塊所占的面積百分比，與其堆體內(nèi)各級(jí)散體塊體積百分比基本一致。因此，測(cè)量塊度組成，可直接在松散堆表面上圈出一定尺寸的測(cè)量面積，通過測(cè)量該面積內(nèi)不同粒徑散體塊度的分布情況，來進(jìn)行粒度劃分，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算出每一級(jí)巖石塊的總面積所占整個(gè)面積的百分比，由此確定充填散體的塊度組成，其計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：δm為某一級(jí)巖石塊面積百分比，%；Sm為某一級(jí)巖石塊度的總面積，m2；Sn為被測(cè)范圍內(nèi)的總面積，m2。

統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果見表1。

1.2 充填散體結(jié)拱實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，使高55 cm的散體礦巖流從充填井模型底部出口均勻放出，觀察結(jié)拱現(xiàn)象，稱量每次放出的散體礦巖質(zhì)量，并記錄結(jié)拱次數(shù)、結(jié)拱位置、空區(qū)大小、上部散體高度。充填散體采用白云巖進(jìn)行混合配制，散體粒徑分布見表2。

模擬散體顆粒選取受現(xiàn)實(shí)條件的制約，因此不能完全吻合實(shí)際散體塊度值，研究重點(diǎn)在于該配比下不同充填井直徑的散體結(jié)拱情況，從而不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效性。充填井模型高70 cm，直徑分別為2 cm、2.5 cm、3 cm、3.5 cm，進(jìn)行散體結(jié)拱相似實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中記錄散體放出量及出現(xiàn)結(jié)拱的次數(shù)(圖2)。

表1 充填散體塊度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Block statistical results of filling granular media

表2 散體顆粒級(jí)配表Table 2 Granule gradation table

圖2 結(jié)拱實(shí)驗(yàn)過程圖片F(xiàn)ig.2 Pictures of the arching experiment process

不同井筒直徑條件下的結(jié)拱情況見表3，井筒直徑為3.0 cm條件下的散體結(jié)拱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。由表3可知，在現(xiàn)場(chǎng)廢石散體配比條件下，井筒直徑為3.0 cm時(shí)，有短暫的點(diǎn)柱形成，隨著散體繼續(xù)放出，點(diǎn)柱逐漸消失，后續(xù)散體流動(dòng)過程順利。

表3 不同井筒尺寸的結(jié)拱現(xiàn)象Table 3 Arching phenomena of different wellbore sizes

表4 井筒直徑3.0 cm的結(jié)拱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 4 Arching experimental data with a diameter of mineshaft 3.0 cm

根據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到井筒直徑與結(jié)拱概率的關(guān)系見圖3，可知當(dāng)井筒直徑達(dá)到3.5 cm時(shí)，結(jié)拱概率趨近于0。根據(jù)散體結(jié)拱相似實(shí)驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)充填井直徑選為3.5 m。采用廢石散體進(jìn)行充填時(shí)，應(yīng)盡量避免一次充填塊度整體較大，散體塊度應(yīng)滿足粒徑大小均勻混合充填。

2 充填散體自然安息角確定

充填散體自然安息角對(duì)于充填井間距的選擇至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)中將白云巖根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)廢石散體粒徑分布進(jìn)行配比(配比參數(shù)見表2)，進(jìn)行散體流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)，得出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際充填條件下充填散體的自然安息角值與散體流動(dòng)范圍。將配比好的散體分別裝入大口徑漏斗中，裝入前將漏斗口封堵，并架設(shè)50 cm高度，裝填完成后，打開漏斗口，控制好散體流出速度，使散體緩慢下流，同時(shí)利用刻度尺記錄，當(dāng)散體堆頂?shù)竭_(dá)20 cm高度時(shí)，封閉漏斗，對(duì)散體的自然安息角與流動(dòng)范圍進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5次，最終結(jié)果取其平均值。實(shí)驗(yàn)完成后散體堆積情況見圖4，計(jì)算得到散體的自然安息角均值為33.2°，散體流動(dòng)范圍均值為60.9 cm。

3 采空區(qū)治理方法

3.1 采空區(qū)地表鉆孔勘測(cè)

