田 欣 何榮興 張 賢 張星宇 任鳳玉

(1.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司,河北 唐山 066501;2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819;3.云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南 曲靖 655011)

地下礦山采用空?qǐng)龇ɑ虮缆浞ɑ夭?頂板未完全崩落時(shí)會(huì)形成采空區(qū)。采空區(qū)的長(zhǎng)期存在,受采動(dòng)、地下水、結(jié)構(gòu)面和爆破震動(dòng)的影響,空區(qū)頂板圍巖弱化發(fā)生失穩(wěn)冒落,致使礦山開采條件惡化,引起礦柱變形[1]、相鄰作業(yè)區(qū)采場(chǎng)和巷道維護(hù)困難[2]、井下大面積冒落[3]、巖移[4]及地表塌陷[5]等安全危害,更為嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生空區(qū)突然垮塌,形成高速氣流和沖擊氣浪[6]造成的人員傷亡和設(shè)備破壞,給礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅,甚至造成環(huán)境惡化、礦產(chǎn)資源嚴(yán)重浪費(fèi)。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(lái),我國(guó)學(xué)者在采空區(qū)治理方面進(jìn)行了大量研究,例如,劉海林等[7]針對(duì)來(lái)龍礦區(qū)方解石礦山采空區(qū)群的穩(wěn)定程度,提出了采用鐵柵欄和齒形阻波墻聯(lián)合封閉,并輔以多點(diǎn)位移計(jì)和鉆孔應(yīng)力計(jì)對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)的空區(qū)治理方案;任鳳玉等[8]針對(duì)大中礦業(yè)書記溝鐵礦兩個(gè)形狀不規(guī)則的相鄰中型采空區(qū),在空區(qū)圍巖可冒性分析的基礎(chǔ)上,研究提出在散體墊層防護(hù)下、崩落兩空區(qū)之間巖柱、將相鄰兩空區(qū)連為一體進(jìn)行誘導(dǎo)冒落的采空區(qū)處理方案;賈海波等[9]針對(duì)內(nèi)蒙古某多金屬礦淺孔房柱開采形成的大面積采空區(qū),采用數(shù)值方法分析了不同治理方案和施工順序的圍巖應(yīng)力及位移變化特征,提出了“隔一充一”的間隔充填采空區(qū)并回收點(diǎn)柱的方法;張社稷[10]對(duì)祈雨溝金礦采空區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行分析基礎(chǔ)上,提出了分級(jí)尾砂、廢石和膠結(jié)充填的采空區(qū)治理方案;曹建立等[11-13]針對(duì)某鐵礦采空區(qū)賦存特征,提出了地表鉆孔監(jiān)測(cè)與廢石充填相結(jié)合的空區(qū)治理方法;任鳳玉等[14]對(duì)某螢石礦主井附近采空區(qū)進(jìn)行調(diào)查和理論分析,提出了廢石和碎石混凝土接頂充填的空區(qū)處理方案,并用數(shù)值方法驗(yàn)證該方案的可行性。上述研究成果為采空區(qū)的充填治理提供了參考,同時(shí)也表明,礦山所用采礦方法、所具備的技術(shù)條件、形成采空區(qū)形態(tài)和穩(wěn)定特征各不相同,需要根據(jù)采空區(qū)和礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀來(lái)綜合確定空區(qū)治理方案。本文針對(duì)石人溝鐵礦采空區(qū)賦存和穩(wěn)定性特征,提出了分段充填的治理方案,并通過(guò)模擬不同方案效果,確定最終參數(shù),在實(shí)際應(yīng)用中收到較好的治理效果。

