賈瀚文,裴佃飛,吳欽正,劉煥新,尹延天,董春蕾
(1. 山東黃金集團(tuán)有限公司 深井開采實(shí)驗(yàn)室,山東 萊州 261442;2. 山東黃金集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250101;3. 東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819 )
由于歷史和技術(shù)等原因我國(guó)金屬礦山在開采初期通常采用空?qǐng)龇ā\孔留礦法等采礦方法,因此形成了大量的采空區(qū),且分布廣泛。采空區(qū)的存在極易引發(fā)頂板冒落、地表沉降、片幫及突水等多種礦山災(zāi)害事故,嚴(yán)重威脅著礦山的安全,造成不可挽回的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。采空區(qū)安全治理的實(shí)質(zhì)是轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中部位,緩和巖體應(yīng)力集中程度,使應(yīng)力達(dá)到新的相對(duì)平衡,從而控制和管理地壓,保證礦山安全生產(chǎn)[2-3]。
采空區(qū)安全治理方法主要有崩落采空區(qū)[4-6]、充填采空區(qū)[7-9]及永久礦柱支撐采空區(qū)[10-11]等方法。崩落圍巖治理采空區(qū)對(duì)采空區(qū)周邊環(huán)境及施工 工藝要求較高,易發(fā)生采空區(qū)內(nèi)大量巖石突然冒落從而造成氣浪傷害;依靠永久礦柱支撐采空區(qū)只 能解決短期的穩(wěn)定性問(wèn)題,隨著工程爆破擾動(dòng)以及巖石的流變特性,采空區(qū)頂板仍存在失穩(wěn)破壞的 風(fēng)險(xiǎn)。因此,目前礦山多采用充填方法治理采空區(qū)。許多學(xué)者在充填治理采空區(qū)方面取得了相應(yīng)的成果,白錦文[12]等提出了關(guān)鍵柱柱旁充填巖層 控制技術(shù);代慶松[13]等采用數(shù)值模擬與動(dòng)力響應(yīng)模型確定了某鎢錫金屬礦山采空區(qū)充填的強(qiáng)度匹 配方案;曹建立[14]等采用相似模擬試驗(yàn)分析了充填散體結(jié)拱及流動(dòng)特性,確定了地表充填井合理尺 寸及布置參數(shù);劉學(xué)文[15]采用局部充填法對(duì)沙坪 煤礦采空區(qū)進(jìn)行充填,有效保護(hù)了地表建筑物;周智勇[16]等借助采空區(qū)群動(dòng)力響應(yīng)模型與類框架結(jié)構(gòu)模型,對(duì)某金屬礦山12個(gè)采空區(qū)進(jìn)行了充填治理。
目前采空區(qū)充填治理技術(shù)多用于獨(dú)立采場(chǎng)或某中段采空區(qū)群,對(duì)于因歷史原因產(chǎn)生的大規(guī)模采空區(qū)群治理方法的研究較少。筆者以阿爾哈達(dá)鉛鋅礦多中段采空區(qū)群為工程背景,采用現(xiàn)場(chǎng)逐一踏勘與三維建模方式構(gòu)建采空區(qū)群三維模型,借助CMS三維激光掃描技術(shù)定量分析采空區(qū)充填體積,利用室內(nèi)試驗(yàn)確定充填配比,繼而制定采空區(qū)群治理方案,最后建立地表沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以確保礦山安全高效生產(chǎn)。
阿爾哈達(dá)鉛鋅礦位于內(nèi)蒙古高原,海拔高度為+922~+1 045 m,工作區(qū)地表高度為+1 021 m。該礦為淺成—超淺成侵入巖與碳酸巖接觸形成的鉛鋅銀多金屬矽卡巖型礦床,礦帶走向長(zhǎng)2 100 m,平均厚度1~10 m,礦帶自西向東在3~7號(hào)勘探線和53~57號(hào)勘探線有2條較大破碎帶F1和F3,43號(hào)勘探線以西礦體平均傾角45°,43號(hào)勘探線以東礦體平均傾角60°。2014年以前,采礦充填系統(tǒng)沒有形成,采礦方法為單一的空?qǐng)霾傻V法。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為長(zhǎng)50 m,段高40 m,其中淺孔留礦法留設(shè)的頂柱厚度為4~6 m,中深孔分段空?qǐng)龇粼O(shè)的頂柱厚度為6~8 m,2種空?qǐng)龇粼O(shè)的間柱均為8 m。最上部采礦為928 m中段,808 m中段以上采空區(qū)不充填。由于阿爾哈達(dá)鉛鋅礦前期為民采,768 m中段以上采場(chǎng)資料缺失嚴(yán)重,筆者通過(guò)實(shí)地采場(chǎng)逐一踏勘并結(jié)合工程地質(zhì)報(bào)告,利用3DMine軟件建立了768 m中段至928 m中段的三維模型,模型中以43號(hào)勘探線為界線,該勘探線以東簡(jiǎn)稱東區(qū),以西簡(jiǎn)稱西區(qū),如圖1所示。從前期踏勘繪制的三維模型圖可以看出,未完全塌陷的采場(chǎng)主要集中在東區(qū)以及768 m中段西區(qū)。以7231采場(chǎng)為例,本文中采場(chǎng)編號(hào)的命名方式為728 m中段31號(hào)勘探線處采場(chǎng)即為7231采場(chǎng)。
