陽德華，龔永超，張先澤，張芫濤

(1.四川里伍銅業(yè)股份有限公司， 四川 甘孜州 626200； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

對(duì)于采用空?qǐng)龇ㄓ绕涫侨娣ǚ恐ǖ鹊牡V山，空?qǐng)龅奶幚碛葹橹匾?，處理不及時(shí)或處理不到位，井下采空區(qū)面積達(dá)到臨界值時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)的大規(guī)模冒落、地壓沖擊等災(zāi)害，對(duì)人員作業(yè)安全造成嚴(yán)重威脅，導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)于空?qǐng)龇óa(chǎn)生的空區(qū)，除了少數(shù)特殊空?qǐng)隹梢杂糜谰眯缘V柱支撐外，其余采空區(qū)都需要進(jìn)行處理并消除空區(qū)。但我國許多空?qǐng)龇ǖV山由于管理混亂、空區(qū)年代久遠(yuǎn)等原因，導(dǎo)致存在大量采空區(qū)并未采取合理措施進(jìn)行處理，嚴(yán)重威脅礦山的安全生產(chǎn)，甚至威脅到礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全。由此可見，如何根據(jù)礦山現(xiàn)有條件及空區(qū)分布特點(diǎn)研究安全可行、經(jīng)濟(jì)合理、簡(jiǎn)單適用的空區(qū)處理技術(shù)不僅對(duì)礦山安全生產(chǎn)具有重大意義，同時(shí)對(duì)改善生態(tài)環(huán)境同樣重要，具有重大經(jīng)濟(jì)及社會(huì)意義[1]。

總結(jié)目前國內(nèi)外采空區(qū)處理的方法及經(jīng)驗(yàn)，總的來說可以將空區(qū)處理方法分為充填和崩落兩種，而基于這兩種處理方法又可以細(xì)分為“崩”、“充”、“封”、“撐”以及這幾種方法聯(lián)合處理等五類[2-3]。

“崩”指崩落法，將空區(qū)圍巖崩落，再利用崩落的巖石充填采空區(qū)。其特點(diǎn)是：將空區(qū)圍巖崩落，崩落的圍巖既可以充填采區(qū)提供支撐，也可以作為緩沖保護(hù)墊層，從而避免采空區(qū)大面積不受控制的冒落引起沖擊波等災(zāi)害。通過崩落圍巖可以有效消除空區(qū)，從而避免了大面積空區(qū)導(dǎo)致的地壓活動(dòng)和局部地區(qū)地應(yīng)力的過度集中，同時(shí)由于崩落法工藝簡(jiǎn)單、成本低且勞動(dòng)效率高等特點(diǎn)，從而在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[4-5]。

“充”指充填法，即應(yīng)用充填材料將地下空區(qū)進(jìn)行充填，從而限制其圍巖的變形，一般是利用車輛或管道運(yùn)輸，充填材料一般選用廢石或其他濕式充填料。由于充填法成本較高，其應(yīng)用范圍多為貴重、稀有金屬以及高品位或易自燃的礦床開采，當(dāng)?shù)乇韲?yán)禁產(chǎn)生明顯變形、圍巖穩(wěn)固性較差時(shí)也應(yīng)選用充填法[6-8]。

“撐”指支撐法，即通過留設(shè)礦柱或者人為構(gòu)筑永久礦柱用以支撐采空區(qū)穩(wěn)定。支撐法在緩傾斜薄中厚以下礦體應(yīng)用較多，要求地表允許冒落，圍巖較穩(wěn)固的礦體尤其是品位不高的賤礦體[9]。

“封”指通過將空區(qū)進(jìn)行封閉并隔離的方法來處理井下空區(qū)。此方法工藝簡(jiǎn)單，處理成本低，適用于處理規(guī)模較小的孤立的礦體開采后形成的空 區(qū)，以及礦體兩翼回采后的空區(qū)和需繼續(xù)回采的大礦體上部的空區(qū)[10]。

