賈海波 任鳳玉 丁航行 何榮興

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

地下礦山在生產(chǎn)過程中，根據(jù)地壓處理方式的不同，可以采用空場法、崩落法、充填法等不同的采礦方法。對緩傾斜薄礦脈，國內(nèi)大多采用房柱法、全面法、留礦法等空場采礦方法。隨著開采的不斷進行，地下采空區(qū)的體積也會不斷增大，如果不能進行有效的處理，將會引起圍巖應力集中、地壓活動頻繁、頂板冒落等地質(zhì)災害，嚴重威脅到礦山的安全生產(chǎn)。內(nèi)蒙古自治區(qū)某銀多金屬礦山由于前期空場法采礦，井下形成大量采空區(qū)，采場內(nèi)遺留支撐空區(qū)的點柱。為消除空區(qū)隱患，礦山進行了空區(qū)綜合治理研究。

1 工程背景

礦山前期采用淺孔房柱法回采礦石，礦房采完以后，利用留設的點柱和圍巖支撐空區(qū)控制地壓。礦山經(jīng)過10余年開采，目前礦山1 100 m以上已回采結束，生產(chǎn)主要集中在1 100 m以下各中段。根據(jù)礦山生產(chǎn)統(tǒng)計，截止2016年底，井下1 100 m以上采空區(qū)體積共約220萬m3，采空區(qū)內(nèi)留設點柱1 460個，點柱礦量共約55萬t(圖1)。

隨著回采工作的不斷進行，采空區(qū)暴露面積越來越大，暴露時間也越來越長，地壓將不斷增加。采空區(qū)圍巖地壓達到一定程度后，必將對井下人員和財產(chǎn)造成一定損失。

圖1 井下采空區(qū)形態(tài)縱投影圖Fig.1 Longitudinal section of underground mined-out area

2 采空區(qū)治理方案

鑒于礦山1 100 m以上回采產(chǎn)生大量采空區(qū)及存窿礦量，為確保井下生產(chǎn)接續(xù)安全、實現(xiàn)資源充分回收利用，依據(jù)礦床開采技術條件及空區(qū)現(xiàn)場實際狀況，提出“預留空間充填、嗣后礦柱回收”的總體治理方案，對空區(qū)進行尾砂充填的同時預留作業(yè)空間，待充填體養(yǎng)護固結后利用進路或分層回采、嗣后充填方式進行礦柱回收。

2.1 空區(qū)治理方案數(shù)值模擬比較

為確定合理的空區(qū)充填順序，針對不同充填方案空區(qū)圍巖穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬對比分析。共設計了3種方案進行比較，采用FLAC3D數(shù)值計算軟件對采場點柱回收和充填過程進行模擬計算，以驗證點柱回收方法選取的合理性。3種方案的示意見圖2，圖中阿拉伯數(shù)字標示了點柱回收順序。

數(shù)值模擬計算結果分別見圖3～圖8。

從圖3可以看出，方案一實施后，空區(qū)圍巖內(nèi)應力場重新分布并達到平衡時，所受拉應力極值點(最大)位于空區(qū)頂板，其值約為4 MPa，且小于巖體極限抗拉強度，故圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖4可以看出，通過采空區(qū)充填可有效控制方案一實施后的上覆巖層移動，其中空區(qū)頂板最大位移量約為3.76 mm，對應地表下沉位移量約為1.5 mm，空區(qū)邊幫及頂板穩(wěn)定狀況良好，礦柱回收對于地表變形基本無影響。

從圖5可以看出，方案二實施后，空區(qū)圍巖內(nèi)應力場重新分布并達到平衡時，所受拉應力極值點(最大)位于空區(qū)頂板，其值約為4 MPa，且小于巖體極限抗拉強度，故圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖6可以看出，通過采空區(qū)充填可有效控制方案二實施后的上覆巖層移動，其中空區(qū)頂板最大位移量約為3.65 mm，對應地表下沉位移量約為1.5 mm，空區(qū)邊幫及頂板穩(wěn)定狀況良好，礦柱回收對于地表變形基本無影響。

從圖7可以看出，方案三實施后，空區(qū)圍巖內(nèi)應力場重新分布并達到平衡時，所受拉應力極值點(最大)位于空區(qū)頂板，其值約為4 MPa，且小于巖體極限抗拉強度，故圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 方案一采場點柱回收后圍巖拉應力云圖Fig.3 Surrounding rock tensile stress cloud chart after ore pillars recovery at scheme one

圖4 方案一點柱回收后圍巖位移變化圖Fig.4 Surrounding rock deformation change diagram after pillars recovery at scheme one

圖5 方案二采場點柱回收后圍巖拉應力云圖Fig.5 Surrounding rock tensile stress cloud chart after ore pillars recovery at scheme two

圖6 方案二點柱回收后圍巖位移變化圖Fig.6 Surrounding rock deformation change diagram after pillars recovery at scheme two