圖1 阿爾哈達(dá)鉛鋅礦模型 Fig. 1 Overall layout of Alhada Lead-zinc Mine
采空區(qū)穩(wěn)定性是一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題,其不僅和開采礦體的埋深、傾角、厚度、上覆巖層的巖性等水文地質(zhì)條件相關(guān),同時(shí)也與開采面積、頂板管理方法、開采次數(shù)、開采方法等有密切聯(lián)系。采空區(qū)是開采礦體后遺留的結(jié)構(gòu),因此與礦體有著相同的構(gòu)造,相似的空間形態(tài)。同一礦脈開采后遺留的采空區(qū)在空間形態(tài)上保持著高度的自相似性[17],由此可以根據(jù)已探測(cè)的采空區(qū)形態(tài)、冒落高度、穩(wěn)定狀態(tài)來(lái)定性地分析同一礦脈其他采空區(qū)的穩(wěn)定狀況。
阿爾哈達(dá)鉛鋅礦前身為民營(yíng)企業(yè),采空區(qū)群均為該時(shí)期形成,相關(guān)資料缺失且采場(chǎng)已無(wú)法進(jìn)入,本文基于CMS探測(cè)采空區(qū)頂板冒落情況定性分析其穩(wěn)定性。由于遺留采空區(qū)坍塌嚴(yán)重,絕大部分天井已損壞,本次采空區(qū)探測(cè)受現(xiàn)場(chǎng)條件限制,分別選取礦區(qū)西區(qū)35號(hào)勘探線7635采場(chǎng)與東區(qū)61號(hào)勘探線7661采場(chǎng)作為區(qū)域的典型采空區(qū)以判別采空區(qū)群穩(wěn)定性。7635采場(chǎng)跨度100 m,傾角42°;7661采場(chǎng)跨度63 m,傾角68°,兩者分別為西區(qū)和東區(qū)跨度最大、傾角較緩的采場(chǎng),具備作為穩(wěn)定性參照采場(chǎng)的必要條件。7635采場(chǎng)與7661采場(chǎng)采空區(qū)冒落情況如圖2,3所示。
圖2 7635采場(chǎng)的冒落情況 Fig. 2 Results of roof caving in 7635 stope
7635采場(chǎng)跨度較大,且CMS激光掃描儀存在掃描盲區(qū),因此掃描結(jié)果未能覆蓋7635全部采場(chǎng),由圖2可知,其冒落高度為14~17.5 m,采空區(qū)頂板相對(duì)穩(wěn)定。圖3顯示7661采場(chǎng)冒落高度為8.2~13.6 m,采空區(qū)頂板相對(duì)穩(wěn)定。由此可以推斷,西區(qū)采場(chǎng)跨度小于100 m,傾角大于42°的采場(chǎng)頂板穩(wěn)定,冒落高度小于17.5 m;東區(qū)采場(chǎng)跨度小于63 m,傾角大于68°的采場(chǎng)頂板穩(wěn)定,冒落高度小于13.6 m。筆者以768 m中段采空區(qū)為例,采空區(qū)穩(wěn)定性定性分析結(jié)果見表1。由于采空區(qū)群已經(jīng)存在多年,且離深部采場(chǎng)較遠(yuǎn),又無(wú)爆破擾動(dòng)的影響,因此,可以定性判斷其不會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)大規(guī)模冒頂。
圖3 7661采場(chǎng)的冒落情況 Fig. 3 Results of roof caving in 7661 stope
表1 768 m中段采空區(qū)穩(wěn)定性定性分析結(jié)果 Table 1 Stability analysis results of 768 m goaf
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)西區(qū)888 m中段至808 m中段實(shí)測(cè)調(diào)查,采場(chǎng)基本全部垮落?;贑MS激光探測(cè)可知,西區(qū)7635采場(chǎng)的垮落最終形態(tài)是由采場(chǎng)上盤失穩(wěn)導(dǎo)致,采場(chǎng)頂板保存完好,由此可以推斷西區(qū)888 m中段至808 m中段塌陷的57個(gè)采空區(qū)并未塌實(shí),在頂板處可能留有三角采空區(qū),如圖4所示。
圖4 888 m中段至808 m中段西區(qū)采空區(qū)最終存在形態(tài) Fig. 4 Final shape of goaf in the west of 888 m middle section to 808 m middle section
