盘龙铅锌矿采空区治理研究与实践

2019-08-20马宏伟

采矿技术 2019年4期

宋恒，马宏伟，罗佳

盘龙铅锌矿采空区治理研究与实践

宋恒1，马宏伟2，罗佳3

(1.广西中金岭南盘龙铅锌矿有限公司，广西来宾市 546100；2.山东中矿集团有限公司，山东招远市 265400；3.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012)

针对盘龙铅锌矿井下采空区的特点，通过采空区治理方案选择研究，确定了充填法治理采空区为主，辅助封闭周边小采空区的方案。经过几年的治理工作，井下采空区存量明显减少，井下生产的安全性明显提高，地表塌陷问题得以解决，另外，充填采空区给矿柱回采提供了条件，间柱采场的回采率由原来的45%提高到约85%，资源回采率极大提高，实现了利润最大化。

采空区治理；安全隐患；充填采矿法；回采率

我国金属非金属地下矿山采空区总量大，分布范围广，截至2015年，全国金属非金属地下矿山采空区已达12.8 亿m3，分布于全国28个省（市、区）[1]。由于各地矿山开采年份、开采方式及空区的规模差异较大，近年来已经有多地矿山出现因采空区管理不当造成的片帮、冒顶、垮塌、渗漏甚至地面塌陷等危害[2-4]。2015年12月25日，山东省平邑县发生的一起石膏矿垮塌事故，引发的强震达到4.0级地震水平，不但造成巨大人员伤亡和财产损失，事故还导致矿区周围地面不同程度塌陷，给周边居民的生产生活造成诸多不便。因此，逐步消除采空区安全隐患，是遏制金属非金属矿山重特大事故频发、实现安全生产形势稳定好转的关键环节。

1 盘龙铅锌矿采空区特点

盘龙铅锌矿位于桂中地区，矿区地形为低山丘陵，地势南高北低，西北部为峰林洼地，南部为低山，中部为丘陵，矿区内水系不太发育，有黔江自北西往南东流经矿区东北侧，另有武来河及盘古小溪等支流从南西向北东转汇入黔江。矿区所在区域大地构造位置为华南板块南华活动带的来宾凹陷带与大瑶山隆起的交接部位。区内地层岩性组合较复杂，断裂构造发育。近地表区域矿体破碎，基本为泥巴，且在矿体中部26线附近有溶洞。

1.1 采空区存量及地压活动

盘龙铅锌矿自2003年以来，一直用浅孔留矿法进行开采[5]，由于矿山开采前期未考虑建设充填系统，使得采空区未能进行及时充填处理，在多年连续开采后，井下采空区大量存在，截至2014年底，井下采空区总量达到86 万m3，接近地采矿山100 万m3采空区警戒线。

盘龙铅锌矿矿床上部地表标高在+56 m至+113 m，其中井下+25 m和−20 m两个上部中段的采场对应地表的区域标高普遍在+65 m至+80 m之间。由于上部开采中段矿体破碎，且围岩裂隙发育，溶洞多。回采过程中就经常发生冒落和片帮，溶洞内还伴有裂隙水，导致回采难度增大。由于未对采空区进行及时治理，随着暴露时间增加以及在下部中段矿体开采的影响下，采空区受到不同程度破坏，出现矿柱垮塌、顶板冒落。2012年，上部中段空区对应的矿区地表发生塌陷，塌陷面积超过2000 m2，造成地表部分设备机房墙体开裂、部分区域地基沉降等灾害。

随着开采水平不断向深部延伸，地压现象也越发明显，在部分区域（中段）有采场发生不同规模的片帮和冒顶现象，部分中段出现岩爆倾向等，部分采场由于地压问题突出，安全隐患重大，无法继续上采，而改用大直径深孔采矿（如708采场、810采场等）。另外，−170 m中段504矿块回采①采场时，与之相邻已经形成空场的②采场内发生大面积片帮，垮落矿石约2000 t（见图1）。

1.2 地表水下渗影响

矿山地处广西农业经济繁荣的武宣地区，当地土地肥沃，水系发达，尤其是表土层较厚，含水丰富。矿区范围属覆盖喀斯特地貌，矿岩坚硬破碎，脆性大，节理裂隙发育，局部溶洞较多，经过多年开采，部分采空区已经与溶洞或裂隙联通。以矿体中部16线附近为例，因溶洞裂隙与地表贯通，导致与之对应的−220 m中段626采场北帮岩层裂隙涌水，暴雨极端天气时涌水量最高达到46 m3/h。另外，矿山井下空区一旦垮塌，必将塌通地表，形成导水漏斗，破坏环境，不但对井下安全生产构成隐患，还会影响矿群关系和民生。