1 石人溝鐵礦生產(chǎn)及空區(qū)概況

1.1 礦山開采歷史

石人溝鐵礦為鞍山式磁鐵礦床,于1975 年7 月建成投產(chǎn),礦山采用露天分區(qū)開采方式開采0 m 水平以上礦體。露天轉(zhuǎn)地下開采分三期進(jìn)行建設(shè)。地下一期工程開采范圍為南區(qū)(16 號(hào)勘探線以南)0 ～-60 m 中段,規(guī)模為年產(chǎn)鐵礦石60 萬(wàn)t,豎井開拓,建有主井、副井和南風(fēng)井各1 條,采用淺孔留礦法采礦。地下二期工程開采范圍為北區(qū)(16 號(hào)勘探線以北)-16～-60 m 中段之間礦體,采用淺孔留礦法采礦。地下三期工程開采范圍為-60～-210 m 中段的礦體,規(guī)模為年產(chǎn)鐵礦石 200 萬(wàn)t,采用分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法,中段高度為 90 m,分段高度為15 m,礦房寬度20 m,為滿足礦井通風(fēng)與生產(chǎn)安全,設(shè)置副中段高度為45 m。礦石回收時(shí)沿礦體走向方向劃分兩步回采礦塊,一步采、二步采間隔布置,寬度均為20 m,高度均為90 m,垂直礦體走向的相鄰盤區(qū)之間留設(shè)20 m 隔離間柱。目前礦山-60～-165 m 水平采空區(qū)已隨開采進(jìn)度充填完畢,開采到-210 m 階段,礦山采礦權(quán)范圍內(nèi)最后一個(gè)階段,其開采歷史和現(xiàn)狀如圖1 所示。

圖1 石人溝鐵礦10#勘探線剖面Fig.1 Profile of 10# exploration line in Shirengou Iron Mine

圖2-210 m 水平采空區(qū)探測(cè)結(jié)果Fig.2 Results for goaf detection in-210 m level

1.2 采空區(qū)賦存特征

2019 年5 月,M2 礦體下部盲采空區(qū)突然冒透-210 m 水平,隨后空區(qū)冒落高度與寬度不斷增大,并很快冒落到-165 m 水平。該冒落空區(qū)沿礦層由北向南傾斜,北側(cè)圍巖相對(duì)南側(cè)而言,較為不穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與實(shí)地觀察,在空區(qū)快速冒落到-165 m 水平之后,空區(qū)上部四周的冒落速度比下部快,使空區(qū)南側(cè)冒落邊壁的傾角逐漸增大。為獲取冒落空區(qū)形態(tài)與活動(dòng)特征,利用三維激光掃描儀FARO Focus S350 先后3 次對(duì)-210 m 水平已揭露空區(qū)進(jìn)行三維激光探測(cè),其空區(qū)三維模型如圖2 所示。

由圖2 可知,大部分周邊空區(qū)分布在-210 m 水平以下,進(jìn)而證實(shí)周邊空區(qū)為盲采空區(qū)。已探測(cè)的采空區(qū)大小不等,且均為不規(guī)則采空區(qū),其中冒落空區(qū)的高度和寬度最大,且不規(guī)則程度較大,主要表現(xiàn)為上寬下窄,且局部起伏面較多。由各采空區(qū)與穿脈的相對(duì)位置關(guān)系可知,鄰近冒落空區(qū)的多個(gè)采空區(qū)主要分布在冒落空區(qū)的北側(cè),高度較大的周邊空區(qū)主要集中分布在7-1#～8-1#穿之間,其中8-1#采空區(qū)的高度最大;在-224 m 水平,冒落空區(qū)出露一向北延伸的采空區(qū)(即9#穿采空區(qū)),該空區(qū)的高度及寬度均相對(duì)較小,但該空區(qū)在-224 m 水平與冒落空區(qū)貫通,其勢(shì)必會(huì)引導(dǎo)冒落空區(qū)圍巖的冒落方向。冒落空區(qū)沿礦體走向方向的最大寬度約102 m,高度約120 m;-240 m 水平以上,冒落空區(qū)頂板形狀趨近于拋物線拱形,但-240 m 水平以下,冒落空區(qū)底部處于傾斜狀態(tài),且整體表現(xiàn)為沿走向方向延伸。冒落空區(qū)垂直礦體走向方向的最大寬度約98 m,8-1#穿采空區(qū)是高度最大的周邊空區(qū),但與冒落空區(qū)的距離相對(duì)較遠(yuǎn)。

