中等型采空區(qū)治理技術(shù)方案研究*

李佳盛,顏紅迪,李宇星

(湖南黃金洞礦業(yè)有限責(zé)任公司,湖南 岳陽市 414500)

0 引言

代縣國弘鐵礦位于山西省代縣東南的新高鄉(xiāng)趙家灣西南1.3 km 處,行政區(qū)劃隸屬代縣新高鄉(xiāng)。礦體厚度為6～15 m,平均傾角為70°,連續(xù)性較好,區(qū)內(nèi)地層巖性單一,巖體結(jié)構(gòu)以整體塊狀、層狀結(jié)構(gòu)為主。巖石強(qiáng)度較高,礦層和頂?shù)装鍘r石的穩(wěn)固性較好,確定本礦區(qū)屬工程地質(zhì)條件簡單的礦床,礦山設(shè)計(jì)采用無底柱階段崩落法開采。該礦山已經(jīng)形成了2個(gè)回采中段,其中1605 m 中段已經(jīng)回采結(jié)束,正在回采1580 m 中段。目前該礦山地下采空區(qū)還剩余有3個(gè)未進(jìn)行治理,分別為1580 m 中段1#、2#、3#采空區(qū),3 個(gè)空區(qū)距離地表(山體)只有40～60 m,具體采空區(qū)位置如圖1所示。

1 采空區(qū)周邊巖體力學(xué)參數(shù)及質(zhì)量評價(jià)

為查明空區(qū)周邊的巖體工程地質(zhì)條件和圍巖穩(wěn)定性情況,采用SIROVISION 設(shè)備進(jìn)行了工程地質(zhì)調(diào)查[[1-3],并進(jìn)行巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),而后根據(jù)Hoek,Carranza-Torres(2002)提出的巖體破壞經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則[4],得出巖體的力學(xué)參數(shù),結(jié)果見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

采用單一綜合指標(biāo)RQD 和多個(gè)指標(biāo)復(fù)合分級方法——Q 系統(tǒng)治理評價(jià)方法,對礦區(qū)范圍內(nèi)出露的斜長角閃巖、石英型磁鐵礦、石英巖進(jìn)行了巖體質(zhì)量分級,所得結(jié)果如下。

(1) 斜長角閃巖:巖體質(zhì)量為中至較好。

(2) 石英型磁鐵礦:巖體質(zhì)量為良至好。

(3) 石英巖:巖體質(zhì)量為中至較好。

2 采空區(qū)現(xiàn)場調(diào)查

目前遺留有3個(gè)采空區(qū)未進(jìn)行有效治理,由于井下空區(qū)是在2020年開采形成的,內(nèi)部情況不明,只能采用掃描的方式進(jìn)行內(nèi)部調(diào)查。采用三維激光掃描儀進(jìn)行空區(qū)數(shù)據(jù)的采集[5],該儀器具有測量速度快、數(shù)據(jù)完整性好、數(shù)據(jù)拼接方便等優(yōu)點(diǎn)。選用3DReshaper點(diǎn)云處理軟件完成數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理工作[6],并輸出相關(guān)圖件。采用非接觸式三維激光掃描儀,可快速、安全、高效、全面地采集空區(qū)空間數(shù)據(jù),建立空區(qū)三維模型,依據(jù)現(xiàn)有井巷工程實(shí)測數(shù)據(jù)建立工程模型[7],綜合分析空區(qū)情況,為礦山采空區(qū)治理、礦山安全管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。現(xiàn)場調(diào)查情況如圖2和圖3所示。

圖2 空區(qū)位置

圖3 3個(gè)空區(qū)具體掃描輪廓

此次三維激光測量充分掌握了已測空區(qū)的分布及空間情況,該空區(qū)數(shù)據(jù)可與礦體模型和礦山CAD 圖紙相結(jié)合,分析該區(qū)域空區(qū)基本情況[8],為下一步空區(qū)治理提供依據(jù)。目前3個(gè)采空區(qū)的具體情況見表2。

