國外某銅鋅礦采空區治理方案研究

王海軍，薛辛陪

(北京礦冶研究總院，北京100160)

國外某銅鋅礦采空區治理方案研究

王海軍，薛辛陪

(北京礦冶研究總院，北京100160)

采空區的存留會對地表、地下開采都產生危害，需要及時治理。根據國外某銅鋅礦的實際條件，分析了可能會對地表和地下開采產生的危害。為避免潛在危害發生，在完成采空區三維建模、明確其空間位置關系的基礎上，進行采空區穩定性定性評價，將采空區劃分為單獨治理單元，進行治理方案篩選。結果顯示，篩選出的采空區治理方案既能保證礦山的安全生產，也能獲得較好的經濟、社會效益。

采空區危害;采空區治理;方案篩選

采空區的治理一直是地下開采的重要課題，國內外主要采用崩落、充填、封閉采空區和類框架結構采空區治理技術［1－2］來減少采空區對人員、設備的破壞。近些年來，采礦人員把采空區探測技術、采空區監測技術［3］及數學模擬引入采空區治理，不斷努力實現采空區危害提前預報、及時預警、針對性治理的目標。

采空區治理的根本目的是減少其危害，使地下開采安全、環保、經濟地開展。因此，在治理采空區時，一定要結合地下開采的規劃，做到統籌兼顧、未雨綢繆，既要保證地下開采的高效、連續，也要保證采空區治理及時、有效，做到安全生產?？梢?，采空區的及時治理尤其重要。

1 項目概況

1.1 礦山概況

該銅鋅礦山地處沙特阿拉伯ASIR高原Najran省，為大型硫化物礦床，存在于火山巖、沉積巖和侵入巖的邊際和雜巖中，主要硫化礦物質有黃鐵礦、閃鋅礦以及黃銅礦。礦山主要分為三個礦區。礦區一礦體的平均水平厚度為7.7 m，密度3.5 t/m3;礦區二的礦體厚度為5.7 m，密度3.4 t/m3;礦區三的礦體厚度為6.0 m，密度3.0 t/m3。圍巖密度2.6～2.8 t/m3。依據 JORC標準并按照鋅-銅折算的5%的鋅當量邊界品位圈定探明和控制的總資源量9 433 081 t。在該礦區內共發現了24種不同的巖石，已經探明的礦區內未發現明顯的構造界限。屬于穩固礦巖，工程地質及水文地質條件屬于簡單類型。但該礦山礦區一地表有季節性河流(Wadi，圖1所示)經過，每年的4～5月為雨季。

1.2 礦體開采方案

礦山采用地下開采，斜坡道開拓，中央兩翼式通風方式，無軌設備鏟裝及運輸，生產規模為70萬t/a。

根據礦體賦存條件(圖1所示)及以后礦柱回采要求，在礦體與地表間留有40 m厚的保安礦柱，防止礦區貫通地表“Wadi”，上下階段間留有30 m厚的頂底柱用于采空區的初期支撐及壽命期末的礦柱回收。

綜合地質、巖石力學和采場集合參數等因素，該礦山采用分段空場采礦法，礦房按走向布置，礦房尺寸長為85～90 m，間柱為12～15 m，礦房寬度為礦體厚度，階段高度為60～95 m，分段高度一般為30 m，鑿巖巷道規格為5 m×4.5 m。

圖1 礦體賦存狀態圖Fig.1 Schematic diagram of the orebody occurrence state

圖2 開采現狀圖Fig.2 Schematic diagram of current status of exploration

1.3 礦山開采現狀

礦區一為礦量最大、開拓最早的礦區，礦區二正在進行前期開拓還未形成礦塊生產能力，礦區三正在進行補充勘探。

礦區一開拓工程基本完成，開拓礦量387.5萬t，采礦生產已經完成3個礦塊的開采，礦塊累積生產礦量約66.3萬t，目前形成約19.5萬m3的采空區。礦區一已于2013年達產，圖2為礦區一開采現狀圖。

礦區一礦體較厚，尤其是圖2中1 515 m水平4#采空區，礦體最厚可達40 m，達到了保安礦柱的厚度，而且保安礦柱上方為季節性河流，這些都是采空區危險因素，需要重點關注。

2 采空區危害

采空區是隱伏的，其危害也是很難預判、預知的，對采空區的危害防范比較困難，另外每個礦山的實際情況也不同，就需要辨別采空區可能發生的危害。

2.1 采空區對地表的破壞

當地下開采影響到達地表以后，在采空區上方地表將形成一個凹陷盆地，或稱地表移動盆地。一般來說，地表移動盆地的范圍要比采空區面積大得多，形狀近似橢圓形。主要表現的危害為地表坍塌、山體滑坡等。采空區地表變形的大小及其發展趨勢、地表移動盆地的形態與范圍等受礦體賦存深度、礦體厚度、巖體強度、地質構造發育情況、地下水活動及地下開采方式等多種因素影響［4－5］。地表塌陷或山體滑坡對地表構筑物的影響很大，間接引起工業場地或居民區的搬遷，造成很大的經濟損失與較壞的社會影響。其次也可能造成環境的破壞，比如綠色植被的破壞、地下水徑流的破壞，影響生態環境，貽害后代。