該三角采空區(qū)的形態(tài)是由巖石的靜態(tài)自然安息角確定,由《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》[18]可知鉛鋅礦的靜態(tài)自然安息角為40°,由此可以估算出西區(qū)塌陷的57個(gè)采場(chǎng)殘留的采空區(qū)體積占采場(chǎng)體積的5.8%;由于808 m中段以下采用充填法開采,因此西區(qū)768 m中段采空區(qū)相對(duì)保存完好,由2.1節(jié)可知,7635采場(chǎng)垮落散體平均高度為15.75 m,由此可以推斷768 m中段西區(qū)采場(chǎng)殘留的采空區(qū)體積占采場(chǎng)體積的50.9%。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)東區(qū)888 m中段至768 m中段實(shí)測(cè)調(diào)查,除靠近43~51號(hào)勘探線破碎帶處的7個(gè)采場(chǎng)塌陷,其余28個(gè)采場(chǎng)的采空區(qū)均保存相對(duì)完好。由CMS激光探測(cè)結(jié)果可知,7661采場(chǎng)垮落散體平均高度為10.9 m,由此可以推斷東區(qū)采場(chǎng)殘留的采空區(qū)體積占采場(chǎng)體積的65.9%。同理,東區(qū)塌陷的7個(gè)采場(chǎng)依然可能存在三角采空區(qū),殘留的采空區(qū)體積占采場(chǎng)體積的5.8%。采空區(qū)掃描結(jié)果為后續(xù)采空區(qū)治理的研究工作提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查可知,目前已形成的采空區(qū)有101個(gè),其中位于西區(qū)的采空區(qū)有68個(gè),東區(qū)的采空區(qū)有33個(gè)。西區(qū)的采空區(qū)大多體積較大,頂板暴露面積大,穩(wěn)定性較差,采空區(qū)的存在給安全生產(chǎn)造成了極大的隱患。結(jié)合阿爾哈達(dá)鉛鋅礦生產(chǎn)實(shí)際,根據(jù)采空區(qū)的分布特點(diǎn),確定了采空區(qū)充填處理總體規(guī)劃方案,充填治理的總體順序?yàn)樽韵露现饌€(gè)中段治理,即先充填768 m中段隨后依次充填808 m中段、848 m中段和888 m中段。由于27~33號(hào)勘探線礦體厚大,西區(qū)首先充填27~33號(hào)勘探線采空區(qū),隨后向兩翼逐步充填殘采;53~57號(hào)勘探線存在破碎帶,東區(qū)首先充填破碎帶下盤采空區(qū),自破碎帶向東逐步充填殘采。768 m中段作為首充段,西區(qū)7631采場(chǎng)和東區(qū)7651采場(chǎng)作為第1充填區(qū)域,7631采場(chǎng)充填完畢后向兩翼依次充填至7619采場(chǎng)和7637采場(chǎng),7651采場(chǎng)充填完畢后向東依次充填至7663采場(chǎng);808 m中段作為第2充填中段,西區(qū)8027采場(chǎng)和東區(qū)8055采場(chǎng)作為第2充填區(qū)域,8027采場(chǎng)充填完畢后向兩翼依次充填至8009采場(chǎng)和8045采場(chǎng),8055采場(chǎng)充填完畢后向東依次充填8057采場(chǎng)和8069采場(chǎng);848 m中段作為第3充填中段,西區(qū)8429采場(chǎng)和東區(qū)8459采場(chǎng)作為第3充填區(qū)域,8429采場(chǎng)充填完畢后向兩翼依次充填至8407采場(chǎng)和8439采場(chǎng),8459采場(chǎng)充填完畢后向東依次充填至8471采場(chǎng);888 m中段作為第4充填中段,西區(qū)8827采場(chǎng)和東區(qū)8855采場(chǎng)作為第4充填區(qū)域,8827采場(chǎng)充填完畢后向兩翼依次充填至8807采場(chǎng)和8837采場(chǎng),8855采場(chǎng)充填完畢后向東依次充填至8869采場(chǎng)。
根據(jù)阿爾哈達(dá)鉛鋅礦尾砂物理化學(xué)性質(zhì),選取分級(jí)尾砂( 尾礦庫(kù)取樣 )為充填骨料,在低溫環(huán)境下制漿,漿體澆注至7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm標(biāo) 準(zhǔn)三聯(lián)金屬試模中,并放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行低溫環(huán)境養(yǎng)護(hù)( 養(yǎng)護(hù)溫度7℃,濕度90% ),試塊到規(guī)定齡期后脫模,在專用壓力機(jī)上進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試。根據(jù)制定的試驗(yàn)方案,在室內(nèi)制作試塊并測(cè)定其相 應(yīng)齡期的單軸抗壓強(qiáng)度值,充填配比試驗(yàn)結(jié)果見 表2。
表2 充填配比試驗(yàn)結(jié)果 Table 2 Test results of filling material ratio