“聯(lián)合”指聯(lián)合法，即通過同時(shí)應(yīng)用“崩”、“充”、“封”、“撐”中的幾種方法來處理空區(qū)，這樣可以克服單一方法的局限，同時(shí)具有各種方法的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用靈活、成本可控、處理效果好。

綜上所述，可得出如下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）在選用不同的空區(qū)處理方法時(shí)要根據(jù)其應(yīng)用范圍及其優(yōu)缺點(diǎn)。崩落法雖然能快速及時(shí)地處理空區(qū)，且其工藝簡(jiǎn)單，勞動(dòng)效率高，但處理小埋深礦體以及厚大礦體的采空區(qū)時(shí)，會(huì)容易導(dǎo)致地表的沉陷變形；而充填法雖然能夠很好地充填空區(qū)限制頂板的位移變形，但其投資成本高，前期投入大，充填成本高，需要建設(shè)充填系統(tǒng)；而支撐法雖然能暫時(shí)穩(wěn)固頂板，保證空區(qū)的穩(wěn)定，但隨著時(shí)間的推移，最終還是會(huì)導(dǎo)致空區(qū)圍巖的形變塌陷，并不能永久避免頂板造成的沖擊地壓，且礦柱的留設(shè)會(huì)導(dǎo)致大量礦體的損失，而人工礦柱的構(gòu)筑成本較高。

（2）聯(lián)合法能夠具備各種方法的長(zhǎng)處，從而克服單一方法的局限性，應(yīng)用前景廣。

（3）空區(qū)處理要充分結(jié)合空區(qū)特點(diǎn)，其根本目的是保證生產(chǎn)安全，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，同時(shí)最大限度地開發(fā)礦產(chǎn)資源，保證礦山的可持續(xù)發(fā)展。

1 里伍銅礦采空區(qū)現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的生產(chǎn)開采，目前里伍銅礦已經(jīng)開采至2420 m中段，現(xiàn)形成采空區(qū)約80萬m2。通過多 年的采空區(qū)處理，目前2680 m中段以上已采用崩落圍巖、阻波墻等形式處理完畢，通過崩落圍巖既充填了采空區(qū)，又是一種卸壓手段，緩和空區(qū)的應(yīng)力集中，控制了礦山的地壓，且崩落圍巖可以形成一層緩沖巖石層，避免了大規(guī)模圍巖崩落產(chǎn)生的沖擊地壓對(duì)巷道、人員以及設(shè)備的危害。重要運(yùn)輸巷道也通過構(gòu)筑一定長(zhǎng)度的擋墻，封閉空區(qū)，預(yù)防一旦圍巖整體突然冒落時(shí)機(jī)械沖擊與氣浪沖擊的危害。上述措施保證了2680 m中段及以上區(qū)域的安全，能有效防止上部采空區(qū)大面積塌落沖擊波對(duì)下部中段生產(chǎn)作業(yè)的嚴(yán)重破壞，上部大規(guī)模采空區(qū)災(zāi)害已基本消除，實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于上部空區(qū)的處理也提供了目前四期采礦作業(yè)的穩(wěn)定。

礦山為確保各中段無較大安全隱患，在各未進(jìn)行空區(qū)處理中段均布置了相應(yīng)的地壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲發(fā)射時(shí)間發(fā)生頻率判定巖體垮塌情況。具體的監(jiān)測(cè)措施見表1。

從監(jiān)測(cè)內(nèi)容，里伍銅礦對(duì)巖層頂板、空區(qū)礦柱、地表巖體等區(qū)域均做了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)。結(jié)合多年的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，目前里伍銅礦所布置的巖體聲發(fā)射檢測(cè)點(diǎn)其大部分發(fā)射參數(shù)較小，僅在小部分位置值較大，在現(xiàn)有條件下，所測(cè)區(qū)域并未發(fā)生明顯的巖體聲發(fā)射，無較大的巖層移動(dòng)、坍塌情況發(fā)生；在現(xiàn)有的應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，大部分應(yīng)力計(jì)顯示為未受壓狀態(tài)，局部區(qū)域存在受壓情況，但所受壓力較小。表明目前所測(cè)區(qū)域礦柱、重要巷道巖壁處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，無較大安全隱患。