表2 3個(gè)采空區(qū)現(xiàn)狀尺寸

3 空區(qū)穩(wěn)定性分析及分級

在前期巖體質(zhì)量及穩(wěn)定性分析、現(xiàn)場三維輪廓調(diào)查的基礎(chǔ)上,采用3D Mine、Rhino3D 軟件聯(lián)合建立了國宏礦業(yè)礦區(qū)及空區(qū)三維實(shí)體模型[9]。利用有限差分計(jì)算軟件FLAC3D 進(jìn)行模擬計(jì)算[10],對礦區(qū)范圍內(nèi)1#、2#、3#采空區(qū)周邊應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布情況進(jìn)行求解,對采空區(qū)穩(wěn)定性情況進(jìn)行進(jìn)一步分析。本部分研究通過采空區(qū)穩(wěn)定性理論分析方法,對目前礦山存留的1#、2#和3#采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與分級,并采用三維數(shù)值模擬分析對采空區(qū)穩(wěn)定性情況進(jìn)行了計(jì)算,得到結(jié)論如下。

(1) 根據(jù)目前采空區(qū)尺寸及形態(tài),以MATHEWS穩(wěn)定圖法劃定結(jié)果為基礎(chǔ),當(dāng)以采空區(qū)頂板暴露面積作為采空區(qū)穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)時(shí),1#、2#、3#采空區(qū)的安全級別分別為I(安全)、II(較安全)、II(較安全)[11]。

(2) 使用Q 系統(tǒng)巖體分級結(jié)果作為依據(jù),當(dāng)以采空區(qū)最大無支護(hù)跨度作為劃定采空區(qū)穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)時(shí),1#、2#、3#采空區(qū)的安全級別分別為I(安全)、Ⅲ(較不安全)、Ⅲ(較不安全)[12]。

(3) 根據(jù)三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,從采空區(qū)周邊圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)可以看出,采空區(qū)頂、底板通常受拉應(yīng)力作用,采空區(qū)側(cè)幫及各角點(diǎn)受壓應(yīng)力作用顯著,從應(yīng)力大小及分布復(fù)雜情況來看,采空區(qū)穩(wěn)定性狀態(tài):1#采空區(qū)優(yōu)于2#采空區(qū),2#采空區(qū)優(yōu)于3#采空區(qū)。從采空區(qū)開采完成后采場周邊位移情況來看,采空區(qū)主要存在頂板下沉和底鼓現(xiàn)象,從采空區(qū)周邊圍巖變形程度來看,1#采空區(qū)小于2#采空區(qū),2#采空區(qū)小于3#采空區(qū)。從采空區(qū)周邊塑性區(qū)分布情況變化的角度來看,在采空區(qū)周邊圍巖應(yīng)力平衡過程中,各采空區(qū)周邊圍巖都曾出現(xiàn)過塑性破壞,在達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)后,采空區(qū)周邊塑形單元分布1#采空區(qū)少于2#采空區(qū),2#采空區(qū)少于3#采空區(qū)。因此,當(dāng)以數(shù)值模擬結(jié)果作為判定采空區(qū)穩(wěn)定性依據(jù)時(shí),1#、2#、3#采空區(qū)的安全級別分別為I(安全)、II(較安全)、Ⅲ(較不安全)[13]。

綜上所述,可以判定1#采空區(qū)目前安全等級為Ⅰ級(安全),2#采空區(qū)目前安全等級為Ⅱ級(較安全),3#采空區(qū)目前安全等級為Ⅲ級(較不安全),有必要對3#采空區(qū)進(jìn)行有針對性的專項(xiàng)治理。

4 采空區(qū)治理方案研究

采空區(qū)目前治理的方法主要是封堵、充填、崩落和聯(lián)合處理。根據(jù)國弘鐵礦的空區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查和穩(wěn)定性分析結(jié)果,綜合考慮其空區(qū)的處理方案為聯(lián)合處理方案。采用充填法(干式廢石或濕式尾砂)和崩落法治理采空區(qū)的聯(lián)合方案[14]。

