某鐵礦采空區處理方案與安全技術措施研究

方 承 楊家冕 劉允秋

(1.馬鋼(集團)控股有限公司桃沖礦業公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司)

桃沖礦于1956年3月開始生產，設計服務年限48 a，采用平硐+盲豎井+斜坡道開拓方式，主、副井布置在礦體東端，西端設有一條回風井，形成+90 m 平硐，主、副井進風，回風井出風的單翼對角式通風系統。隨著采準工作的深入，相鄰礦山盜采后所形成的采空區逐步揭露，井下形成了近百萬立方的采空區遺留至今。為了保證安全生產，依據國家行業標準規范以及采空區治理相關文件要求對礦山采空區進行調查，并根據礦山實際情況制定采空區安全高效經濟的處理方案，消除采空區安全隱患。

1 采空區調查

本礦采空區目前雖處于相對穩定狀態，但空區東部地表已累計下沉27.09 mm，地面道路出現兩長兩短(3～10 m)4條縱向裂紋，分析認為空區巖移活動處于緩慢發展階段。

隨著采空區體積不斷增大，受力隨之增大，當應力集中達到巖石穩定強度時，就會引起變形破壞而冒落，甚至可能是較大規模的冒落，而且冒落是突發性的。若井下無法形成安全規程所規定的覆蓋層厚度，一旦發生大規模冒落，后果非常嚴重，因此，采空區的治理必要且緊迫。

空區治理前，首先對井下采空區進行逐個調查，利用激光3D掃描系統(CMS)以及全站儀對井下可測采空區進行三維定位掃描和測量，得出現有井下采空區形態、體積等參數：頂部空區長210 m，平均寬21.4 m，面積為0.45萬m2；-50 m水平空區長280 m，平均寬51.8 m，面積為1.45萬m2；-93 m水平空區長330 m，平均寬70.6 m，面積為2.33萬m2；采空區高60～80 m，體積約99.1萬m3。其中，-50 m以上約16.7萬m3，-50～-100 m為75.4萬m3，-100 m以下為7萬m3。采空區典型剖面見圖1。

2 采空區處理方案

2.1 采空區常規處理方法

空區處理有充填、隔離和疏通空區、永久礦柱支撐、崩落圍巖4種方法。

充填法處理空區有尾砂、碎石水力充填，廢石干式充填等方法，對本礦來說，前者充填工藝復雜、成本高，后者因廢石中含泥多，不能使用。

留永久礦柱(采場中規則或不規則間柱、頂柱、底柱等)支撐空區頂板及兩盤圍巖，并封閉空區，多適用于開采緩傾斜礦床。本礦-100 m階段以上用空場法開采留下礦柱，經過近幾年的大量回采，已所剩無幾。因此，這種處理方法現已無法實施。

對于這樣大的采空區可以采用崩落圍巖至地表和崩落圍巖與隔離疏通相結合的方法。前者是放頂崩落圍巖至地表，徹底消除空區，后者是崩落部分圍巖充填采空區，保證足夠厚度的礦巖墊層[1]。

2.2 采空區處理方案選擇

本礦空區圍巖屬于暫時不能自行冒落的情況，需要強制崩落。東部厚大部位沒有達到安全規程所規定的覆蓋層厚度，即2倍分段高度25 m，必須進行強制放頂，本次設計了3個方案，并進行技術經濟比較。

2.2.1 方案Ⅰ

方案Ⅰ為強制崩落兩盤圍巖、隔離、疏通處理采空區。

圖1 采空區典型剖面

根據空區形態和需要補充覆蓋巖石的部位，設計擬在5～7勘探線南北兩盤圍巖中鉆鑿傾斜扇形深孔，強制崩落圍巖，形成巖石覆蓋層。

目前仍在使用的井巷工程，要加以保護，使之不受空氣沖擊波的影響。為此，要在與空區相通的穿脈巷道中設置密閉墻進行封堵。

除了用深孔爆破強制崩落圍巖形成安全規程所要求的覆蓋層以外，設計在空區西部選擇適當位置與原露天采礦留下的塘口底部貫通，形成“開窗”[2]，以疏通釋放圍巖突然大規模冒落所產生的氣浪。

隨著礦山開采深度的增加，采空區體積隨之增大，覆蓋層也隨采礦分段的下降而下降，當空區頂部和兩盤圍巖受力變形而陸續自然冒落甚至發生大量冒落時，由于有25 m左右厚的覆蓋層作緩沖，加上塘口“天窗”疏波和巷道中眾多的阻波墻阻波等措施，覆蓋層以上巖石冒落產生的沖擊波、地震波和氣浪不會給生產作業人員和設施造成危害。