圖3 為冒落空區(qū)與各分段礦體的位置關(guān)系剖面圖,冒落空區(qū)在-165 m 水平剖面主要分布在-165 m水平10#穿和10-1#穿之間;在-180 m 水平剖面主要分布在-180 m 水平10#穿和10-2#穿之間;在-195 m水平剖面主要分布在-195 m 水平9-4#穿和10-2#穿之間,且經(jīng)過(guò)該分段的斷層,其勢(shì)必影響冒落空區(qū)在該分段的冒落規(guī)模和方向;在-210 m 水平剖面主要分布在-210 m 水平9-1#穿和10-1#穿之間。冒落空區(qū)在4 個(gè)分段水平剖面面積從上分段(-165 m)至下分段(-210 m)為增大的趨勢(shì),其與采空區(qū)圍巖冒落拱形的趨勢(shì)相符,但剖面形態(tài)不一,且空區(qū)邊界均較為不規(guī)整,表明空區(qū)的冒落活動(dòng)將持續(xù)進(jìn)行,空區(qū)邊界還將進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖3 冒落空區(qū)與各水平礦體的位置關(guān)系Fig.3 Positional relationship between the caving goaf and the ore body in each level

1.3 采空區(qū)成因及活動(dòng)性分析

M2 礦體冒落空區(qū)為民采礦點(diǎn)的采空區(qū)冒落所致。一般民采礦點(diǎn)擅長(zhǎng)房柱法與不規(guī)則淺孔留礦法開采,其采空區(qū)具有高度小、形狀不規(guī)則、分布范圍大、分層較多的特點(diǎn)。在礦體厚度較大、品位較高的部位,通常民采空區(qū)的寬度較大、留下的分層頂板厚度較薄,容易最先冒落。在較低層位頂板失穩(wěn)冒落后,破壞上一層位頂板的支撐條件,引起連鎖反應(yīng),形成高度較大的冒落空區(qū)。

對(duì)冒落空區(qū)周邊礦巖的鉆探與巷探結(jié)果顯示,冒落空區(qū)北側(cè)還分布4 個(gè)盲采空區(qū),其中8-1#采空區(qū)的高度最大(約45 m),由此可知,該類盲采空區(qū)高度一般不超過(guò)45 m。因-210 m 以下無(wú)開拓與采準(zhǔn)工程,對(duì)形成冒落空區(qū)的下部盲采空區(qū)位置與分布特征,目前不具備探測(cè)條件,但可從已知的三維激光探測(cè)獲悉,-210 m 水平冒落空區(qū)凈空高度約120 m,這表明冒落空區(qū)的形成,是由-210 m 水平以下多層位盲空區(qū)頂板冒透后持續(xù)向上冒落所致。

此外,對(duì)比冒落空區(qū)形成初期的3 次探測(cè)結(jié)果,由圖4 可知,空區(qū)形成初期圍巖極不穩(wěn)定,冒落活動(dòng)非常劇烈,進(jìn)而使得空區(qū)圍巖冒落至空區(qū)內(nèi),從而增加空區(qū)底板厚度,且上部空區(qū)頂板冒落線相較前一次探測(cè)均有明顯的擴(kuò)大,但空區(qū)體積整體呈增大的趨勢(shì)。一般而言,冒落活動(dòng)中新暴露的采空區(qū)體積大于冒落散體的碎脹體積,才能出現(xiàn)空區(qū)頂板冒落后,剩余空區(qū)體積增大的現(xiàn)象,也證實(shí)了形成冒落空區(qū)的下部盲采空區(qū)應(yīng)是多層位的,且冒落空區(qū)下部可能還存在未探明的盲采空區(qū)的分析結(jié)果。

圖4 冒落空區(qū)3 次探測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of the three detection results of the caving goaf

