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收稿日期2019-09-02 作者简介路洪斌 （1983） ， 男， 高级工程师， 硕士。 总第 521 期 2019 年第 11 期 金属矿山 METAL MINE 顶部富水复杂环境采空区综合处置技术研究 路洪斌 1 王星 2， 3， 4 杨家冕 2， 3， 4 孙国权 2， 3， 41 （1. 皖江工学院土木工程系， 安徽 马鞍山 243031； 2. 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司， 安徽 马鞍山243000； 3. 金属矿山安全与健康国家重点实验室， 安徽 马鞍山 243000； 4. 华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究 中心有限公司， 安徽 马鞍山243000） 摘要某铁矿山于1980年开始投产， 采用竖井开拓， 采矿方法为空场法， 截至目前形成了诸多采空区， 其中 上部一矿体回采结束后未及时处理， 并且采空区已积水， 而下部三矿体正处于回采阶段， 其回采过程以及所留采空 区可能对上部采空区造成扰动， 具有导致上部采空区积水涌至现有回采范围的危险。为保障下部三矿体安全回 采， 消除上部采空区积水对下部矿体回采过程的安全威胁， 采用现场调查、 理论分析、 定量与定性分析相结合的方 式， 综合分析了采空区自稳性、 后续安全回采范围、 综合处置技术方案等。研究表明 下部三矿体回采范围内的8 个独立采空区暂时处于相对稳定状态， 但长时间暴露会有顶板冒落的危险， 其中KQ1和KQ8采空区影响波及上部 一矿体采空区积水范围， 其余 6个采空区未波及上部采空区范围， 通过技术分析， 确定对 KQ5、 KQ6、 KQ8采空区 进行充填处理， 对KQ1、 KQ2、 KQ3、 KQ4、 KQ7采空区进行封闭处理， 能够保证上部采空区安全和下部三矿体后续 回采工作安全， 消除矿山开采安全隐患。 关键词地下开采采空区空场法充填综合处置 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -11-035-08 DOI10.19614/ki.jsks.201911006 Study on the Comprehensive Disposal Technology of Goafs in Top Complex Water-rich Environment Lu Hongbin1Wang Xing2， 3， 4Yang Jiamian2， 3， 4Sun Guoquan2， 3， 42 （1. Department of Civil Engineering， Wanjiang University of Technology， Maanshan 243031， China； 2. Sinosteel Maanshan In- stitute of Mining Research Co.， Ltd.， Maanshan 243000， China； 3. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine， Maanshan 243000， China； 4. National Engineering Research Center of Huawei High Efficiency Cyclic Utilization of Metal Min- eral Resources Co.， Ltd.， Maanshan 243000， China） AbstractAn iron ore mine began to bring into production in 1980.Shaft development and open stoping mining is adopted.Up to now， many goafs of have been ed.The upper goafs of ore body Ⅰ has not been timely treated after the end of stoping， and the goaf has accumulated water， while the lower ore body Ⅲ is in the stoping stage， the stoping process and the remaining goaf may cause disturbance to the upper goaf， which may cause the water in the upper goaf to rush to the stoping ar- eas，and there