由表2可知,隨著水泥含量的減少,膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度明顯降低,如A組灰砂比1∶6試塊的內(nèi)部結(jié) 構(gòu)比較致密,其28 d抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到1.64 MPa左右,而灰砂比1∶10試塊的28 d抗壓強(qiáng)度僅0.48 MPa,且有分層、離析現(xiàn)象。試塊單軸抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大,如各質(zhì)量濃度28 d強(qiáng)度與7 d強(qiáng)度相比有較大幅度增加,且質(zhì)量濃度越高,增加幅度越大,說(shuō)明充填體中的水泥含量較大時(shí)其強(qiáng)度增加較為明顯,且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)充填有利。
充填體的抗壓強(qiáng)度與料漿的質(zhì)量濃度有關(guān),料漿的質(zhì)量濃度越高,充填體抗壓強(qiáng)度越大,試驗(yàn)結(jié)果顯示:漿體質(zhì)量濃度由65%提高至75%,28 d單軸抗壓強(qiáng)度可提高2~3倍。但由于尾砂膠結(jié)充填體和易性強(qiáng)、黏性大,過(guò)高的質(zhì)量濃度會(huì)使管道輸送困難。試驗(yàn)結(jié)果表明,灰砂比小于1∶6,即使質(zhì)量濃度提高,各組充填體28 d強(qiáng)度均不能達(dá)到1 MPa,當(dāng)灰砂比為1∶8和1∶10時(shí),不能作為膠結(jié)層面,將影響機(jī)械和人在充填體上的作業(yè)。
阿爾哈達(dá)鉛鋅礦首先對(duì)768 m中段采空區(qū)進(jìn)行充填處理。對(duì)768 m中段25~35號(hào)勘探線采空區(qū)充填做準(zhǔn)備工作,施工充填鉆孔15處,架設(shè)板墻18處。充填管道自貫通地表的管纜井下延至808 m中段,管道下料口連接φ100 mm充填鉆孔,考慮到經(jīng)濟(jì)性,充填料漿灰砂比采用1∶6和1∶8及純尾砂3種類別。采空區(qū)底層先采用灰砂比1∶6的充填料漿進(jìn)行充填,充填至1 m垂直高度,再采用分級(jí)尾砂充填2~3 m,之后全部采用灰砂比1∶8的充填料漿。料漿質(zhì)量濃度為65%~70%。充填過(guò)程中密切觀察泄水板墻泄水情況,根據(jù)泄水速度調(diào)整下料點(diǎn)及充填量,采用“多點(diǎn)下料,次多量少”的充填方式。
充填擋墻及管路布設(shè)如圖5所示。
圖5 工業(yè)試驗(yàn) Fig. 5 Industrial test
經(jīng)過(guò)工業(yè)試驗(yàn),僅768 m中段25~35號(hào)勘探線采空區(qū)累計(jì)充填2.25萬(wàn)m3,完成了該區(qū)域采空區(qū)充填。單采空區(qū)單日最大充填量達(dá)到1 240 m3,平均每小時(shí)充填60~80 m3,充填料堆積垂直高度35 m。充填過(guò)程中未出現(xiàn)堵管、板墻倒塌或漏漿等情況。根據(jù)808 m施工采空區(qū)聯(lián)巷的揭露情況,充填料平整度好,密實(shí)度大,滿足采空區(qū)治理及后期頂柱回收的施工要求。
為了確保礦山的安全生產(chǎn)和充填治理的順利進(jìn)行,在地表布設(shè)了沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用SD-226型液壓式靜力水準(zhǔn)儀( 圖6 ),該液壓式靜力水準(zhǔn)儀是由儲(chǔ)液器、進(jìn)口高精度芯體和特殊定制電路模塊、保護(hù)罩等部件組成。采用四芯電纜將各靜力水準(zhǔn)儀并聯(lián),然后連接至數(shù)據(jù)采集終端,四芯電纜中兩芯用于傳感器供電,其余兩芯用于數(shù)據(jù)傳輸;數(shù)據(jù)采集終端內(nèi)置無(wú)線傳輸模塊,通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至云端數(shù)據(jù)服務(wù)中心;監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器通過(guò)HTTP傳輸協(xié)議訪問(wèn)云端數(shù)據(jù)服務(wù)中心,用戶可以對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行查詢、管理、維護(hù)等操作。
圖6 靜力水準(zhǔn)儀布設(shè) Fig. 6 Layout of static level
25號(hào)勘探線處塌陷坑直徑約125 m,29號(hào)勘探線處塌陷坑直徑約70 m。考慮地表移動(dòng)帶的范圍,確定該區(qū)域監(jiān)測(cè)范圍自23~31號(hào)勘探線,沿礦體走向300 m( S1監(jiān)測(cè)線 )和傾向170 m( S2監(jiān)測(cè)線 )范圍各布置10個(gè)測(cè)點(diǎn),用于監(jiān)測(cè)地表移動(dòng)帶的沉降規(guī)律,地表沉降監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。
圖7 地表沉降監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置 Fig. 7 Location of surface subsidence monitoring points