2 分段充填安全治理方案

目前采空區(qū)治理方式主要有礦柱支撐、封閉、崩落、充填[13],每種空區(qū)處理方式具有不同的特點(diǎn)和適用性。石人溝鐵礦冒落空區(qū)具有埋深大、規(guī)模大、不規(guī)則且位于主要生產(chǎn)區(qū)域等特點(diǎn),空區(qū)形成初期便處于陣發(fā)性冒落活動(dòng)中,自身屬性決定其安全處理難度較大。由于空區(qū)體積大,且空區(qū)上部為回采充填體,不適合采用崩落進(jìn)行處理;而且冒落空區(qū)主要由下部盲空區(qū)冒落所致,目前形成空區(qū)的活動(dòng)特性表明下部仍存在未被冒落散體充填的盲空區(qū)存在,如果采用廢石充填,充填料會(huì)隨底部盲空區(qū)冒落而陷落,不能消除空區(qū)對(duì)周邊圍巖的危害,因此,不適合采用廢石充填治理方案?？諈^(qū)底部未知盲空區(qū)的存在,需要使冒落充填廢石形成具有一定強(qiáng)度和粘結(jié)力的充填體,同時(shí)地下開采為充填開采,礦山具有完備的充填系統(tǒng),考慮空區(qū)規(guī)模大的特征,提出在空區(qū)圍巖冒落危害防護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分段尾砂膠結(jié)充填的空區(qū)安全治理方案,切實(shí)保障冒落空區(qū)安全治理及其周邊礦體的安全開采。

為研究充填料漿在冒落散體中的滲流特性及散體膠結(jié)后形成的充填體強(qiáng)度特性,設(shè)計(jì)合理的散體膠結(jié)充填體配比,開展了如圖5 所示的一系列冒落散體膠結(jié)充填實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)充填料漿為68%時(shí),料漿在冒落散體內(nèi)具有較好的滲透性,并能粘結(jié)包裹散體(圖5(a)、圖5(b)),在沿冒落散體高度方向上68%的料漿能夠較好地下滲,在料漿灰砂比為1 ∶4 養(yǎng)護(hù)28 d 條件下,形成膠結(jié)充填體的強(qiáng)度約2 MPa。

為降低充填成本,便于充填施工,將空區(qū)充填過(guò)程劃分為以下4 個(gè)區(qū)段:空區(qū)底部固結(jié)區(qū)段、-210 m ～-270 m 水平空區(qū)充填段、-165 m～-210 m 水平空區(qū)充填段和冒落空區(qū)頂部充填段,各區(qū)段順序充填。冒落空區(qū)因下部民采空區(qū)連鎖冒落至生產(chǎn)區(qū)域而形成,在空區(qū)底部形成了較厚的冒落散體堆。充填管路應(yīng)鋪設(shè)到空區(qū)邊壁,空區(qū)充填初期,空區(qū)口部的充填膠皮管道應(yīng)盡可能貼近空區(qū)底部,對(duì)-270 m 水平以下空區(qū)底部散體層的固結(jié)充填;空區(qū)底部散體固結(jié)充填完成后,進(jìn)行-210 m～-270 m 以下采空區(qū)充填,包括冒落空區(qū)及其北部連通的周邊空區(qū)充填。此過(guò)程先充填冒落空區(qū),充填到-210 m 水平之后,同步充填-224 m 水平北部周邊空區(qū)?？紤]-210 m 水平以下不在該礦采礦權(quán)范圍內(nèi),該水平以下因無(wú)開拓和采準(zhǔn)工程而不具備充填條件,故階段一與階段二的充填入口均設(shè)定在-210 m 水平(圖6(a))。周邊空區(qū)充填時(shí),從-210 m 水平分別開掘與-224 m 空區(qū)的通口或利用前期已揭露點(diǎn),可在空區(qū)投影線邊緣的安全部位,打大直徑斜孔,通過(guò)斜孔進(jìn)行管路充填;-210 m 水平的冒落空區(qū)及其連通空區(qū)充填結(jié)束后,進(jìn)行-210 m～-165 m 空區(qū)充填。該階段充填入口暫設(shè)置在-165 m 水平(圖6(b)),在充填之前,在安全的部位封堵其下通口,保證充填料盡可能多地存于空區(qū)內(nèi),并使充填料溢流水快速溢出。具體選址待前兩個(gè)階段完成后,依據(jù)實(shí)際充填和冒落情況作出調(diào)整;為保障頂部礦量的回收和采空區(qū)不冒透地表,需進(jìn)行冒落空區(qū)的頂部充填。冒落空區(qū)的頂部充填位置可初步選擇在-135 m 分段水平圍巖較為穩(wěn)定區(qū)域(圖6(c)),具體選址待前3 個(gè)階段完成后,依據(jù)實(shí)際充填和冒落情況作出調(diào)整。各分段充填對(duì)應(yīng)的充填作業(yè)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 冒落空區(qū)分段充填料漿參數(shù)Table 1 Sublevel filling technical parameters in the caving goaf