準(zhǔn)確的采空區(qū)位置及頂板巖層厚度是實(shí)現(xiàn)采空區(qū)有效治理的關(guān)鍵。研究采用RG井下電視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[10]對(duì)采空區(qū)頂板的厚度進(jìn)行測(cè)量(圖5)，同時(shí)監(jiān)測(cè)頂板巖體的裂隙發(fā)展及穩(wěn)定性情況。沿礦體走向，以5#勘探線所在位置為基準(zhǔn)(向1#勘探線方向)，在主要采空區(qū)分布范圍內(nèi)鉆鑿地質(zhì)鉆孔，鉆孔間距為20 m，沿走向共布置8個(gè)鉆孔(圖6)。查明采空區(qū)存在狀態(tài)，并用于指導(dǎo)空區(qū)頂板礦體的回收。

圖3 不同井筒直徑條件下結(jié)拱概率曲線Fig.3 Arching probability curve under different mineshaft conditions

圖4 混合配比下自然安息角測(cè)定值Fig.4 Determination of natural angle of repose under mixed ratio

圖5 井下電視探測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖Fig.5 Field monitoring diagram of underground TV detection system

圖6 地表監(jiān)測(cè)鉆孔分布圖Fig.6 Surface monitoring drilling map

3.2 地表充填井合理間距確定

通過充填散體相似模擬結(jié)拱實(shí)驗(yàn)與散體流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究，得出合理充填井尺寸為3.5～4 m，廢石充填散體的自然安息角為33.2°，根據(jù)該參數(shù)值進(jìn)行充填井合理間距確定。充填井的合理間距應(yīng)能保證采空區(qū)內(nèi)部廢石得到均勻充填，并且充填接頂完成后，兩充填井之間應(yīng)盡可能留有較小的剩余采空區(qū)高度，該采空區(qū)剩余高度應(yīng)滿足人員及設(shè)備的安全作業(yè)條件，《安全生產(chǎn)操作規(guī)程》規(guī)定作業(yè)人員的安全作業(yè)高度應(yīng)小于2 m，礦石破碎后的松散系數(shù)為1.6，計(jì)算得出安全臨界采空區(qū)高度值為3.2 m，由于采空區(qū)充填后形成的為錐型散體坡面，平面結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖7 充填散體分布結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the filling granular media

圖7中H為臨界安全空頂高度，L為充填井合理間距，可以看出，兩充填井間形成的臨空面為錐型，其面積約為兩充填井之間空區(qū)面積的1/2(黑色方框曲線圈定位置)，確定出臨界空頂高度為2×3.2=6.4 m，綜合安全因素考慮，安全因子取為1.15，則臨界安全空頂高度計(jì)算見式(2)。

H=6.4-6.4×(1.15-1)=5.44 m

(2)

這里取H=5.44 m作為臨界安全空頂高度，充填井的直徑選為3.5 m，進(jìn)而確定出充填井的合理間距值，計(jì)算見式(3)。

(3)

確定充填井合理間距值為20.13 m。綜合測(cè)量施工便利條件，設(shè)計(jì)充填井合理間距值選為20 m。

3.3 地表充填方法

根據(jù)地表鉆孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與充填井尺寸及間距的優(yōu)化結(jié)果，選擇在頂板相對(duì)穩(wěn)定的部位利用VCR法鉆鑿充填井[11]，充填井與監(jiān)測(cè)鉆孔的位置關(guān)系見圖8。充填的同時(shí)利用監(jiān)測(cè)鉆孔對(duì)頂板巖體的穩(wěn)固性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即采用同步監(jiān)測(cè)充填方法進(jìn)行充填作業(yè)，這樣有利于保護(hù)地表充填作業(yè)人員及設(shè)備的安全。

充填井施工與充填期間，利用監(jiān)測(cè)鉆孔建立空區(qū)冒落監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，以保障施工安全。監(jiān)測(cè)鉆孔報(bào)警系統(tǒng)主要由水泥砣、重力傳感報(bào)警拉線、報(bào)警電盒及揚(yáng)聲器和信號(hào)燈組成(圖9)。