圖7 方案三采場點柱回收后圍巖拉應力云圖Fig.7 Surrounding rock tensile stress cloud chart after ore pillar recovery at scheme three

圖8 方案三點柱回收后圍巖位移變化圖Fig.8 Surrounding rock deformation change diagram after pillars recovery at scheme three

由圖8可以看出，通過采空區(qū)充填可有效控制方案三實施后的上覆巖層移動，其中空區(qū)頂板最大位移量約為3.76 mm，對應地表下沉位移量約為1.5 mm，空區(qū)邊幫及頂板穩(wěn)定狀況良好，礦柱回收對于地表變形基本無影響。

根據(jù)方案比較的結果，3種方案頂板最大主應力基本相同，方案二頂板位移最小，且方案對于采場底板傾角要求小，容易實施，因此選擇方案二進行空區(qū)處理。

2.2 空區(qū)治理

2.2.1 礦塊采場結構及治理前準備

礦塊采場結構：礦塊長為60～80 m，寬為礦體厚度，高為階段高度25 m。采空區(qū)處理順序為中段間自下而上。

準備工作主要包括：對礦塊頂柱已采的采場，在原頂柱位置構筑防護擋墻或防護網(wǎng)，防止上中段廢石等滾落傷人。對于底柱礦石未回采的礦塊，充填前用膠結尾砂+鋼筋網(wǎng)構筑人工假底。假底的作用是為底柱和下中段回采構筑人工假頂，為保證其強度和整體性，膠結尾砂假底厚度為2.0 m，強度不小于5 MPa。鋼筋網(wǎng)有主副之分，主筋直徑為14 mm，網(wǎng)度為1 m×1 m，副筋直徑為10～12 mm，網(wǎng)度為0.3 m×0.3 m，交叉點用細鐵絲固定。鋼筋網(wǎng)距底板0.1～0.2 m。

2.2.2 空區(qū)充填及點柱回采

采用沿礦體傾向按列回收點柱礦量，點柱回收示意圖及回收順序見圖9。

圖9 進路充填采礦法點柱回收順序示意Fig.9 Pillar recovery sequence diagram with access backfill mining method

圖9將采空區(qū)礦塊沿礦體走向劃分7個區(qū)，區(qū)與區(qū)之間以點柱間隔，采取隔一充一方式，點柱回采順序為按照充填的順序依次回采充填體右側一列點柱。

按圖9中所示，首先封閉采場中①區(qū)，在采場底柱位置按需要掘進溜井及通風井。

根據(jù)井下采空區(qū)環(huán)境及充填料特性，選擇柔性密閉擋墻，柔性擋墻結構分3層，靠近充填體第一層是200 g/m2的土工布，主要作用是阻擋充填料外溢；第二層是由圓鋼交叉形成的網(wǎng)度為200 mm×200 mm的鋼筋網(wǎng)，主要作用是使土工布受力均勻，同時將充填體傳來的力傳遞到最外層；第三層由工字鋼或廢棄鋼軌、錨桿等組成，是擋墻主要骨架和主要的受力層，將力傳遞到周邊圍巖。

充填管路從上中段下盤沿脈巷，經(jīng)穿脈巷道、人行上山引入采場。充填料采用全尾砂膠結材料。

采用7655或YT-28鑿巖機鑿巖，2#巖石乳化炸藥，非電導爆管起爆，由采場中央向兩側回收臨近排點柱礦石。落礦眼采用梅花布孔、排距為0.6～0.7 m、孔距為0.7～0.9 m。

點柱爆破崩落礦石后，先進行頂板撬毛檢查。在頂板穩(wěn)定的情況下，由2DPJ-30電耙耙向礦塊底板，由沿礦體走向電耙耙至礦塊溜井，溜至礦體下盤沿脈巷道。

新鮮風流利用礦體下盤沿脈巷道通過人行井進入采場，流經(jīng)采場工作面后，由采場內(nèi)人行上山進入上中段礦體下盤沿脈巷道，經(jīng)過回風巷道排出地表。

2.2.3 主要經(jīng)濟技術指標

進路充填采礦法點柱回收方案實施后主要經(jīng)濟技術指標見表1。

表1 進路充填法主要經(jīng)濟技術指標Table 1 Main economic and technical indexes under access backfill mining method

3 結 語

利用FLAC3D軟件對礦山井下采空區(qū)充填、點柱回收數(shù)值計算模擬的結果，分析治理過程中采空區(qū)圍巖應力和位移變化，選擇隔一充一間隔充填法指導礦山施工，能夠在空區(qū)治理的過程中，有效控制圍巖變形、控制地表塌陷、保障施工安全。利用這種技術治理空區(qū)，每年可以回收點柱礦石量55萬t，年銷售收入2.7億元，年凈利潤4 241萬元。工程保證了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，避免了資源的浪費，增加了企業(yè)的經(jīng)濟效益，對國家的經(jīng)濟建設做出了貢獻。

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