万林海

(江西省修水香炉山钨业有限责任公司, 江西 修水县 332438)

目前,全面采矿法、房柱采矿法仍是回采缓倾斜矿体的重要采矿方法[1],其共同要求是:在采场采矿时,留设一定比例的矿石点柱于采场内,用于支撑顶板,控制顶板地压。不同之处在于,全面采矿法,留设点柱位置,没有明确规律,随采矿作业进度进行调整,而房柱采矿法,则是提前规划好矿柱位置。

上述两种采矿方法,采场内矿石点柱的设置,往往根据极限跨度和矿柱安全系数计算的结果来确定。开采前期,由于采场内顶板安全性往往较高,因而采场结构参数上采场长度、采场宽度较大,单个采场垂直投影面积往往大于2000 m2以上。但随着采场回采的结束,如果嗣后充填工作未能及时开展或滞后时,该类型采场空区,可能将会转化为重大安全隐患区域,给后续采场的平面工程布置造成一定的不良影响。因此,研究判断并优先治理重点隐患采空区,对于矿山减少空区治理投入并维持矿山正常开采,显得尤为重要。

1 矿区开采技术条件

江西省修水香炉山钨业有限责任公司位于修水县港口镇内,由11家矿山企业重组而来。矿区采用地下开采,开拓方式为平硐＋辅助斜坡道,铲运机装载,矿卡运输。矿区主采的1 W矿体,具有储量大、品位高、厚度大、矿体及顶底板围岩稳固、分布范围广、连续性好、工程地质和水文地质条件简单等特点。

井下矿区,以16线为界,划分为东、西部两个采区。其中:东部采区为原11家矿山的主采矿区,井下采场大量使用留设不规则点柱、条柱的全面法进行开采[2],已形成大规模复杂采空区,现采用充填采矿法进行开采及空区处理,处于残矿回采阶段,亦是本次空区稳定性计算分级与充填治理规划研究的重点区域。

1.1 井下空区现状

目前,井下已利用原全面法留设矿柱,改造点柱式上向水平分层充填采矿法进行开采,但同时受限于充填能力,尚有大量空区没能进行充填治理。因此,采用“区域充填、区域回采,逐步推进治理空区”的思路,进行残矿回采。

井下空区情况:2013年以前,井下空区主要以东部矿区空场法空区为主,西部矿区未进行大量开采,2013年之后矿山开始进行现场充填工业试验,西部矿区开始采用两步骤空场嗣后充填法开采,该方法产生的采空区随着回采作业水平的升高,被大量充填,因此,截至2019年,井下空区仍然以东部矿区为主。

表1 2013—2018年采空区体积变化

1.2 井下回采工艺

据现场调查,香炉山钨业东部顶板采场采用点柱式上向水平分层充填采矿法,利用原开采留设的点柱作为盘区采场划分的节点,砌筑充填挡墙(预留盘区采场出入口),充分利用井下现有工程,圈定回采区域,并对圈定区域进行充填作业,充填体达到设计强度后,利用充填体作为作业平台,开始顶板回采,采场布置如图1所示。在回采、充填区域圈定时,必须保证回采区域的运输、通风等系统的畅通与安全。

图1 东部采区采矿工程布置与回采

原采空区充填时充填体与顶板之间预留1.5～2 m的作业空间,回采分层高度根据顶板跨度大小确定,一般为2～3 m,在顶板岩体较为稳固的情况下,配备撬毛台车等设备后,采用高分层4～6 m进行回采;浅孔凿岩落矿,崩落矿石采用铲运机铲装,矿用卡车运出地表,并视矿岩稳固情况,可增设一定数量人工矿柱,减少顶板跨度,保证回采安全,回采时,严禁回采点柱矿体。

此采矿方法充分利用原有工程,一般不增加新的采切工程,特殊情况下为保证人员、设备运输线路安全,可添加一定掘进工程或构筑人工假巷。

2 采空区稳定性安全分级

2.1 顶板稳定性分级

采用Mathews稳定性图解法和Bieniawski推荐的矿柱强度公式计算分析了不规则矿柱的稳定性[3-8],根据顶板稳定性计算结果,结合风险分级评判标准《金属非金属矿山采空区安全风险分级标准》(DB43/T 1385—2018),进行顶板安全分级。香炉山钨矿东部采区顶板稳定性分区如图2所示。

图2 顶板稳定性采空区安全分区

(1)Ⅰ级(安全)状况的采空区57个,占采空区总数的21%,面积占11%;

(2)Ⅱ级(较安全)状况的采空区74个,占采空区总数的27%,面积占22%;

(3)Ⅲ级(较不安全)状况的采空区113个,占采空区总数的42%,面积占50%;

(4)Ⅳ级(不安全)状况的采空区27个,占采空区总数的10%,面积占17%。

2.2 矿柱稳定性分级

根据工程经验将矿柱的稳定性安全系数分为四级,并按照国家常用的预警颜色赋予其不同的预警色[9],矿柱稳定性分级标准见表2。

表2 矿柱稳定性安全分级

根据矿柱稳定性分级表,对五坑口、二坑口、四坑口矿柱稳定性的计算结果进行分析,各坑口矿柱的安全级别按照不同的预警色分区域显示,采空区安全分区如图3所示。

图3 矿柱稳定性采空区安全分区

(1)Ⅰ级(安全)状况的采空区为73%;

(2)Ⅱ级(较安全)状况的采空区为12%;

(3)Ⅲ级(较不安全)状况的采空区为10%;

