潘 懿，崔繼強

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長沙 140012;2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室，湖南長沙 410012;3.金川集團股份有限公司龍首礦， 甘肅金昌市 737100)

0 引言

在我國，地下礦山轉(zhuǎn)為露天開采后，由于原地下開采秩序較為混亂，采空區(qū)未及時處理，同時民采及無規(guī)劃的濫采現(xiàn)象嚴重，留下了大量的不明采空區(qū)。采空區(qū)的存在嚴重威脅露天礦山生產(chǎn)作業(yè)安全。廣東省大寶山礦、福建紫金山金礦、河南省洛陽欒川鉬礦、甘肅廠壩鉛鋅礦和貴州甕福磷礦等均是我國典型的受地下不明采空區(qū)嚴重威脅的露天開采礦山實例。本文以太鋼袁家村鐵礦為研究對象，開展露天礦山下覆采空區(qū)處理技術(shù)應(yīng)用研究。

袁家村鐵礦建設(shè)前，2000年開始有數(shù)十家民營企業(yè)在礦區(qū)進行開采，2002年至2005年達到開采高潮，直到2006年6月由太鋼進行資源整合后小礦山才陸續(xù)停止生產(chǎn)。據(jù)實測成果，袁家村鐵礦區(qū)內(nèi)共分布有36個民采小礦，其中有30家為地下開采，開采方法為空場法，形成了大量的采空區(qū)。這些采空區(qū)形態(tài)復(fù)雜，在空間位置上層層疊疊，高低不同，且多數(shù)采空區(qū)己經(jīng)充水，個別采空區(qū)己經(jīng)坍塌，甚至有的采空區(qū)己經(jīng)在地表局部塌陷，采空區(qū)影響面積約36535.8 m2，對即將實施的露天開采構(gòu)成了嚴重的安全威脅。由于眾多的采空區(qū)存在于露天境界內(nèi)，受地壓、巖石風(fēng)化及爆破震動等因素的影響，一些原來地下開采預(yù)留的礦柱發(fā)生了破壞，采空區(qū)體積與高度均發(fā)生了改變。此外，多年來的民采，殘留的多層采空區(qū)復(fù)雜難辨。隨著露天采場日益接近于這些形態(tài)復(fù)雜、高低不同的采空區(qū)，對露天開采人員及設(shè)備帶來極大的安全威脅，同時成為制約即將實施的露天大規(guī)模開采的嚴重安全隱患。

1 巖體質(zhì)量評價

袁家村鐵礦礦區(qū)出露地層有上太古界呂梁山群裴家莊組和袁家村組，古生界寒武系和奧陶系，新生界第三系和第四系。主要巖性為變質(zhì)的碎屑沉積巖，自西向東由粗變細，即為石英巖～千枚巖～片巖～含鐵層。

根據(jù)礦山開采情況、礦體及圍巖的賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造與圍巖蝕變情況及巖石物理力學(xué)參數(shù)實驗結(jié)果，對礦山工程所轄地區(qū)的巖石，根據(jù)建造、改造特性及其組合規(guī)律進行分組，然后分組進行礦山工程地質(zhì)調(diào)查及巖體質(zhì)量評價。巖體工程地質(zhì)調(diào)查方法主要為SIROVISION三維數(shù)字攝影測量和巖體結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，部分巖體測量結(jié)果如圖1所示。

在現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查及室內(nèi)力學(xué)參數(shù)實驗的基礎(chǔ)上，運用RQD值分級方法、RMR分級方法、BQ分級方法及Q系統(tǒng)分級方法，對各巖組進行了質(zhì)量評價，將三種氧化礦、綠泥片巖、變輝綠巖、灰?guī)r、礫巖礦評定為穩(wěn)定性較好的巖體，將磁鐵礦評定為較差的巖體。

2 采空區(qū)頂板保安層厚度研究

為了分析地下采空區(qū)對露天開采穩(wěn)定性的影響，為制定合理的采空區(qū)處理方法提供有效依據(jù)，在充分考慮露天工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及采場爆破震動等影響的情況下，采用三維數(shù)值模擬及多種理論方法分析采空區(qū)對露天邊坡穩(wěn)定性的影響，提出露天礦邊坡保安層安全技術(shù)參數(shù)。

圖1 部分巖體SIROVISION三維數(shù)字攝影測量結(jié)果

2.1 保安層理論計算分析

采用多種理論分析方法研究了采空區(qū)保安層厚度，對不同寬度、巖性的采空區(qū)進行了正交分析，計算過程中，從安全角度出發(fā)取安全系數(shù)為2.0。不同分析方法得出的各種巖性的采空區(qū)保安層厚度與采空區(qū)跨度的關(guān)系見圖2～圖4，各種計算方法分析得出不同巖性采空區(qū)保安層厚度見圖5。分析結(jié)果表明，隨著采空區(qū)跨度的增大，所需的安全頂板厚度也逐漸增大，二者最終呈線性關(guān)系。