圖6 充填地點(diǎn)位置示意Fig.6 Schematic of filling location

3 空區(qū)治理方案可行性數(shù)值模擬

3.1 采空區(qū)數(shù)值模型及模擬參數(shù)

為進(jìn)一步分析分段充填方案的可行性和充填效果,采用3DEC 離散元[15-16]對(duì)石人溝鐵礦冒落空區(qū)、8-2#和9#穿空區(qū)進(jìn)行數(shù)值建模,如圖7 所示。根據(jù)冒落空區(qū)的形成特點(diǎn),將冒落空區(qū)內(nèi)部以該礦15 m 的分段高度劃分為8 段,圍巖和充填體物理力學(xué)參數(shù)參照表2 賦值。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock mass physical and mechanical parameters

圖7 冒落空區(qū)的分層充填3DEC 模型Fig.7 3DEC model of layered backfilling body of caving goaf

由前述可知,周邊空區(qū)中的8-2#和9#穿空區(qū)與冒落空區(qū)相鄰,對(duì)空區(qū)圍巖冒落影響較大,模擬充填條件下空區(qū)巖移活動(dòng)時(shí)僅考慮這2 個(gè)周邊空區(qū)的開挖。8-2#和9#穿空區(qū)位于-210 m 水平以下,且9#穿空區(qū)與冒落空區(qū)貫穿于-224 m 水平,空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)治理時(shí)需保障冒落空區(qū)充填高度達(dá)到-210 m 水平之后,再接續(xù)充填與其北側(cè)相通的周邊空區(qū),由此確定如表3 所示的空區(qū)開挖、充填數(shù)值模擬方案。每一充填方案均是單獨(dú)進(jìn)行,利用圖7 中的三維離散元數(shù)值模型,在3DEC 中達(dá)到初始力學(xué)平衡后開挖冒落空區(qū),隨即充填至表3 中某一方案的目標(biāo)水平,其后進(jìn)行9#和8-2#空區(qū)開挖,每一周邊空區(qū)開挖均進(jìn)行離散元數(shù)值收斂計(jì)算。