表1 里伍銅礦地壓監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和內(nèi)容

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各中段的勘查情況，可以看出，地壓監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況相符，局部區(qū)域存在垮塌、冒落的情況。整體而言，里伍銅礦2680 m中段以下區(qū)域空區(qū)群屬于暫時(shí)穩(wěn)定階段，但由于存放時(shí)間較長(zhǎng)，四期工程生產(chǎn)深入，后續(xù)空區(qū)群的存 在失穩(wěn)破壞的情況將加劇，需及時(shí)分析，及時(shí)加強(qiáng)治理。

2 2680～2580 m中段空區(qū)穩(wěn)定性分級(jí)

結(jié)合國內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮里伍銅礦的實(shí)際情況，選用綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行采空區(qū)的穩(wěn)定性分級(jí)，通過將建立的關(guān)系矩陣與模糊理論相互結(jié)合，最終依據(jù)數(shù)據(jù)所得權(quán)重判定采空區(qū)的穩(wěn)定性。

地下礦山中采空區(qū)賦存環(huán)境復(fù)雜，其穩(wěn)定性受多方面因素的共同影響。僅對(duì)單一因素進(jìn)行考慮，易造成評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。綜合國內(nèi)外研究成果，結(jié)合里伍銅礦現(xiàn)有地質(zhì)資料及國內(nèi)外類似礦山情況，選用巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、頂板暴露面積、巖石單軸抗壓強(qiáng)度與最大初始應(yīng)力比值、最大主應(yīng)力方向與頂板方位關(guān)系、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與頂板方位關(guān)系、地下水、礦柱狀況8個(gè)影響因素共同進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性分級(jí)。

各采空區(qū)影響因素依次列入關(guān)系矩陣對(duì)角線的位置，建立采空區(qū)穩(wěn)定性分級(jí)的關(guān)系矩陣，具體見式（1）。式（1）中結(jié)構(gòu)面狀態(tài)因素包含的次級(jí)因素有2個(gè)，即結(jié)構(gòu)面間距與產(chǎn)狀；原巖應(yīng)力狀態(tài)包含的次級(jí)因素分別為單軸抗壓強(qiáng)度和最大初始應(yīng)力比值及最大主應(yīng)力與采場(chǎng)頂板方位關(guān)系；最后組成的關(guān)系矩陣式里總共有64個(gè)因素，主要因素有8個(gè)，相互作用的因素有56個(gè)。

式中，RC為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度影響因素；AR為頂板暴露面積影響因素；ST為巖石單軸抗壓強(qiáng)度與最大初始應(yīng)力比值；SL為最大主應(yīng)力方向與頂板方位關(guān)系影響因素；DI為結(jié)構(gòu)面間距影響因素；DO為結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與頂板方位關(guān)系影響因素；WT為地下水影響因素；PA為礦柱狀況影響因素。

由上式中各因素的影響關(guān)系可計(jì)算出各采空區(qū)影響因素的活動(dòng)性指數(shù)。通過計(jì)算，最終各主要影響因素的活動(dòng)性指數(shù)見表2。

表2 采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素活動(dòng)性指數(shù)值/%

根據(jù)各個(gè)影響因素活動(dòng)性指數(shù)的大小及國內(nèi)外類似礦山的取值方法，結(jié)合礦山實(shí)際情況，最終可得到各采空區(qū)穩(wěn)定性因素的隸屬度值。在進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性分級(jí)時(shí)把各影響因素隸屬度值放入關(guān)系矩陣中共同進(jìn)行計(jì)算，即將各影響因素的活動(dòng)性指數(shù)與其相對(duì)應(yīng)的隸屬度值進(jìn)行乘積并累加，其累加值結(jié)果即為采空區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)。根據(jù)表3的分級(jí)方案，結(jié)合穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，可對(duì)里伍銅礦各個(gè)中段的穩(wěn)定性進(jìn)行相應(yīng)的分級(jí)，從而判斷出里伍銅礦各中段的穩(wěn)定性情況，進(jìn)而為后續(xù)的治理方案提供數(shù)據(jù)支持。

