某铜镍矿安全隐患分析及治理研究

2023-01-29张绍周陈玉明

采矿技术 2023年1期

张绍周,陈玉明

(1.昆明工业职业技术学院, 云南昆明 650302;2.昆明理工大学, 云南昆明 650031)

金属矿山开采过程中,由于采矿方法和工程布置的差异,形成了多种形态和不同结构的采空区。采空区诱发各类地质灾害,如顶板冒落、冲击气流、矿井突水、通风损失及地表塌陷等,其中,以采空区顶板冒落诱发的矿震和空气冲击波危害最大,已成为目前地下矿山主要危险源之一[1-6]。采空区治理实质是转移岩体应力集中部位,缓解应力集中程度,使应力分布达到新的平衡,以达到控制和管理地压保证矿山安全生产的目的。常用的5大类采空区处理方法是“崩”“充”“撑”“封”及其联合[7-10]。本文以某铜镍矿为例,根据采空区赋存现状,分析存在的安全隐患,设计治理方案,为金属矿山采空区治理提供技术指导和理论支持。

1 工程概况

某铜镍矿生产能力为45万t/a,采用分段空场采矿法开采,分段凿岩,阶段出矿。阶段高度为60 m,分段高度为12 m。目前仅开采455 m水平一个中段,515 m水平设回风中段。矿块长度为25～50 m,顶柱为5 m,间柱为7～9 m。底部为无底柱结构,在中段运输巷内每隔10 m掘一条出矿穿脉巷至矿房,每一矿块布置4～5条出矿穿脉巷,采用1 m3地下铲运机出矿。开采范围为地表至455 m水平,已建设515 m和455 m两个中段,其中515 m中段为回风中段;矿区共开采1#、2#、3#、4#、5#共5个矿体,其中4#矿体为富矿,铜、镍品位较高,铜平均品位为0.269%,镍平均品位为1.01%;1#、2#、3#、5#矿体品位较低,镍平均品位仅有0.28%。由于主要开采的4#富矿体接近枯竭,而低品位矿体目前市场环境下开采不盈利,矿区已近停产,形成大量采空区,地表出现多处裂隙。因此,某铜镍矿现急需对采空区进行治理。

1.1 采空区现状

经现场测量,采空区分布于某铜镍矿22#至27#号勘探线之间,垂直标高为455～515 m。采空区与地表未完全垮通,地表裂隙的产生与井下采空区形成相关,且联系紧密。采空区为不连续采空区,新采场与老采空区通过矿柱间隔,新采场采用空场嗣后充填采矿法回采,从根本上杜绝了采空区的产生。采空区范围和体积确定由测量工程师测量采空区底部和顶部各节点坐标计算顶底部面积,由矿体上下盘钻孔测算空间状态,并计算机成图,计算结果见表1。

表1 某铜镍矿采空区现状

1.2 安全隐患分析

分段凿岩、阶段出矿的分段空场法利用矿柱支撑顶、底板,矿房内进行分段凿岩,崩落的矿石通过矿房底部出矿进路出矿,工人作业在巷道内进行,由于围岩稳定性高,作业方式安全。回采作业完成后,为管理采空区顶板,防止采空区冒落对周围作业区域产生危害,矿山采用崩落采空区顶板围岩的方式对采空区进行充填,可避免井下应力集中,在一定的时间内保持采空区稳定。

已采用崩落围岩法处理的采空区,为防止通风损失及人员误入,矿山采用封闭法进行处理。封堵墙采用混凝土浇筑,强度为C15,厚度为300 mm,采空区处理如图1、图2所示。515 m中段作为回风中段,455 m中段回采后采空区崩落顶板围岩填充采空区,515 m中段采用崩落顶板围岩充填采空区,因此存在天窗,如图3所示。地表由于井下采空区的影响,有裂缝存在,如图4所示。

图1 废石充填封堵采空区

图2 混凝土浇筑封堵采空区

图3 崩落顶板围岩填充采空区

图4 采空区上部地表裂隙

综上所述,矿山存在的安全隐患有如下几点。

(1)采空区内崩落的围岩有空隙,随着时间的延伸,崩落的岩块可能缓慢沉降,造成周围岩壁的变形,可引起片帮等危险。

(2)采空区影响范围内巷道,可能由于应力集中的作用,存在冒顶、片帮的危险。

(3)515 m中段采空区天窗敞开,不及时隔离封围的情况下,可能存在人员坠落的危险。

(4)515 m中段及未及时封闭的采空区,存在通风损失的危险。

顶板冒落产生空气冲击波,可能对生产井巷及地下设施造成危害,同时影响井下作业人员安全。

2 采空区治理方案

随着采矿技术的不断发展,采空区治理技术更加成熟化[11-13]。根据目前某铜镍矿充填站建设的实际情况,采空区治理分为两阶段进行,一阶段是在充填站建设前,采用崩落围岩充填采空区和封闭采空区进行治理;二阶段是在充填站建设以后,采用充填采矿法开采矿体并充填采空区。

