钨矿山薄矿体采空区治理技术研究

2021-07-21瞿秀文

中国金属通报 2021年14期

瞿秀文，许霖

（广西桂华成有限责任公司，广西贺州 542800）

珊瑚钨矿于1979 年设计施工，1981 年正式投产，1993 年停产，2007 年恢复，2009 年投产，珊瑚矿面积2.9128/km 平方，生产能力33 万t/a 采矿方法；浅孔留矿法；开拓方式：主、副竖井+盲斜井。矿脉属于极薄急倾斜矿体，矿脉平均厚度0.42m，矿脉平均倾角70°。

1 采空区的现状及其产生原因

珊瑚钨矿已有几十年的开采历史，一直采用浅孔留矿法进行开采作业。经多年的空场法开采，井下形成一定数量的采空区，需要对空区进行治理。采空区主要分布在175 中段、125 中段、75中段、35 中段、-5 中段，除35 中段和-5 中段段高40m，其他中段段高均为50m，采场：长度50m，高度50m，采幅1.1m～1.2 m 底部采用漏斗方式放矿，有3m 底部结构，顶柱留2m～3m。

2 采空区的危害程度和治理难易程度分析

2.1 采空区的危害程度

（1）应力破坏。前期矿山采用了钢筋混凝土进行支护，到后期现场观察到这些支护结构大部分有变形，最大的裂缝宽度已超过四十公分并有错位情况。

（2）冲击气浪破坏。采空区垮落急剧压缩空区内空气形成冲击气浪，会直接危害井下作业人员和设备、设施。

（3）机械破坏。采空区岩石垮落造成机械冲击，导致岩体裂隙发育以及底柱破坏。

2.2 采空区治理难度分析

由于空区分布较广，老空区较多，治理难度相对增大，而公司规模不是很大，公司效益不高导致资金不宽裕，故采空区治理必然是一个长期且艰难的过程。

3 采空区的治理技术研究

3.1 治理的目标和任务

有效控制和管理地压，防止灾害性地压事故发生，为安全生产提供保障和有力条件。

3.2 治理方案比较分析

对于矿山井下采空区的治理，目前国内外主要有崩落法、充填法、封闭法三种治理方案，下面就三种方案的特点进行分析。

（1）崩落围岩法。崩落围岩处理空区是通过爆破手段崩落空区周边或顶部围岩，利用爆落围岩充填空区形成缓冲岩石垫层，防止围岩大面积突然崩落产生气浪对空区周边的井下工程、构筑物、机械设备和人员产生危害的一种空区处理方式。其优点在于施工过程简单，空区处理速度快，往往一次或几次大爆破就可以处理采空区。其缺点在于其适用条件比较苛刻。崩落围岩法适用于空区上部(特别是地表)允许崩落，若地表不允许崩落则需要空区与地表之间有较深的保护厚度，保证崩落后不影响地表。

初姓是中国各类古籍中出现次数较少的姓氏，在初彭龄登上政治舞台前，该宗族在历朝正史中仅记载两次，首次出现在北齐魏收《魏书》中，其次出现于元代托克托《宋史》里，其后直至乾隆三十六年（1771年）以前的官修史书，从未记载任何初姓族人。乾隆三十六年以后，《清实录》《清史列传》《清史稿》等著作中才陆续频繁出现初姓，但无论频率多高，这些相关材料始终只围绕一个人，即本文研究对象初彭龄。

（2）充填法。充填处理空区可以减小并减缓围岩或地表移动的幅度，防止大面积地压活动，减弱地压活动对空区周边巷道的影响，确保空区周边生产作业的安全，同时它可以解决尾矿和采掘废石的堆放问题。按治理空区的充填料进行分类，充填法又分废石干式充填和尾砂胶结充填两种，两种方法各有优缺点。

废石干式充填的优点在于充填系统大部分利用原来的废石运输系统，不需要增加设施设备，充填料为废石不需要增加原料成本，所以总体充填成本低，系统简单。缺点在于废石块度较大流动性不强，难以将空区充满，因此不能有效支护空区顶板。

尾砂胶结充填的优缺点与废石干式充填几乎正好相反，其优点在于充填体流动性好，充填较致密，因此可以很好的接顶，对空区的顶部进行有效控制；由于胶结体板块性好，可以在胶结充填后回收空区周边的残余矿块，减少井下矿石损失。缺点在于需要在井下（部分可设于地表）建立一整套设施设备，前期投入高；在充填中需要添加水泥等胶结料，充填过程中的成本也高。从适用条件上看，充填法几乎可以适用与所有地下矿山空区的治理。

（3）封闭法。封闭法处理空区实质上是将空区与周边正在使用的巷道隔离开，避免空区冒落对空区周边的人员和机械设备带来影响。其优点在于施工简单，处理速度快，连通空区的巷道往往不多，只要把通往空区的巷道封堵住，避免人员设备靠近即可。其缺点在于空区没有得到彻底解决，无法整治大规模连片的空区冒落。采用封闭法治理空是将矿石采出后立即封闭空区，任由空区存在或崩落，由于其施工简单，经济，施工速度快等优点，越来越多的国内外矿山将其应用到规模较大的采空区中，它的使用范围得到了进一步的推广。所以封闭法适用性上几乎可以用于所有地下矿山的空区治理，它经常跟废石干式充填法等其他空区治理方法共同使用。