表3 空區(qū)充填數(shù)值模擬方案Table 3 Numerical simulation schemes for goaf backfilling

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

按表3 所示空區(qū)充填數(shù)值模擬方案,可得冒落空區(qū)圍巖沿礦體走向方向的冒落情況,如圖8 所示。圖8(a)、圖8(b)顯示,冒落空區(qū)充填至-270 m 水平與未充填時(shí)對(duì)應(yīng)的圍巖顯著破壞區(qū)相同,表明空區(qū)充填前期,充填體與圍巖接觸面積較小,其提供的橫向支撐力暫不能有效抑制空區(qū)巖移范圍?？諈^(qū)逐步充填至-210 m 水平時(shí)(圖8(c)～圖8(f)),顯著破壞區(qū)明顯減小,主要表現(xiàn)在沿礦體走向方向的顯著破壞區(qū)銳減,表明隨著冒落空區(qū)下部逐步被充填,空區(qū)圍巖顯著破壞區(qū)越來(lái)越小,充填體可有效阻止空區(qū)北側(cè)圍巖冒落。當(dāng)充填-210 m 以上水平時(shí),由圖8(g)～圖8(i)可知,此時(shí)空區(qū)的顯著破壞區(qū)主要集中在空區(qū)頂板,冒落空區(qū)基本不出現(xiàn)橫向擴(kuò)展。統(tǒng)計(jì)圖8 中9 個(gè)方案對(duì)應(yīng)的空區(qū)橫向冒落范圍如圖9 所示,由冒落范圍變化趨勢(shì)可知,當(dāng)空區(qū)充填至-255 m 水平時(shí),-165 m～-210 m 水平空區(qū)冒落范圍開始銳減;充填至-240 m 水平時(shí),-210 m 水平空區(qū)冒落范圍減幅最大,充填至-210 m 水平時(shí),-195 m 和-210 m 水平空區(qū)不發(fā)生橫向冒落,同時(shí)-165 m 和-180 m 水平空區(qū)圍巖橫向冒落范圍較小,此時(shí)充填體可有效阻止空區(qū)北側(cè)圍巖冒落。

圖8 充填時(shí)冒落空區(qū)圍巖冒落過(guò)程模擬Fig.8 Simulation of the caving goaf caving process during filling

圖9 充填條件下空區(qū)橫向最大冒落范圍Fig.9 Transverse maximum goaf caving range of under filling condition

由數(shù)值模擬可知,采空區(qū)的充填對(duì)于控制空區(qū)頂板的冒落和空區(qū)邊界的擴(kuò)展具有重要抑制作用,充填條件下空區(qū)圍巖橫向冒落的階段性變化對(duì)空區(qū)分段充填治理及周邊礦體開采具有一定的指導(dǎo)作用,可將-210 m 水平作為充填臨界水平,低于臨界水平充填時(shí),主要開采空區(qū)南側(cè)礦體,北側(cè)鄰近礦體不宜開采;高于臨界水平充填時(shí),空區(qū)圍巖冒落集中在空區(qū)頂板,若周邊空區(qū)已實(shí)施充填,空區(qū)北側(cè)鄰近礦體可安全探采。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

石人溝鐵礦于2019 年10 月確定并開始實(shí)施空區(qū)分段充填治理方案,截止2020 年9 月,充入料漿約27 萬(wàn)m3,在數(shù)量上達(dá)到了最初探測(cè)的空區(qū)體積,但從-210 m 水平觀察,空區(qū)底板仍未見(jiàn)充填料,且空區(qū)仍處于冒落活動(dòng)狀態(tài)。這表明冒落空區(qū)下部還存在與之連通的其他盲空區(qū),受限于石人溝鐵礦開拓與采準(zhǔn)現(xiàn)狀,此類盲空區(qū)的分布范圍與體積無(wú)法探測(cè),只能在安全防護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)下,繼續(xù)在-210 m 水平進(jìn)行充填。截至2021 年3 月,冒落空區(qū)累計(jì)充填約50萬(wàn)m3料漿,而冒落空區(qū)體積仍有約22 萬(wàn)m3,表明充填料漿全部下滲,且冒落空區(qū)下部的盲空區(qū)體積較大?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示,-210 m 水平通口及-195 m水平10-2#穿通口,均被冒落散體堆堵塞;-180 m 水平通口近期未見(jiàn)明顯變化,-180 m 水平探測(cè)的全景影像結(jié)果(圖10)顯示,冒落空區(qū)底板表層布滿不同粒徑碎石,未見(jiàn)明顯的充填料痕跡,可見(jiàn)冒落空區(qū)內(nèi)部充填料漿已全部向下滲透,冒落巖塊較小主要以巖粉為主,表明空區(qū)充填后空區(qū)活躍程度明顯得到改善,-180 m 水平以下空區(qū)的邊界基本處于穩(wěn)定狀態(tài),空區(qū)冒落活動(dòng)主要為-165 m 水平之上的頂板冒落,且冒落主要為范圍較小的零星冒落。