are potential safety hazards.In order to guarantee the safety of the lower orebody Ⅲ stoping process and solve the security threats， this paper adopts the of combining field investigation， theoretical analysis， quantitative and quali- tative analysis to carry out the study of goaf self-stability analysis， follow-up safety mining area， comprehensive disposal mea- sures.The study results show that the eight independent goafs are temporarily in a relatively stable state， but long time expo- sure can lead to risk of roof caving.The KQ1and KQ8goaf affect the upper goafs area and the remaining goafs will not affect the upper goafs.It can ensure the safety of the upper goafs area and the safety of the follow-up mining work by filling the KQ5、 KQ6、 KQ8goafs and sealing off the KQ1、 KQ2、 KQ3、 KQ4、 KQ7goafs. KeywordsUnderground mining， Goaf， Open stoping ， Filling， Comprehensive disposal Series No. 521 November2019 采空区综合处置一直是采矿界普遍关注的技术 问题 ［1-2］， 其处置效果直接影响了矿山安全开采以及 矿区周边安全。现有的富水采空区处置研究多为处 理采空区积水 ［3］或围岩富水［4-5］， 对于在垂直范围内 35 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 存在相互影响、 上部不作处理范围内的采空区富水这 一特殊情形下的下部采空区处置问题研究有所欠缺。 本研究以某铁矿山为例， 结合充填、 封闭、 崩落等采空 区处理方法 ［3-4］， 综合分析上下部采空区相互影响关 系， 研究确定对KQ5、 KQ6、 KQ8采空区进行充填处 理， 对KQ1、 KQ2、 KQ3、 KQ4、 KQ7采空区进行封闭 处理， 同时划定下部-145 m水平安全范围和-175 m 水平安全范围， 为确保矿山安全生产提供可靠依据。 1工程概况 某矿山一矿体、 三矿体分别有各自的开拓系统。 其中， 一矿体在1981年开始投产， 于2002年3月底回 采结束， 累计采出矿量约350万t， 一矿体停产后， 由于 地表塌陷且未及时排水， 造成一矿体采空区内存有积 水。三矿体于2001年7月投产， 实际主要在35线以 东开采， 矿山采用浅孔留矿法进行采矿。三矿体35 线以东采空区很可能会影响到一矿体空区积水， 对其 下部的生产活动造成威胁。矿山已完成了 35线以 东-100 m水平以上采空区治理， 但三矿体35线以东 目前在-100 m水平以下的-127、 -145、 -168 m水平进 行了开采活动， 共遗留了8个采空区， 包括-127 m水 平的6个采空区和-145 m水平的2个采空区， 亟需处 理。一、 三矿体采空区的相互位置关系如图1所示。 矿体直接顶板一般都发育着厚度不大的矽卡 岩， 岩石破碎， 稳固性不佳。局部底板一般为1～2 m 厚的矽卡岩， 稳固性较差。矿体为块状和侵染状矿， 稳固性较好。含水层厚度大、 与外界联系强， 水文地 质条件复杂。 2采空区特点 2. 1采空区分布特征 通过现场调查， 三矿体产状变化较大， 由此开采 形成的空区形态迥异， 大小不一， 分布范围较广， 主要 为三矿体35线以东-100 m水平以下的-127 m、 -145 m水平空区。-127 m水平的新川6盲井损坏， 该水平 存在6个空区， 编号为KQ1、 KQ2、 KQ3、 KQ4、 KQ5、 KQ6， 其分布如图2所示。-145 m水平于334盲井右 翼存在两处空区， 编号为KQ7、 KQ8， 其分布见图3。 