3.3 治理方案选择

尾砂胶结充填法的投资成本和运营成本都很高，公司资金压力大，经济条件不允许，所以它不适用于该矿山的空区治理。

崩落围岩法要求空区上部(特别是地表)允许崩落，若地表不允许崩落则需要空区与地表之间有较深的保护厚度，保证崩落后不影响地表。该矿山地表不允许塌陷，空区与地表之间的保护层厚度也不允许进一步崩落，显然崩落围岩法也不适合该矿山的空区治理。

目前井下-5 中段以上回采结束形成采空区，掘进及回采作业基本都在-5 及以下中段，作业点和空区在上下方向总体分隔开来。但在-5 中段和-55 中段为空区与作业面的接触中段，按照《金属非金属矿山安全规程》的规定，采场回采结束后应及时密闭采空区，即是为了防止人员进入采空区引起伤害，也是为了保持井下通风的需要。井下掘进作业可提供废石，因此井下空区处理方法以封闭法为主，废石干式充填法为辅。

3.4 治理方案细述

（1）封闭法治理采空区。在连通空区的各巷道内构筑一定厚度的封堵墙，避免采空区冒落产生的冲击气浪对空区周边人员和设施设备造成伤害。分析顶板冒落时的冲击波能量并参考其他矿山的经验，设计封堵墙的厚度为1m，使用钢筋混凝土进行封堵。钢筋主筋直径为16mm～18mm 的螺纹钢，布置间距0.2m；副筋直径为6mm～8mm 的光圆钢筋，配置间距0.4mm。封堵墙留有直径0.2m～0.3m 的疏水孔和观察孔。封堵剖面图见图1。

图1 封堵剖面图

实例说明：-5 中段3468 采场空区，位于-5 中段6 线与8 线之间，标高-5m 至35m 之间，空区长度98m，平均宽1.1m，高35m，空区体积约3456m³，施工封堵墙封闭通往空区的巷道。封堵平面图见图2。

图2 封堵平面图

（2）废石干式充填法治理空区。利用中段掘进产生的废石作为充填料，倒入所需治理的采空区，充填下去的废石形成缓冲层，达到一定高度后，满足空区顶板冒落所产生冲击能量的缓冲作用，确保采空区周边工程的安全稳定。

实例说明：-5 中段3468 采场空区，由浅孔留矿法采矿形成的空区，位于-5 中段6 线与8 线之间，标高-5m 至35m 之间，空区长度98m，平均宽1.1m，高35m，空区体积约3456m³。采用封闭法封堵通往空区的巷道的同时，在35 中段利用采场先进天井安装格筛改造为充填井，将井下掘进产生的废石运至该处充填，对该空区进行处理，进一步处理采空区。废石充填采空区平面图见图3。

图3 废石充填采空区平面图

（1）井下空区形态狭长，只进行单边充填的情况下充满率不高，但由于空区宽度小，总体积不大，单边充填亦可形成一定的缓冲垫层从而达到空区治理的目标。为提高充填效率，可在采矿时将顺路天井也打透上中段，这样顺利天井也可改造为充填天井，由单边充填变为双边充填，提高空区充满率。

（2）废石充填后，空区周围的矿石将不能回采，所以废石充填前要确定采场周围矿石已经采完出空，在安全的前提下回收部分矿柱，减少矿石损失。

（3）废石干式充填法是封闭法的辅助方法，对于一些较大的采空区，在封闭法的前提下辅以废石充填是确保空区安全的有力措施。

4 空区监测

空区监测是空区治理的必要手段。根据（《国家安全监管总局关于印发非煤矿山领域遏制重特大事故工作方案的通知》安监总管一〔2016〕60 号中“一·（四）·1”规定，全国范围内800m以上深井必须采用实时在线地压监测系统，以防范岩爆等应力灾害发生。

珊瑚钨矿开采深度虽不及800m，但由于岩石稳固性不高及空区暴露范围总面积较大等原因，出现了一些地压活动。公司于2019 年10 月委托北京矿冶科技集团有限公司开展珊瑚钨矿开采过程地压活动规律研究，在钨矿建设一套地压监测系统（微震监测系统），可监测到钨矿主要采空区及开采范围内的有效微震事件分布，分析矿区微震活动性，描述矿井应力场、能量场的迁移过程，掌握深部开采地压活动规律，分析研究适合于本矿山的监测预警敏感值，为矿山安全管理提供科学手段，预防安全事故的发生，为制定矿山地压治理措施提供技术支撑，为解决矿山地压问题提供数据参考，指导矿山安全避险。为实现矿区安全生产提供先进手段和技术支撑，并将显著提高钨矿的地压控制水平，大幅降低后续深部开采的安全风险。

5 安全措施

采空区处理是一项相对危险系数较高的工作，它可能面临冒顶片帮、高处坠落、中毒窒息等事故风险，因此作业人员要特别注意安全，须注意以下几点：①对施工地点进行地压监测，根据微震监测系统进行有效预警和监护。②挂设安全警示标志，作业人员暂停不进入时要进行临时封堵，以引起进入人员的注意，禁止无关人员进入。③加强顶板分级管理，确保作业区域和附近的顶板安全。④封闭法作业中，使用后退法施工，确保作业区域气体合格。⑤充填作业中，充填格筛必须安装稳固，网度小于0.3m*0.3m。⑥封堵墙应设置泄水孔，避免水贮存空区内形成隐患。