表3 采空區(qū)穩(wěn)定性分級(jí)方案

里伍銅礦2680～2580 m中段的采空區(qū)穩(wěn)定性分級(jí)情況見表4。

表4 各中段采空區(qū)穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過上述計(jì)算結(jié)果可以看出，里伍銅礦2680 m及以下中段的采空區(qū)均屬于中等穩(wěn)固狀態(tài)，根據(jù)所計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)亦可看出，2680～2640 m中段穩(wěn)定性系數(shù)值較低，因此，該中段區(qū)域會(huì)形成時(shí)間較長(zhǎng)的老舊空區(qū)，局部區(qū)域會(huì)存在垮塌、冒落的情況發(fā)生。而2620～2580 m中段，采空區(qū)穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)較高，加之空區(qū)形成時(shí)間相較上部區(qū)域時(shí)間較短，目前仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但需要加強(qiáng)地壓監(jiān)測(cè)，避免礦柱、頂板破壞而導(dǎo)致冒落情況的發(fā)生。

3 采空區(qū)治理研究

基于2680～2640 m采空區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果和空區(qū)分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)論，結(jié)合采空區(qū)處理方法的選擇原則，確定2680～2580 m中段采空區(qū)治理方案。

2680 m中段：現(xiàn)存采空區(qū)面積約90 056 m2，B2礦體巖石局部不穩(wěn)固，空?qǐng)雒娣e較大，存在崩落風(fēng)險(xiǎn)。為避免較大沖擊波，在B2礦體巷道與盲斜井相接的三岔口采用施工1#鋼混阻波墻進(jìn)行封堵。A2采空區(qū)已進(jìn)行了大區(qū)條帶崩落頂板隔離處理，現(xiàn)將與B1單層礦體與A2相連的巷道，采用2#巖石阻波墻處理，工程量為200 m3。工程布置如圖1所示。

圖1 2680 m中段空區(qū)部分處理工程布置

2660 m中段對(duì)A2空?qǐng)鲞M(jìn)行1#巖石阻波墻處理，崩落工程量200 m3；B2礦體局部空?qǐng)霾环€(wěn)固，為有效防止后續(xù)可能存在的沖擊波影響，在B2空?qǐng)鲞\(yùn)輸平巷處采用1#鋼筋混凝土阻波墻處理，工程量20 m3。

2640 m中段B2礦體中部施工1條大區(qū)條帶崩落頂板隔離處理，西邊由于靠近江郎溝地表，部分礦房已自然崩落接頂。A2礦體采用大區(qū)條帶崩落頂板隔離處理。為防止沖擊波影響，在A2礦體巷道采用1#巖石阻波墻處理，崩落工程量為200 m3，B2礦體巷道采用1#鋼筋混凝土阻波墻，工程量為20 m3。

2620 m中段：采空區(qū)面積約40 177 m2，空區(qū)中等穩(wěn)固，且形成時(shí)間相較于上部中段較短，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)安全，對(duì)A2礦體相連中段運(yùn)輸大巷采用1#巖石阻波墻處理，以防控沖擊波產(chǎn)生的危害，工程量為200 m3；B2礦體由于巖石局部不穩(wěn)固，且考慮到上部中段出現(xiàn)過垮塌現(xiàn)象，為避免較大沖擊波，故采用1#鋼筋混凝土阻波墻，工程量為20 m3。