上述空区中， 长度最大的为KQ5空区， 为62 m， 跨度最大的是 KQ6空区和 KQ8空区， 为 17 m， 空区 36 ChaoXing 2019年第11期路洪斌等 顶部富水复杂环境采空区综合处置技术研究 高度最大的是 KQ4空区， 为 15 m， KQ5空区体积最 大， 为9 672 m3。各空区特征参数见表1。 注 采空区均未充填。 2. 2采空区自稳性分析 结合矿区矿 （岩） 体地质特征和待采区的工程特 点， 根据 工程岩体分级标准 （GB 50218T2014） 进 行了工程围岩分级与评价 ［6-7］， 结果见表2。 结合地质资料， 并根据岩体分级结果， 得出的三 矿体采空区允许暴露面积分别为 500～600 m2（上盘 岩石允许暴露面积） 和800～1 000 m2（顶板允许暴露 面积） 。 基于现场空区调查结果， 根据上表分析， 得出三 矿体35线以东-100 m水平以下采空区的顶板暴露 面积超过600 m2的有 ①-127 m水平， 该水平KQ2、 KQ5、 KQ6空区顶板暴露面积分别为 672、 744、 816 m2； ②-145 m 水平， 该水平 KQ8空区顶板暴露面积 为816 m2。 37 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 开采暴露面积的稳固性不仅取决于面积大小， 而且与暴露面的形状密切相关。当空区暴露面的长l 和宽a接近时， 即其长度小于2倍宽度时， 稳固性决 定于面积大小； 当暴露面长度远远大于其宽度时， 其 稳固性决定于宽度 ［8］。因此采空区暴露面积的稳定 性条件为 { la ＜ sul ＜ 2a a ＜ aul ≥ 2a， （1） 式中， su为采空区极限暴露面积， m2； au为采空区暴 露的极限跨度， 可进行如下计算 au 1.25 H σt γH 0.001 2K 0.6 ，（2） 式中， H为开采深度， m；σt为许用拉应力， MPa； γ为 岩体容重， N/m3； K深度修正系数， 本研究取3。 根据上式计算， 三矿体采场允许暴露的极限跨 度为20.38 m。 为确保矿山安全生产及保持开采空间稳定， 空 区跨度不应超过极限跨度， 空区顶板暴露面积不应 超过极限暴露面积。通过以上分析， 结合矿山目前 的采掘巷道、 采场稳定情况以及相关分析可以得出， 现有采空区参数均满足稳定性条件， 目前所揭露的 空区处于暂时稳定状态， 但长期存在会有塌陷的可 能性。 3三矿体采空区对一矿体采空区积水的影响 一矿体停产之后， 部分空区失稳， 一直塌陷至地 表， 矿山对大部分塌陷坑进行了回填， 地面进一步填 充密实， 目前回填区域没有发生沉降， 空区充填量已 达到 80左右， 采空区剩余体积已经不足 20万 m3。 回填范围内有一季节性河道， 根据现场考察， 该范围 内河道有水流经过。 3. 135线以东-100 m水平以下采空区对一矿体采 空区积水的影响范围 依据对三矿体矿岩特征的分析比较， 选取的三 矿体采空区岩石移动角为65， 结合现场调查绘制的 各水平采空区底板最低标高平面分布图， 圈定了空 区影响范围。一矿体现有空区基本位于60～150 m水平， 水位在60～100 m水平， 故以最高含水位 为保护对象， 即依据100 m水平一矿体遗留空区边 界进行安全范围圈定。为确保安全， 在圈定的安全 范围内还应包含10 m以上的防水矿柱。 空区移动影响距离D可按下式计算 D h tanϕ C，（3） 式中， h为空区底板至100 m水位的高差， m；ϕ为岩 石移动角，（） ； C防水矿柱宽度， m。 通过计算可得 ①-127 m水平安全范围， 该水平 距一矿体空区边界水平距离116 m以南部分， 如图4 所示； ②-145 m水平安全范围， 该水平距一矿体空区 边界水平距离125 m以南部分， 如图5所示。 由图4、 图5可知 三矿体35线以东-100 m水平 以下KQ1和 KQ8采空区的移动范围能够影响到一 矿体100 m水平遗留采空区的积水， 其他6个采空区 则不影响。 3. 2矿山后续安全回采范围 尽管三矿体 35线以东-100 m水平以下的矿体 产状总体上由北向南倾， 即越往下延伸距离一矿体 越远， 且由于三矿体倾角基本在45左右， 影响一矿 体的可能性越来越小。但考虑到该类型矿山可能会 存在鸡窝矿的特点， 依然需要考虑后续三矿体回采 工作对于一矿体遗留采空区积水可能造成的影响。 为最大限度提高资源回收率， 在保证矿山安全生产 的前提下， 依据一矿体范围和选定的岩石移动角圈 定出35线以东-145 m水平和-175 m水平的安全回 采范围， 对处于安全范围内的矿体可进行回收。其 中， -145 m水平安全回采范围为距一矿体空区边界 水平距离大于125 m以南部分， 如图5所示； -175 m 安全回采范围为距一矿体空区边界水平距离大于 139 m以南部分， 如图6所示。 4采空区治理方案 本研究采空区治理的目的是避免因采空区的存 在而产生岩移， 造成一矿体空区积水涌入三矿体采 区， 造成水害发生。