(1)3#采空區(qū)具體治理方案。對于3#采空區(qū),將采用崩落圍巖放頂?shù)姆绞竭M(jìn)行治理,前期現(xiàn)場調(diào)查的3#采空區(qū)尺寸為51 m(長)×25.3 m(寬)×(8.9～22.0)m(高),空區(qū)面積為1046.6 m2,體積為12 817.4 m3,該處采空區(qū)底板標(biāo)高為1577 m,地表平均標(biāo)高為1640 m。利用現(xiàn)有采空區(qū)為自由面,采用中深孔側(cè)向爆破,使得現(xiàn)有空區(qū)達(dá)到極限暴露面積后,頂板實(shí)現(xiàn)自然崩落,頂板自然崩落后填實(shí)3#采空區(qū)。崩落治理方案如圖4 所示。崩落范圍依據(jù)現(xiàn)有3#采空區(qū)的分布狀況,考慮既要確保崩落至頂板跨度的極限位置,又要確保崩落的圍巖量可以滿足緩沖墊層的安全需要。通過考慮兩種因素的要求,計(jì)算得出3#采空區(qū)治理工程需要崩落的范圍為699.4 m2,崩落后總空區(qū)面積達(dá)到1746 m2,崩落圍巖量為9058 m3,屆時(shí)崩落層厚度將達(dá)到5.8 m,加上原有殘留的廢石即可達(dá)到6.8 m。崩落輔助工程布置需要增加一個(gè)鑿巖爆破巷道,利用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行鑿巖,設(shè)計(jì)鑿巖巷道圍繞在1580 m 中段的3#采空區(qū)周邊。在東側(cè)和北側(cè)各布置一條鑿巖巷道,巷道規(guī)格設(shè)計(jì)為4 m×4 m,確保能夠滿足現(xiàn)有設(shè)備的鑿巖需要,總長度為104 m,總工程量為1664 m3。此次爆破共設(shè)計(jì)炮孔90個(gè),總施工炮孔長度為1200 m,總裝藥量為6.7 t,需要電子雷管180發(fā),該工程共計(jì)需要38 d。計(jì)算的緩沖層厚度為6.36 m,實(shí)際崩落后的巖層緩沖層的厚度可達(dá)6.8 m,緩沖層厚度能滿足安全要求。

圖4 采空區(qū)治理方案

(2)2#采空區(qū)具體治理方案。2#采空區(qū)屬于此次治理的第二采空區(qū),穩(wěn)定性狀況為較穩(wěn)定,內(nèi)有部分積水,積水深度為0.3 m,且已有部分廢石填充。經(jīng)計(jì)算,必須要求在采空區(qū)底部充填4.6 m 厚的廢石,即可滿足安全要求。廢石充填量為2783 m3,廢石來源主要是3#采空區(qū)治理鑿巖巷道施工過程中產(chǎn)生的廢石[15]。

(3)1#采空區(qū)具體治理方案。1#采空區(qū)屬于此次治理的最小采空區(qū),穩(wěn)定性狀況為穩(wěn)定,內(nèi)有少量積水,且有部分廢石充填。根據(jù)計(jì)算公式,計(jì)算的緩沖層厚度為3.5 m,依據(jù)此計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)要求在采空區(qū)底部充填3.5 m 厚的廢石,廢石充填量為353.5 m3。廢石來源主要為3#采空區(qū)治理鑿巖巷道施工過程中產(chǎn)生的廢石[15]。

5 結(jié)論

(1) 通過三維激光掃描儀進(jìn)行空區(qū)數(shù)據(jù)的掃描和采集,得出:1#采空區(qū)內(nèi)部有碎石,空區(qū)體積為474.8 m3;2#采空區(qū)體積為5962.4 m3;3#采空區(qū)體積為12 817.4 m3。

(2) 計(jì)算分析得出1#采空區(qū)目前安全等級為Ⅰ級(安全),2#采空區(qū)目前安全等級為Ⅱ級(較安全),3#采空區(qū)目前安全等級為Ⅲ級(較不安全),有必要對3#采空區(qū)進(jìn)行針對性的專項(xiàng)治理。

(3) 依據(jù)空區(qū)的穩(wěn)定性和分級結(jié)果,綜合考慮目前空區(qū)治理的主要方法,分別對1#、2#采空區(qū)采用一定厚度的廢石進(jìn)行充填處理,3#空區(qū)采用崩落側(cè)向圍巖處理。

(4) 通過對采空區(qū)采用充填和崩落的處理方式,較好地誘導(dǎo)崩落3#采空區(qū)至地表,利用3#采空區(qū)治理鑿巖巷道廢石充填了1#、2#采空區(qū),消除了空區(qū)存在帶來的安全隱患。