图1 504采场片帮情况

2 采空区处理方案研究

地下采空区除在特定条件下可以支撑并永久保留外，通常都应当进行处理，其目的在于消除空场，避免冲击地压隐患。归纳国内外的采空区处理方法，不外乎以下5类：即“崩”、“充”、“撑”、“封”和前述某几种方法的“联合”[6-8]。基于采空区治理的几类方法的特点和适用范围，针对盘龙铅锌矿采空区的特殊情况，采空区治理方法综合考虑矿柱回采，实现治理空区与矿柱回采协同进行的目的。

2.1 采空区治理方案选择

针对盘龙铅锌矿采空区处理难题，结合国内外空区处理方式，通过矿山工程地质调查、开采现状和前期研究成果的调查分析，由于地表不允许塌陷，采空区离地面较近，且在−20 m中段的部分采空区已经发生塌陷、地面下沉等灾害，因此不宜采用崩落法处理采空区。对于矿体边角区域相对独立的小采空区，其周边没有需回采的矿柱时，可采用封闭的方法处理，对于−70 m中段以下的采空区，一方面要考虑回采存留在空区内的大量间柱、边柱及顶柱，另一方面井下采空区存量较大，单纯的封闭处理不能消除采空区对井下生产安全的潜在威胁，采空区长期存在势必成为重大的安全隐患，因此盘龙铅锌矿采空区治理以充填空区为主，并对边角区域独立的小采空区进行封闭处理。

2.2 采空区处理顺序

采空区处理的顺序需结合空区安全状况、采掘工程影响、矿柱回采范围等多方面因素。由于−20 m中段以上部分已发生冒落，安全性差，且工程地质条件复杂，不具备继续回采矿柱条件，因此在进行采空区处理时，要首先安排该区域的充填。−70 m中段和−120 m中段岩层结构相对较好，但回采年份较早，部分采空区虽进行了封闭处理，但仍有小规模的局部垮塌和冒落，对重点区域或采场应优先安排充填，避免安全状况进一步恶化。−170 m中段以下部分采空区多为近几年来刚刚形成，空区安全状况较好，但该区域是目前矿山开采的主要区域，采掘作业点多，受爆破震动及地压影响，个别采场有片帮和冒落现象，该区域矿体回采时因进行了重新规划，采场布置比较规整，并按照先矿房后间柱的顺序进行开采，未来将作为矿柱回采的主要区域。因此，在安全条件允许的情况下，要在−170 m中段安排2~3个矿块的采空区进行充填，以便为今后回采间柱做准备。

2.3 充填强度要求

考虑到采空区充填要与矿柱回采相结合，不同采空区的充填强度要求也有差异。在充填材料的选择上要充分结合矿山实际情况：因资源赋存条件限制，盘龙铅锌矿井下出窿矿石品位较低，选矿尾砂产率高，前期开采已经产生超过100 万m³尾砂，全部堆存在地面尾矿库。因此，利用选矿尾砂充填采空区，可实现尾砂的综合利用。选矿尾砂经过分级后作为充填骨料，大大减少了尾砂到尾矿库的堆存量，不但降低了尾矿库作为重大危险源的危险性和尾矿库安全维护及治理费用，延长尾矿库的使用年限，同时还缩减了井下采空区存量。

根据国内外类似矿山回采间柱及顶柱的经验，针对盘龙铅锌矿−70 m中段和−120 m中段间柱的回采方法主要是上向水平分层充填采矿法，顶柱的回采方法主要是上向水平分层充填采矿法和上向水平分层进路充填采矿法[9]；−170 m以下中段间柱的回采方式主要是分段空场法和VCR法。参照国内外相关矿山，不同采矿方法对应的充填体强度要求：在采用上向水平分层充填采矿法时，需保证分层采场回采结束前，充填体能够自立，此时由于分层高度不大，充填体强度达到1 MPa且充填体完整性较好时可满足要求[10]；采用上向水平分层进路充填采矿法回采顶柱时，由于上部为采空区，因此充填空区时需保证空区下部的7 m充填体强度大于3 MPa；采用分段空场法和VCR法回采间柱时，为保证回采过程中两侧充填体稳定，宜采用不同强度充填方式分层充填（见图2）。

图2 充填体强度分布

2.4 安全管控措施

针对盘龙铅锌矿采空区处理难题，结合国内外空区处理方式，通过矿山工程地质调查、开采现状和前期研究成果的调查分析，采取声发射实时监测预警采空区安全，进行井下应力应变测试、地表岩层移动观测，预防预报井下空区安全。同时，进行地压活动规律数值模拟和空区稳定性评价，采用合理的充填强度、科学合理安排充填处理采空区的顺序，并通过现场空区治理工业试验，实现安全有序、高效环保、低成本的空区治理目标，有效消除了空区安全隐患，实现矿山的可持续发展。