根据三矿体35线以东采空区分 布、 赋存状态及空区上下盘围岩稳定性情况和经济 技术方面的分析， 对于35线以东-100 m水平以下采 空区的有效处理方案为封闭和充填 ［9-11］。 （1） 本研究处理的8个采空区中， KQ1空区跨度 38 ChaoXing 2019年第11期路洪斌等 顶部富水复杂环境采空区综合处置技术研究 为8 m， 高度为11 m， 顶板暴露面积达176 m2， 属于小 型空区， 并且尚有一部分处于安全范围内， 因此对其 进行封闭处理。通过监测其上部巷道围岩情况， 如 果发现巷道发生变形， 需立即进行充填处理。KQ2、 KQ3、 KQ4、 KQ7空区处于相应水平的安全边界推测 线以南， 即处于安全范围， 其移动影响范围不会涉及 到一矿体空区积水， 结合经济效益方面的分析， 对这 4个空区也进行封闭处理。 （2） -127 m 水平的 KQ5空区 （长宽高为 62 m12 m13 m） 顶板暴露面积为 744 m2， 空区体积 为 9 672 m3， 其顶板暴露面积和采空区体积均较 大。-127 m水平的KQ6空区和-145 m水平的KQ8 空区位于-85 m水平主巷道下方， 会影响到-85 m水 平相应位置的巷道。因此， 本研究对上述3个空区进 行胶结充填处理。 4. 1充填采空区处理方案 4. 1. 1充填方案 利用矿山选矿厂排出的尾砂或井下掘进废石作 为充填骨料， 胶结材料选用 PO32.5 普通硅酸盐水 泥， 水泥尾砂配比为 1 ∶8～1 ∶12， 充填体强度需达 1 39 ChaoXing 金属矿山2019年第11期总第521期 MPa以上。尾砂经汽车运输到料场， 由铲车铲至搅拌 桶内与水、 水泥混合后， 采用管道自流输送， 充填料 下放路径为副井20 m平巷1盲井-60 m平巷 -85 m 水平下山-85 m 平巷充填硐室1钻 孔、 2钻孔、 3钻孔采空区。充填工艺流程如图7所 示。 4. 1. 2充填工程布置 为充填-127 m水平的KQ5、 KQ6空区和-145 m 水平的KQ8空区， 需要在-85 m水平布置充填钻孔。 为尽量较少对矿山生产活动的影响， 本研究充填钻 孔于-85 m水平新川6盲井附近开钻， 并且在该位置 开钻的3个钻孔能够满足KQ5、 KQ6、 KQ8空区的充 填要求。充填工程布置如图8所示。 20 m水平充填管道长度为365 m， -60～-85 m 水平管道长度为131 m。本研究空区充填倍线为2.6。 钻孔直径为100～130 mm， 钻孔角度大于30以上。 4. 1. 3充填体脱水 在每个需要充填的采空区设置1～2条直径4寸滤 水管， 滤水管可采用加厚PVC管， 管壁均匀钻凿ϕ8～ 10 mm小孔， 呈梅花型布置， 间距50 mm， 而后用麻布 或滤布包裹， 再用铁丝绑扎牢靠。滤水管上口固定到 挡墙附近标高较高的顶板上， 下口砌进挡墙内。 4. 2封闭采空区处理方案 本研究对-127 m水平的KQ1、 KQ2、 KQ3、 KQ4 空区和-145 m 水平的 KQ7空区进行封闭处理。由 于-127 m水平仅有与-85 m水平相连的新川6盲井 和老川6盲井， 这两盲井均已停用， 且在-127 m水平 无任何与后续采矿活动相关联的工程布置， 故首先 对-127 m水平的KQ6空区进行充填处理， 待充填完 毕后， 于-85 m水平盲井口附近选择恰当位置砌筑封 堵墙， 隔断 KQ1、 KQ2、 KQ3、 KQ4空区与外界的通 道， 起到封闭作用。 封堵墙采用混凝土结构， 用单层钢筋编网， 钢筋 网采用ϕ12 mm圆钢编制， 网间距250 mm， 采用6钢 丝捆绑。巷道四周均匀分布8根锚杆， 锚杆采用ϕ18 mm螺纹杆， 长度为1 m， 锚杆端部与钢筋网焊接， 焊 接长度为400 mm， 钢筋网置于墙体中间， 墙厚1 500 mm。混凝土采用普通硅酸盐水泥， 沙子粒度为 2～ 40 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ 2.5 mm， 含泥量不大于6， 石子粒径为10～20 mm， 混 凝土配比 （水泥沙石子） 为11.272.85， 强度达到C20 以上。 5结语 通过对某铁矿进行采空区现状调查、 自稳性分 析以及采空区分布对顶部积水范围的影响分析， 针 对性提出了采空区综合处置方案， 将该矿 KQ5、 KQ6、 KQ8空区进行充填处理， 对该矿 KQ1、 KQ2、 KQ3、 KQ4、 KQ7空区进行封闭处理， 并划定了矿山 后续的安全回采范围， 对于确保该矿安全开采有一 定的参考价值。 参 考 文 献 李俊平， 肖旭峰， 冯长根.采空区处理方法研究进展 ［J］ .中国安 全科学学报， 2012， 22 （3） 48-54. 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