2.1 地表治理方案

(1)在地表沉降区域、岩石移动带外设置隔离围网,悬挂安全警示牌,隔离危险区域。治理周期1个月,防止人员误入。

(2)在地表沉降区域内设置多个地表裂缝位移观测点,实时监测地表沉降变化情况。治理周期2个月,监控地表裂缝位移。

(3)在地表沉降区域、岩石移动带外设置防洪坝或排洪沟,防止大气降水进入裂隙,对井下采空区、生产井巷造成影响。

2.2 井下治理方案

(1)回采结束后,为防止由于矿体采出导致围岩压力增加而使矿体顶板后期冒落,设计采用预先崩落顶板围岩的方式解决。治理周期3个月,治理结束后可利用崩落的围岩支撑顶底板,起到缓解并控制地压的目的。利用凿岩巷道打水平孔或倾斜孔,孔深4～5 m,孔距、排距依据现场围岩条件进行确定。集中装药后一次性爆破,通风结束后用封堵墙进行封闭,严禁人员和设备进入采空区。

围岩崩落后的松散体积按下式计算:

式中,V虚为崩落后岩体体积,m3;V实为崩落前岩体体积,m3;k为岩体的松散系数,根据《现代采矿手册》散体的物理力学性质,铜镍矿石的松散系数为1.6,岩体松散系数为1.5。

崩落顶板围岩后,由于体积增大,其对采空区有一定的支撑作用,能初步达到减少地压的目的。但由于崩落围岩的缝隙太大,其随着时间的增加仍有继续塌落的可能,采空区需要采取其他措施进一步进行治理。

(2)为防止采空区上覆岩层的大规模冒落产生空气冲击波,设计采用泄压、封堵相结合的方式解决。泄压方案是一旦出现顶板冒落形成的空气冲击波,利用515 m回风中段排出。设计利用不封堵的巷道直达矿区东侧的风井,通过风井排出,以达到泄压的目的。在通往主、副井的生产巷道设置两道风门,防止泄压对主要生产井巷产生影响。泄压可利用现有巷道设置风门,规划泄压通道,可在生产期间同时进行。治理周期1个月,起到降低空气冲击波破坏的作用。

封堵方案则是利用封闭墙,对采空区进行封闭,隔离人员作业区域,达到封堵的目的。封闭方式主要为岩石阻波墙和混凝土阻波墙,主要封闭部位为回采进路、废弃巷道、天井、溜井等。封堵在采场自然垮落或崩落围岩后进行。治理周期3个月,起到阻止或降低空气冲击波破坏的作用。

根据矿山采空区实际及材料运输情况,设计采用岩石阻波墙和混凝土阻波墙两种封闭方式。在材料难以运输或无利用价值的巷道采用岩石阻波墙封堵。利用巷道为自由面进行挑顶,挑顶高度大于巷道高度,长度大于10 m,通过崩落的岩石作为封闭墙。在主要巷道采用混凝土阻波墙封堵。材料可选择砖、素砼、钢筋砼等,强度为C15,厚度大于300 mm。首先在封闭地点进行楔形扩帮,扩帮最深处为0.5 m;然后清理工作面后砌砖或立模进行砌筑。

(3)地表充填站建成后,通过地表制浆,经充填孔、充填管线充入采空区,对原有崩落围岩的缝隙进一步充填,增加充填体强度,达到最终采空区治理的目标。治理周期6个月,采空区完全被废石和充填料填充,防止采空区冒落等灾害事故的发生。

地表充填站搅拌均匀浓度适中的充填料浆卸入料斗,通过充填管道自流输送至井下采空区进行充填。充填前做好采空区的密闭工作,密闭隔墙及滤水设施检查合格后开始充填。采空区充填为分期充填,一般先充5～7 m胶结料,待初凝或脱水后,再依次充填,直至采场充满为止。充填时,先行冲洗充填管道,在充填采场回复信号后,充填站内制浆系统再行启动,将合格充填料浆经管网输送至井下。采空区充填预计将要结束时发出停止信号,充填站得到停止信号后,立即停止给灰和供砂,所剩砂浆流完后相继停车,用清水柱将管内剩余料浆输送至采空区。