2.2 采空區對地下開采的影響

采空區作為礦山地下開采的伴生物，其危害是多方面的，不但是多種礦山地質災害的直接誘發因素，同時對礦山日常安全生產管理工作造成許多影響。采空區可能造成的危害包括直接影響礦山安全生產和間接影響人員、設備安全等。采空區對地下開采的主要危害見表1［6］。

2.3 礦山采空區危害

隨著礦山的繼續開采，采空區不斷發展，采空區存留時間也在增加。該礦山采空區危害主要表現為以下幾個方面:

表1 采空區危害種類、發生原因、影響范圍Table 1 Hazard types，causes，influence scope of the goaf

1)由于采空區引起的應力集中，可能造成保安礦柱產生裂隙，這些裂隙很容易成為“Wadi”的導水通道，給井下排水系統造成壓力，也有可能引發短期設備淹沒事故，造成礦山停產。

2)采空區的破壞繼續發展，有可能造成部分頂板塌落，直接使采空區貫通“Wadi”，在雨季來臨時會引發大量水的涌入，造成淹井事故，可能會引起人員傷亡、設備損壞等，造成礦山的長期停產。

3)采空區的部分坍塌發生在旱季，塌方產生氣浪也有可能傷害井下工作人員、設備，造成不必要的損失，在雨季來臨之前還需要把“Wadi”改道，增加開采成本。

4)采空區貫通地表，會破壞井下通風系統，使新鮮風流路線紊亂，造成生產通風困難。

由于采空區距離地表較近，目前地壓不是很大，發生巖爆的可能性不大，但隨著開采的進行，如不及時治理采空區，會造成應力集中，發生局部巖爆;礦石也無自燃性，不會出現采空區內自燃危害;在生產過程中，尤其是距離采空區作業較近時，零星發生過夾鉆事故，影響不大。地下開采崩落范圍內的地表無構筑物，但有“Wadi”在礦區上方穿過(圖1所示)，所以上述4個方面是該礦山采空區的主要危害。

3 采空區治理措施

國內外治理采空區的主要措施如下:首先對隱伏未探明的采空區進行探測，然后對探明的采空區進行穩定性分析評價，再選用崩落、充填或封閉措施治理，并對采空區進行應力、位移監測，達到既能及時預防危害發生、又能有效治理采空區的目的，保證地下開采的高效、經濟、安全、環保。

3.1 采空區探測技術

常用的地下采空區物理探測方法包括高密度電阻率法、地震映象法、探地雷達法和激光法等［7－8］。但是對于新建礦山來說，完整、準確的基建、生產期的測量及礦體建模，可以減少前期采空區的探測工作量，只需要對地質條件復雜的礦山進行補充探測。該礦山地質條件比較簡單，前期測量、礦體建模都比較完備，此外中深孔生產均是依據測量、礦體建模成果，爆破后形成的采空區形態比較準確，如圖3所示，也能很清楚地反映出采空區與地表、“Wadi”的相對空間關系。

圖3 采空區及其空間位置關系圖Fig.3 Schematic diagram of goaf and its spatial location

3.2 采空區穩定性分析

通過3.1可知，該礦山的采空區形態、空間位置關系比較清楚。對該礦山采空區穩定性僅做定性分析，待詳細設計時再進行數學模擬。從采空區形態、空間位置關系、圍巖情況分析來看，1 515 m水平4#采空區發生采空區危害的可能性最大，需要對其進行重點治理，而且，1 515 m水平4#采空區作為首要被治理采空區，還影響著礦柱的回采及礦石的損失、貧化。

3.3 采空區治理方案分析

通過采空區探測及穩定性分析定性評價，給采空區的治理順序提供了參考。目前，國內采用的治理措施主要包括崩落圍巖治理采空區、充填采空區、保留永久礦柱支護及封閉隔離采空區等。針對該礦山，要結合井下開采現狀與開采規劃，使采空區治理有效、及時地開展，防止采空區引起的危害發生。本文將幾種可能性的治理方案進行闡述并分析，各方案如表2所示。

表2 采空區治理方案Table 2 Scheme of goaf management

從表2可知，對采空區治理可以有很多種不同的方案，做到方案準確應用不僅需要進行詳細設計并進行經濟性評價，而且還需要結合礦山所在國家、礦山的實際情況。本文嘗試用專家打分法進行方案初步篩選。