圖2 傳統(tǒng)計算分析法保安層厚度計算結(jié)果

2.2 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬

為進一步驗證采空區(qū)頂板厚度分析結(jié)果的可靠性以及井下采空區(qū)的自身穩(wěn)定性，采用C－ALS三維激光掃描系統(tǒng)對露天生產(chǎn)鉆探所揭露的采空區(qū)進行三維掃描，利用掃描結(jié)果建立三維數(shù)值模型模擬來分析其穩(wěn)定性。

掃描結(jié)果表明，已探明采空區(qū)中1740－10－空7采空區(qū)最具典型性，其覆范圍廣、跨度大且分布情況極其復(fù)雜，已成為嚴重影響露天安全生產(chǎn)的巨大隱患，必須盡快進行處理。因此以1740－10－空7為研究對象，進行三維數(shù)值分析，驗證保安層分析結(jié)果的可靠性。

圖3 極限分析法保安層厚度計算結(jié)果

圖4 小變形薄理論保安層厚度計算結(jié)果

圖5 不同巖性保安層厚度計算結(jié)果

(1)采空區(qū)探測。首先采用空區(qū)激光自動掃描系統(tǒng)(C－ALS3D)對采空區(qū)進行激光掃描，將系統(tǒng)生成的三維激光點云模型導(dǎo)入到SURPAC中，建立三維地質(zhì)模型。通過耦合方法在FLAC3D中生成與實際空區(qū)空間分布一致的數(shù)值模型(如圖6所示)，來分析采空區(qū)的穩(wěn)定性。

(2)穩(wěn)定性分析。參照保安層厚度研究結(jié)果，1740－10－空7采空區(qū)最大跨度44 m條件下，預(yù)留保安層厚度應(yīng)不小于29.1 m。目前保安層厚度為34 m，符合采空區(qū)處理要求。為進一步驗證保安層厚度分析結(jié)果的合理性，采用FLAC3D軟件進行計算分析，部分計算分析結(jié)果如圖7所示。

圖6 耦合后三維數(shù)字模型

圖7 部分計算分析結(jié)果

計算結(jié)果表明，采空區(qū)的存在使周邊巖體發(fā)生了應(yīng)力重新分布，采空區(qū)的頂板出現(xiàn)了較小拉應(yīng)力，最大為0.05 MPa。同時采空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)了局部壓應(yīng)力集中，最大值為3.5 MPa。由于采空區(qū)埋深較淺，巖體中的集中應(yīng)力均小于巖體的抗拉及抗壓強度，因此本采空區(qū)暫時不會失穩(wěn)。數(shù)值計算及分析符合實際情況，進一步驗證了采用理論方法推薦安全厚度的合理性。

3 采空區(qū)處理

1740－10－空7采空區(qū)雖然目前仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但受不斷的爆破震動、機械震動、裂隙水等影響，該采空區(qū)可能不斷垮塌而失穩(wěn)。因此，應(yīng)該盡量減少人員及機械在空區(qū)頂板上作業(yè)，同時應(yīng)盡快對空區(qū)進行處理。

根據(jù)研究結(jié)論，確定該采空區(qū)處理方案為:以露天生產(chǎn)臺階為爆破自由面，采用地表逐孔連接的起爆網(wǎng)絡(luò)，用非電毫秒延期雷管分段起爆，采空區(qū)處理和臺階爆破一次完成。

2013年5月成功地進行空區(qū)爆破處理。現(xiàn)場情況調(diào)查表明，1740－10－空7采空區(qū)處理基本達到了預(yù)期目的，采空區(qū)已經(jīng)得到有效處理。保安層分析研究結(jié)果較符合現(xiàn)場實際情況，可以作為采空區(qū)處理有效依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)運用RQD值分級、RMR分級和Q系統(tǒng)分級3種分級方法，對各巖組巖體進行了質(zhì)量分級，將3種氧化礦、綠泥片巖、變輝綠巖、灰?guī)r、礫巖礦評定為穩(wěn)定性較好的巖體，將磁鐵礦評定為較差的巖體。

(2)在充分考慮邊坡工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、爆破震動等影響的情況下，研究了不同巖性、跨度條件下保安層安全技術(shù)參數(shù)。分析結(jié)果表明，隨著采空區(qū)跨度的增大，所需的保安層厚度也相應(yīng)增大，二者最終呈線性關(guān)系。

(3)利用保安層分析結(jié)果，制定了1740－10－空7采空區(qū)爆破處理方案，并對該采空區(qū)進行了有效處理。爆破前后的現(xiàn)場情況調(diào)查表明，采空區(qū)處理基本達到了預(yù)期目的，進一步驗證了保安層厚度研究結(jié)果的合理性，同時為同類礦山采空區(qū)處理提供了可借鑒的依據(jù)。

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