圖10 冒落空區(qū)底板影像Fig.10 Image of the caving goaf floor

為進(jìn)一步驗(yàn)證充填效果,將冒落空區(qū)-180 m ～-210 m 水平充填前后的截面進(jìn)行對(duì)比,如圖11所示。

圖11 冒落空區(qū)各水平截面對(duì)比Fig.11 Comparison of horizontal sections of the caving goaf

充填前,-210 m 水平以上冒落空區(qū)形態(tài)呈現(xiàn)上窄下寬的趨勢(shì)(圖11(a)),經(jīng)冒落散體膠結(jié)充填后,使得-210 m 水平冒落空區(qū)橫截面積大幅度減小,且整個(gè)空區(qū)形態(tài)呈現(xiàn)上寬下窄的趨勢(shì)(圖11(b)),表明冒落空區(qū)下部得到了有效治理。鑒于目前空區(qū)探測(cè)體積雖與最初空區(qū)體積相差不大,但空區(qū)邊緣向外擴(kuò)展和后續(xù)冒落活動(dòng)基本得到有效控制,為進(jìn)一步消除空區(qū)危害,應(yīng)繼續(xù)按照分段充填方案進(jìn)行第三階段的充填,在-165 m 水平合適位置設(shè)置充填點(diǎn),將-210 m 水平采切廢石作為充填料先行進(jìn)行充填,及時(shí)封堵-165 m 水平以下與空區(qū)連通的通道,再進(jìn)行充填料漿的充填,礦體的開采仍需在安全防護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)施。

5 結(jié) 論

(1)石人溝鐵礦冒落空區(qū)主要是由-210 m 水平以下多層位盲空區(qū)頂板冒透后持續(xù)向上冒落所致,探測(cè)結(jié)果表明,冒落空區(qū)圍巖極不穩(wěn)定,頂板和邊界冒落活動(dòng)非常劇烈,對(duì)目前礦山安全生產(chǎn)具有較大的威脅。

(2)考慮空區(qū)規(guī)模大、活動(dòng)性強(qiáng)的特征,提出在空區(qū)圍巖冒落危害防護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分段尾砂膠結(jié)充填的空區(qū)安全治理方案。利用3DEC 數(shù)值模擬采空區(qū)分段充填過(guò)程,結(jié)果表明采空區(qū)的充填對(duì)于控制空區(qū)頂板的冒落和空區(qū)邊界的擴(kuò)展具有重要抑制作用,可將-210 m 水平作為充填臨界水平,低于臨界水平充填時(shí),主要開采空區(qū)南側(cè)礦體,北側(cè)鄰近礦體不宜開采;高于臨界水平充填時(shí),空區(qū)圍巖冒落集中在空區(qū)頂板,若周邊空區(qū)已實(shí)施充填,空區(qū)北側(cè)鄰近礦體可安全探采。

(3)截至2021 年3 月,冒落空區(qū)累計(jì)充填約50萬(wàn)m3料漿,冒落空區(qū)內(nèi)部充填料漿已全部向下滲透,冒落巖塊較小主要以巖粉為主,表明空區(qū)充填后空區(qū)活躍程度明顯得到改善,-180 m 水平以下空區(qū)的邊界基本處于穩(wěn)定狀態(tài),空區(qū)冒落活動(dòng)主要為-165 m 水平之上的頂板冒落,且冒落主要為范圍較小的零星冒落,空區(qū)邊緣向外擴(kuò)展和后續(xù)冒落活動(dòng)基本得到有效控制,為進(jìn)一步消除空區(qū)危害,應(yīng)繼續(xù)按照分段充填方案進(jìn)行下一階段的料漿充填。