2600 m中段：采空區(qū)面積約35 719 m2，空區(qū)中等穩(wěn)固，且形成時(shí)間相較于上部中段較短，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)安全，對(duì)A2礦體相連中段運(yùn)輸大巷采用1#巖石阻波墻處理，以防控沖擊波產(chǎn)生的危害，工程量為200 m3；B2礦體由于巖石局部不穩(wěn)固，且考慮到上部中段出現(xiàn)過垮塌現(xiàn)象，為避免較大沖擊波，故采用1#鋼筋混凝土阻波墻，工程量為20 m3。

2580 m中段：采空區(qū)面積約32 763 m2，空區(qū)中等穩(wěn)固，且形成時(shí)間相較于上部中段較短，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)安全，對(duì)A2礦體相連中段運(yùn)輸大巷采用1#巖石阻波墻處理，以防控沖擊波產(chǎn)生的危害，工程量為200 m3；B2礦體由于巖石局部不穩(wěn)固，且考慮到上部中段出現(xiàn)過垮塌現(xiàn)象，為避免較大沖擊波，故采用1#鋼筋混凝土阻波墻，工程量為20 m3。

上述幾個(gè)中段的B2礦體礦石品位較高，在充填系統(tǒng)未建設(shè)完成前，先采用鋼筋混凝土阻波墻控制沖擊波對(duì)人員的傷害，讓采空區(qū)自然崩落，待后續(xù)充填系統(tǒng)建設(shè)完成后，可拆除鋼筋混凝土阻波墻，改采用充填法控制空區(qū)，并完成相應(yīng)礦柱的回采。

4 采空區(qū)治理方法總結(jié)

根據(jù)里伍銅礦采空區(qū)現(xiàn)狀及當(dāng)前采空區(qū)處理技術(shù)的水平，里伍銅礦采空區(qū)處理方法主要采取聯(lián)合法。在充填系統(tǒng)未形成之前，主要的聯(lián)合方法為“撐”+“封”和“封”+“崩”，即部分采場(chǎng)通過留設(shè)礦柱來支撐采場(chǎng)圍巖從而控制地壓，并且在采場(chǎng)入口處、人材井、運(yùn)輸大巷等地方分別采取不同措施進(jìn)行封堵，采用“撐”+“封”聯(lián)合方式處理空區(qū)。部分礦段由于采場(chǎng)穩(wěn)定性不好，頂板已經(jīng)出現(xiàn)冒落，預(yù)留的礦柱出現(xiàn)破裂，同一中段的采場(chǎng)容易形成貫通采空區(qū)群，存在采場(chǎng)頂板大面積坍塌風(fēng)險(xiǎn)。一般采用“封”+“崩”的方式處理這種情況可以取得較好效果。在主要運(yùn)輸人行巷道處采用阻波墻封堵，防止人員和設(shè)備受到空氣沖擊波傷害。在采場(chǎng)里面采用“大區(qū)條帶式崩落頂板”或者“小區(qū)條帶式崩落頂板”阻隔了上部大面積采空區(qū)和下部回采區(qū)域的聯(lián)系，能有效防止上部采空區(qū)大面積塌落沖擊波對(duì)下部中段生產(chǎn)作業(yè)的嚴(yán)重破壞。

由于2552 m以下深部礦體所受到的地壓越來越大，采用充填法回采來控制地壓是必然的一個(gè)趨勢(shì)，故里伍銅礦需要建立一套充填系統(tǒng)來滿足生產(chǎn)要求。并且為了解決里伍銅業(yè)公司尾砂堆存問題以及上部殘留高品位礦柱回采問題，此套充填系統(tǒng)的建立可兼顧上部空區(qū)處理和殘礦回采。在部分采場(chǎng)頂板已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌的情況下，不具備殘礦資源回采條件了，則可以利用該套充填系統(tǒng)將低強(qiáng)度的尾砂充填空區(qū)，既可以處理多余的尾砂，解決尾礦庫堆存的問題，同時(shí)能夠防止采場(chǎng)進(jìn)一步坍塌。在具備殘礦回采條件的采場(chǎng)，采用高強(qiáng)的充填體充填采空區(qū)，以保證殘礦回采的安全性。