圖8 充填井與監(jiān)測(cè)鉆孔位置關(guān)系Fig.8 Relationship between filling shaft and monitoring borehole

圖9 監(jiān)測(cè)孔報(bào)警安置示意圖Fig.9 Schematic diagram of monitoring hole alarm

當(dāng)監(jiān)測(cè)孔內(nèi)巖體冒落時(shí)，封堵位置必然發(fā)生下沉或者掉落，此時(shí)水泥砣拉動(dòng)報(bào)警拉線，再由報(bào)警拉線拉緊電閘開關(guān)，使報(bào)警裝置電路閉合，發(fā)出預(yù)警報(bào)告。充填井施工完畢后，采用廢石場(chǎng)堆的廢石對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，充填散體的主要作用在于增強(qiáng)采空區(qū)頂板圍巖及兩幫巖體的穩(wěn)固性，消除采空區(qū)存在的危害。采用卡車直接運(yùn)輸廢石至充填井，在卡車充填側(cè)設(shè)置擋車矮墻，避免卡車卸料時(shí)發(fā)生掉井事故，保障作業(yè)人員安全，充填作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)見圖10。

充填廢石使采空區(qū)圍巖承載最薄弱部位得以完整充填，有效控制空區(qū)圍巖冒落，增強(qiáng)了頂板巖體的穩(wěn)固性，為頂板礦石的安全高效回收提供保障。

4 采空區(qū)頂板礦體回收方法

綜合考慮地表人員安全作業(yè)條件，研究提出地表臺(tái)階剝離+中深孔爆破的頂板礦體回收方法。避免剝離作業(yè)破壞底板巖層的穩(wěn)定性，保留臺(tái)階最小安全厚度為10 m，剩余頂板礦巖從地表沿走向逐層向下剝離。由于地表出露礦體厚度約為6 m，在剝離作業(yè)過程中，沿礦體走向，按照75°擴(kuò)幫進(jìn)行刷幫，在幫底兩側(cè)分別留有2 m的安全距離，同時(shí)在地表做好防護(hù)工作，避免巖石塊體滾落，對(duì)設(shè)備及人員造成傷害，見圖11。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)卡車充填作業(yè)示意圖Fig.10 Schematic diagram of on-site truck filling operation

圖11 地表礦體剝離回采方法Fig.11 Surface ore body stripping and recovery method

圖12 臺(tái)階退崩落礦示意圖Fig.12 Schematic diagram of the step ore breaking

剝離工作完成后進(jìn)行10 m的臺(tái)階淺孔爆破回收，臺(tái)階爆破退崩方式見圖12，從最終剝離層底板的端部向后退崩。礦石回收后形成的塌陷坑可被用作排巖場(chǎng)，即井下采出的廢石統(tǒng)一運(yùn)至此處進(jìn)行大規(guī)模充填，充填作業(yè)完成后，對(duì)地表進(jìn)行平整復(fù)墾，有效解決可能造成的環(huán)境問題。目前，該方法已被礦山成功應(yīng)用，并取得了良好的效果。

5 結(jié) 論

1) 通過實(shí)驗(yàn)分析某鐵礦地表充填散體結(jié)拱與流動(dòng)特性，確定出合理充填井尺寸為3.5 m，散體自然安息角為33.2°，并進(jìn)一步確定出合理充填井間距為20 m，該參數(shù)值可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)充填井布置與施工。

2) 針對(duì)井下采空區(qū)存在狀態(tài)，研究提出了地表鉆孔監(jiān)測(cè)與廢石充填相結(jié)合的采空區(qū)治理方法，可有效避免地表充填作業(yè)時(shí)所面臨的頂板巖體冒落風(fēng)險(xiǎn)，保障了安全高效充填作業(yè)的進(jìn)行。

3) 根據(jù)采空區(qū)頂板礦體的分布情況，研究提出了地表臺(tái)階剝離+中深孔爆破的頂板礦體回收方法。實(shí)踐表明，采空區(qū)頂板礦石資源可得到充分回收，該方法可為類似條件礦山提供借鑒。