本文將采空區劃分為單獨的治理單元，按表3進行打分，針對每個治理單元篩選適用的治理方案。

表3 采空區治理方案專家打分表Table 3 Expert scoring table for goaf governance

評分過程中，可選擇多個有經驗的工程師，尤其是熟悉礦山實際情況的技術人員進行打分并匯總，選出1～2個方案作為治理單元的候選方案。

3.4 采空區治理方案篩選及注意事項

通過采空區資料收集及穩定性定性評價，可以初步掌握每個單獨采空區的形態及穩定性優劣。

從3.1知，目前主要的采空區為3#、4#、5#采空區，且其規模較大，離地表“Wadi”較近。本文主要將其作為單獨治理單元進行專家打分、方案選擇。經過打分、取整后，方案篩選結果如表4所示。

表4 采空區治理方案篩選表Table 4 Expert scoring table for goaf governance

經過專家評分，可以得到每個采空區治理的候選方案。經綜合分析、討論，兼顧礦山的開采規劃，使綜合治理方案達到施工方便、生產管理容易、經濟性好、安全性好等要求。該部分采空區治理方案如圖4所示。

具體方案:

第一步:先用方案2進行4#采空區的治理，一是支撐上部保安礦柱，二是在回收礦柱時可以防止廢石混入造成礦石貧化。

第二步:回收X-4、X-5間柱，其中X-4間柱爆破至3#采空區進行出礦，X-5間柱爆破至5#采空區進行出礦。

第三步:利用方案5進行3#采空區的治理，一是用于支撐上部保安礦柱，二是在回收X-3間柱、頂底柱時防止廢石混入造成礦石貧化。

第四步:利用方案4進行5#采空區的治理，治理前需要將圖中“提前開采及端部損失”部分回采完畢。

經過以上4步，可以實現該礦山目前采空區的綜合治理，既能消除采空區存留帶來的危害，也能回收全部礦柱，且充填成本較低。

此外，在生產中還要加強生產管理、安全管理［9－10］，積極開展實際工作，并在治理采空區前、后增加采空區應力、位移監測，消除隱患，做到“未雨綢繆”。

圖4 采空區綜合治理方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of goaf comprehensive management

4 結論

本文在采空區的賦存狀態探測的基礎上，完成了采空區對該礦山的危害分析。并對采空區進行三維建模，為采空區的穩定性定性評價、方案探討與確定提供了依據。最后通過專家打分法，明確采空區治理的意圖與實現途徑。該礦山應在可行性方案的指導下積極開展實際工作，避免貽誤采空區治理時機。這樣既能實現安全生產，也能取得較好的經濟效益，更重要的是能夠帶來社會和環境效益。

［1］王 青，任鳳玉.采礦學［M］.2版.北京:冶金工業出版社，2011:305－306.

［2］龔清平.河臺金礦采空區處理的探討與實踐［J］.有色金屬(礦山部分)，2007，59(3):7－8，41.

［3］李夕兵，李地元，趙國彥，等.金屬礦地下采空區探測、處理與安全評判［J］.采礦與安全工程學報，2006，23(1):24－29.

［4］孫超，薄景山，劉紅帥，等.采空區地表沉降影響因素研究［J］.吉林大學學報:地球科學版，2009，39(3):498－502.

［5］郭生茂，劉濤，郭良銀.白山泉鐵礦殘留礦柱回收技術及空區處理［J］.有色金屬(礦山部分)，2014，66(6):18－20.

［6］鄭懷昌，李明.地下采空區危險性及其分析［J］.礦山壓力與頂板管理，2005，22(4):127－129.

［7］吳成平，胡祥云.采空區的物探勘查方法［J］.地質找礦論叢，2007，22(1):19－23.

［8］閆長斌，徐國元.綜合物探方法及其在復雜群采空區探測中的應用［J］.湖南科技大學學報:自然科學版，2005，20(3):10－14.

［9］鄧金燦，孟中華，毛建華，等.礦體遺留采空區災害隱患評估及治理研究［J］.金屬礦山，2009(8):126－129.

［10］羅毅莎，姚振鞏.采空區安全處理的對策措施研究［J］.采礦技術，2010，10(4):65－67.

Study on goaf management of a Cu-Zn Mine in abroad

WANG Haijun，XUE Xinpei
(Beijing General Research Institute of Mining＆Metallurgy，Beijing 100160，China)

The residual goaf has damage on the surface and underground mining.And it should be treated timely.According to the actual conditions of the mine，this paper analyzes the probable damages to the surface and underground mining.For avoiding damages happening and based on the goaf 3D modeling and clear goaf space relationship，this paper passed judgment on goaf stability.Then，it divided underground goaf to be single management unit for selecting a suitable treatment project.The result can not only guarantee the safety in production，but also obtain good economic and social benefits.

goaf hazard;goaf management;management selection

TD853.391

Α

1671-4172(2015)01-0019-06

王海軍(1986－)，男，工程師，碩士，采礦工程專業，主要從事采礦設計及生產管理工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.005