(4)Ⅳ级(不安全)状况的采空区为5%。

2.3 综合分级

综合顶板稳定性、矿柱稳定性安全分级及分区的结果,根据其影响范围将Ⅳ级(不安全)状况的采空区在图中分区(根据坑口定义分区的编号)表示,如图4所示,由Ⅳ级状况采空区分区图分析可知,影响不同区域采空区安全状况的主要为以下9个分区。

图4 Ⅳ级(不安全)状况采空区影响范围

(1)5-1区:采空区顶板暴露面积较大或跨度较大。

(2)5-2区:该区域矿柱处于较不安全或不安全状况。

(3)5-3区:顶板暴露面积较大,且部分矿柱处于不安全状况。

(4)2-1区:采空区顶板暴露面积大或跨度较大,且不安全状况采空区较集中。

(5)2-2区:顶板暴露面积较大,且部分矿柱处于不安全状况。

(6)2-3区:采空区顶板暴露面积大或跨度较大[10]。

(7)4-1区:顶板暴露面积较大,且部分矿柱处于不安全状况。

(8)4-2区:顶板暴露面积较大,且部分矿柱处于不安全状况。

(9)4-3区:较不安全状况的矿柱在该区域较集中,分布范围较大,且该区域存在多层空区重叠,部分上下分层矿柱错位。

3 采空区治理规划

3.1 空区充填接顶

香炉山钨矿目前已经充填了一百多万立方米的采空区,但是充填接顶的区域较少,重大安全隐患区很少有充填接顶,采空区顶板的连续暴露面积依然较大。香炉山钨矿重大安全隐患的降低或者消除急需大面积充填体的有效接顶,以保证充填体对顶板起到良好的支撑作用。在合理的充填规划下,对香炉山钨矿采空区进行充填并确保接顶,可以起到如下主要作用:

(1)对上述分析的9个Ⅳ级不安全区进行充填接顶,消除重大安全隐患区域;

(2)充填隔离条带,将连续、高大的采空区分隔成多个独立采空区,有效控制采空区垮塌可能产生的“多米诺效应”,降低大面积采空区垮塌的重大风险;

(3)充填隔离条带,有效防止局部采空区垮塌产生的冲击波对其他区域的影响,减少冲击波带来的危害;

(4)大范围的充填接顶,形成连续的充填体条形矿柱,控制整体顶板的沉降变形。

3.2 充填接顶规划

在对香炉山钨矿的采空区及矿柱稳定性进行分析、复核,对目前已经充填区域进行了详细的勘察、统计和分析,以及对已经充填接顶采空区区域和充填未接顶的采空区区域的面积、体积等参数进行了详细统计的基础上,结合香炉山钨矿目前的开采状况,为了消除香炉山钨矿高大采空区的重大安全隐患,编制了香炉山钨矿采空区充填接顶规划。

为降低香炉山钨矿高大采空区重大安全隐患,当前需要重点充填接顶14个采空区重大隐患区域,采空区充填编号分别为:2- 1- 1,2- 1- 2,2- 1- 3,2- 1- 4,2- 2- 1,2- 2- 2,2- 3- 1,2- 3- 2,2- 3-3,5- 3- 1,5- 1- 1,5- 2- 1,4- 1- 1,4- 3-1,包含了大部分Ⅲ级采空区范围。

香炉山钨矿东部采空区充填规划主要考虑Ⅳ级和Ⅲ级风险分级区域,在东部开采区域形成自北向南的4条连续充填体矿柱,以控制地压活动,降低重大安全隐患,充填规划顺序考虑的原则是自中间向两边充填,二坑口为第一步充填区域,五坑口为第二步充填区域,四坑口为第三步充填区域,具体充填规划顺序如下:

(1)第一阶段充填采空区编号:2- 1-1,2-1-2,2- 1- 3,2- 1- 4,2- 2- 1,2- 2- 2;

(2)第二阶段充填采空区编号:2- 3-1,2-3-2,2- 3- 3,5- 3- 1;

(3)第三阶段充填采空区编号:5-1-1,5-2- 1;

(4)第四阶段充填采空区编号:4-1-1,4-3- 1。

香炉山钨矿充填接顶规划所涉及到的面积、体积、时间和充填顺序见表3。

表3 香炉山钨矿充填接顶规划参数

4 结论

本文围绕采空区稳定性分析工作,对香炉山钨矿的采空区进行了充填规划,得出如下结论。

(1)通过使用目前主流的顶板稳定性计算方法、矿柱稳定性计算方法,分别对香炉山井下采空区进行了各自安全分级,并对两者计算结果进行了综合考虑分析;

(2)为了消除香炉山采空区重大安全隐患,必须优先对9个Ⅳ级采空区区域(包含大部分Ⅲ级采空区区域)进行充填接顶处理,即:五坑口的5-1,5- 2,5-3区,二坑口的2-1,2-2,2-3区及四坑口的4- 1,4- 2,4-3区;

(3)结合香炉山钨矿现场生产情况,进行充填接顶规划分析,充填接顶规划细分为14个采空区区域,进一步明确了香炉山钨矿充填规划所涉及到的面积、体积、充填时间和充填顺序;

(4)按照充填规划充填接顶14个采空区区域后,与现在已经充填接顶区域相连接,形成了大体积连续性的充填隔离矿柱,极大地提高了采空区的稳定性,有效控制了采空区顶板大面积垮塌的安全风险,消除了矿山因采空区引起的重大安全隐患,改善了矿山的安全生产条件。