地表液體靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2018年4月27日安裝,經(jīng)調(diào)試于5月1日正式運(yùn)行。S1測(cè)線內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降值如圖8所示,Q2~Q5測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降值在0處波動(dòng),該監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)地表未發(fā)生沉降;Q10測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值在2 cm處波動(dòng);Q7~Q9測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間 的變化沉降值不斷變大,于8月18日開始周期性波動(dòng),趨于穩(wěn)定狀態(tài),Q7測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值約為5.2 cm,Q8測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值約為7.9 cm,Q9測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值約為5.7 cm。
圖8 S1監(jiān)測(cè)線各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降曲線 Fig. 8 Cumulative settlement curves of each measuring point on S1 monitoring line
S2測(cè)線內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降值如圖9所示。
圖9 S2監(jiān)測(cè)線各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降曲線 Fig. 9 Cumulative settlement curves of each measuring point on S2 monitoring line
N2~N6測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降值在0處波動(dòng),該監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)地表未發(fā)生沉降;N10測(cè)點(diǎn)于9月2日開始出現(xiàn)沉降,最大累計(jì)沉降值為8.5 cm;N7~N9測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間的變化沉降值不斷變大,于8月10日開始周期性波動(dòng),3個(gè)測(cè)點(diǎn)最終在沉降值8 cm處趨于穩(wěn)定。截至2018年7月阿爾哈達(dá)鉛鋅礦已完成了部分中段的充填作業(yè),S1測(cè)線和S2測(cè)線在2018年9月后地表累計(jì)沉降值不再增加,充填效果明顯。
( 1 ) 基于CMS激光探測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)踏勘,得出西區(qū)采空區(qū)的垮落最終形態(tài)是由采場(chǎng)上盤失穩(wěn)導(dǎo)致,西區(qū)采空區(qū)和東區(qū)破碎帶影響下的采空區(qū)存在三角采空區(qū),由鉛鋅礦的靜態(tài)自然安息角確定三角采空區(qū)體積占采場(chǎng)體積的5.8%;由7635采場(chǎng)垮落散體平均高度推斷,768 m中段西區(qū)采場(chǎng)殘留的采空區(qū)體積占采場(chǎng)體積的50.9%;由7661采場(chǎng)垮落散體平均高度推斷,東區(qū)破碎帶影響范圍外采場(chǎng)殘留的采空區(qū)體積占采場(chǎng)體積的65.9%,由此得出采空區(qū)群中每個(gè)采空區(qū)的大致體積。
( 2 ) 進(jìn)行了充填體力學(xué)性能和充填漿體物理參數(shù)試驗(yàn),確定了灰砂比為1∶6,質(zhì)量濃度為75%的充填體28 d強(qiáng)度為1.64 MPa,可以用于冬季低溫時(shí)人工假底充填。灰砂比為1∶8,質(zhì)量濃度為75%的充填體28 d強(qiáng)度為0.83 MPa,可以將此配比作為普通充填使用。
( 3 ) 考慮地表移動(dòng)帶的范圍,確定該區(qū)域監(jiān)測(cè)范圍為23~31號(hào)勘探線,沿礦體走向300 m和傾向170 m范圍各布置10個(gè)測(cè)點(diǎn),并布設(shè)液體靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,地表最大累計(jì)沉降值約為8.5 cm,最終地表垂直變形趨于穩(wěn)定,驗(yàn)證了充填治理方案的合理性。