2.2.2 方案Ⅱ

方案Ⅱ為強制崩落頂板和兩盤圍巖處理采空區。

采空區規模大，其頂板距地表較近，一般為10～50 m；頂板及圍巖不能自行冒落。因此，采用強制崩落頂板和圍巖充填采空區，使之與地表聯通，在較大程度上減少了空區頂板巖石較大規模的突然冒落。崩落巖石、殘留礦柱與存窿礦石一起形成25 m以上厚度的礦巖覆蓋層。崩落頂板巖石充填空區，減少了崩落兩盤圍巖量，有利于空區的穩定。

本方案密閉空區工程布置、密閉方法等基本同方案Ⅰ。由于空區頂板巖石已崩落，預計空區圍巖突然大規模冒落產生的空氣沖擊波強度較方案Ⅰ要小，因此，阻波墻由每處2道改為1道。

2.2.3 方案Ⅲ

方案Ⅲ為西區開“天窗”，東區強制崩落頂板和兩盤圍巖處理采空區。

為了減少崩落巖石的工程量，同時減少頂板巖石較大規模的突然冒落，該方案為方案Ⅰ的西部開天窗工程與方案Ⅱ的東部強制崩落頂板與兩盤圍巖的組合，即崩落-87 m以上的礦柱和存窿礦石作為礦石覆蓋層；西區在原504采場頂板開“天窗”，減少了空區頂板巖石較大規模的突然冒落；東區崩落頂板巖石與地表聯通，并崩落圍巖充填空區，形成25 m左右厚的礦石覆蓋層。

3個方案的經濟技術比較見表1。

由表1可見，方案Ⅰ投資最少，實施較容易，施工周期最短，能比較好地解決礦山安全與生產問題。而方案Ⅱ、Ⅲ雖較大程度上減少了頂板大規模的冒落，但對今后井下生產造成影響，甚至出現新的安全隱患。因此，推薦方案Ⅰ。

表1 3種方案技術經濟比較

3 安全技術措施

(1)在靠近空區巷道中鉆鑿深孔時，要時刻注意空區動靜，發現異常，作業人員應立即撤離。打孔前，在作業點與空區相通的一端，要用石塊壘一座臨時阻波墻，以保證安全，亦可防止人員誤入空區。

(2)經過近幾年多次深孔爆破，證明最大一段裝藥量控制在1.6 t以內，爆破震動對附近建構筑物的安全沒有影響。排孔裝藥量超過1.6 t時，增加雷管段數，加以控制。

(3)在井下深孔爆破中采取一些措施防御爆破沖擊波，包括作業人員全部撤至地表，副井罐籠落到-200 m中段，副井-100 m井底車場和運輸巷道不存放運輸車輛，-50，-100 m平巷風門和東西風井風道門開啟疏波等，避免爆破沖擊波對井下作業人員和生產設施造成危害。

(4)井下深孔大爆破后，大量有毒有害氣體聚積在空區以及相通的井巷中，須加強通風，將有毒有害氣體抽出地表，通風時間不得少于8 h。經安全檢查確認無危險，才允許工人下井作業。

(5)大爆破通風后必須對礦山井巷及回采工作面進行安全檢查，特別要及時處理浮石，經安全檢查確認后方可恢復井下生產。

(6)回采工作面中深孔爆破很頻繁，要采取微差爆破技術和控制藥量等減震措施，以減輕頻繁爆破對空區穩定性的影響。

(7)建立較完善的采空區巖移監控機構和觀測系統，補充巖移監測儀器，以健全采空區巖石移動監控體系；定期匯總觀測數據進行分析，以掌握采空區地表和頂板圍巖移動狀態和規律；如果發現巖移變化異常，要增加觀測頻率，并及時報告有關領導，以便處置[3]。

(8)塌陷區要保持警戒，警示標志醒目，禁止人、畜、車輛進入圈定界線內；堅持日常巡視和檢查。

(9)確保河溝的過水斷面有足夠的泄洪排水能力，防止洪水進入采空區陷落帶內。

(10)在雨季時，含水泥土易形成泥石流，有可能突入回采工作面，要做好應急預案，并定期演練。

4 結 語

(1)通過對采空區處理方案的經濟技術比較分析，最終選擇強制崩落兩盤圍巖、隔離、疏通處理采空區，強制崩落圍巖，形成巖石覆蓋層，為下部采場安全生產提供保障。

(2)通過對采空區進行處理，上覆可形成25 m厚的巖石覆蓋層，加上塘口“天窗”疏波和巷道中眾多的阻波墻阻波等措施，即使覆蓋層以上巖石冒落，所產生的沖擊波、地震波也不會給生產作業人員和設施造成危害。

(3)項目完成后，基本消除了采空區相關隱患,保證深部采礦作業安全。該民采空區隱患治理項目的成功實施，產生了較好的社會效益、安全效益和環境效益，對礦山企業有較好的示范作用。