某银多金属矿采空区综合治理方法

贾海波 任凤玉 丁航行 何荣兴

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

地下矿山在生产过程中，根据地压处理方式的不同，可以采用空场法、崩落法、充填法等不同的采矿方法。对缓倾斜薄矿脉，国内大多采用房柱法、全面法、留矿法等空场采矿方法。随着开采的不断进行，地下采空区的体积也会不断增大，如果不能进行有效的处理，将会引起围岩应力集中、地压活动频繁、顶板冒落等地质灾害，严重威胁到矿山的安全生产。内蒙古自治区某银多金属矿山由于前期空场法采矿，井下形成大量采空区，采场内遗留支撑空区的点柱。为消除空区隐患，矿山进行了空区综合治理研究。

1 工程背景

矿山前期采用浅孔房柱法回采矿石，矿房采完以后，利用留设的点柱和围岩支撑空区控制地压。矿山经过10余年开采，目前矿山1 100 m以上已回采结束，生产主要集中在1 100 m以下各中段。根据矿山生产统计，截止2016年底，井下1 100 m以上采空区体积共约220万m3，采空区内留设点柱1 460个，点柱矿量共约55万t(图1)。

随着回采工作的不断进行，采空区暴露面积越来越大，暴露时间也越来越长，地压将不断增加。采空区围岩地压达到一定程度后，必将对井下人员和财产造成一定损失。

图1 井下采空区形态纵投影图Fig.1 Longitudinal section of underground mined-out area

2 采空区治理方案

鉴于矿山1 100 m以上回采产生大量采空区及存窿矿量，为确保井下生产接续安全、实现资源充分回收利用，依据矿床开采技术条件及空区现场实际状况，提出“预留空间充填、嗣后矿柱回收”的总体治理方案，对空区进行尾砂充填的同时预留作业空间，待充填体养护固结后利用进路或分层回采、嗣后充填方式进行矿柱回收。

2.1 空区治理方案数值模拟比较

为确定合理的空区充填顺序，针对不同充填方案空区围岩稳定性进行了数值模拟对比分析。共设计了3种方案进行比较，采用FLAC3D数值计算软件对采场点柱回收和充填过程进行模拟计算，以验证点柱回收方法选取的合理性。3种方案的示意见图2，图中阿拉伯数字标示了点柱回收顺序。

数值模拟计算结果分别见图3～图8。

从图3可以看出，方案一实施后，空区围岩内应力场重新分布并达到平衡时，所受拉应力极值点(最大)位于空区顶板，其值约为4 MPa，且小于岩体极限抗拉强度，故围岩处于稳定状态。

由图4可以看出，通过采空区充填可有效控制方案一实施后的上覆岩层移动，其中空区顶板最大位移量约为3.76 mm，对应地表下沉位移量约为1.5 mm，空区边帮及顶板稳定状况良好，矿柱回收对于地表变形基本无影响。

从图5可以看出，方案二实施后，空区围岩内应力场重新分布并达到平衡时，所受拉应力极值点(最大)位于空区顶板，其值约为4 MPa，且小于岩体极限抗拉强度，故围岩处于稳定状态。

由图6可以看出，通过采空区充填可有效控制方案二实施后的上覆岩层移动，其中空区顶板最大位移量约为3.65 mm，对应地表下沉位移量约为1.5 mm，空区边帮及顶板稳定状况良好，矿柱回收对于地表变形基本无影响。

从图7可以看出，方案三实施后，空区围岩内应力场重新分布并达到平衡时，所受拉应力极值点(最大)位于空区顶板，其值约为4 MPa，且小于岩体极限抗拉强度，故围岩处于稳定状态。

图3 方案一采场点柱回收后围岩拉应力云图Fig.3 Surrounding rock tensile stress cloud chart after ore pillars recovery at scheme one

图4 方案一点柱回收后围岩位移变化图Fig.4 Surrounding rock deformation change diagram after pillars recovery at scheme one

图5 方案二采场点柱回收后围岩拉应力云图Fig.5 Surrounding rock tensile stress cloud chart after ore pillars recovery at scheme two

图6 方案二点柱回收后围岩位移变化图Fig.6 Surrounding rock deformation change diagram after pillars recovery at scheme two

图7 方案三采场点柱回收后围岩拉应力云图Fig.7 Surrounding rock tensile stress cloud chart after ore pillar recovery at scheme three

图8 方案三点柱回收后围岩位移变化图Fig.8 Surrounding rock deformation change diagram after pillars recovery at scheme three

由图8可以看出，通过采空区充填可有效控制方案三实施后的上覆岩层移动，其中空区顶板最大位移量约为3.76 mm，对应地表下沉位移量约为1.5 mm，空区边帮及顶板稳定状况良好，矿柱回收对于地表变形基本无影响。

根据方案比较的结果，3种方案顶板最大主应力基本相同，方案二顶板位移最小，且方案对于采场底板倾角要求小，容易实施，因此选择方案二进行空区处理。

2.2 空区治理

2.2.1 矿块采场结构及治理前准备

矿块采场结构：矿块长为60～80 m，宽为矿体厚度，高为阶段高度25 m。采空区处理顺序为中段间自下而上。

准备工作主要包括：对矿块顶柱已采的采场，在原顶柱位置构筑防护挡墙或防护网，防止上中段废石等滚落伤人。对于底柱矿石未回采的矿块，充填前用胶结尾砂+钢筋网构筑人工假底。假底的作用是为底柱和下中段回采构筑人工假顶，为保证其强度和整体性，胶结尾砂假底厚度为2.0 m，强度不小于5 MPa。钢筋网有主副之分，主筋直径为14 mm，网度为1 m×1 m，副筋直径为10～12 mm，网度为0.3 m×0.3 m，交叉点用细铁丝固定。钢筋网距底板0.1～0.2 m。

2.2.2 空区充填及点柱回采

采用沿矿体倾向按列回收点柱矿量，点柱回收示意图及回收顺序见图9。

图9 进路充填采矿法点柱回收顺序示意Fig.9 Pillar recovery sequence diagram with access backfill mining method

图9将采空区矿块沿矿体走向划分7个区，区与区之间以点柱间隔，采取隔一充一方式，点柱回采顺序为按照充填的顺序依次回采充填体右侧一列点柱。

按图9中所示，首先封闭采场中①区，在采场底柱位置按需要掘进溜井及通风井。

根据井下采空区环境及充填料特性，选择柔性密闭挡墙，柔性挡墙结构分3层，靠近充填体第一层是200 g/m2的土工布，主要作用是阻挡充填料外溢；第二层是由圆钢交叉形成的网度为200 mm×200 mm的钢筋网，主要作用是使土工布受力均匀，同时将充填体传来的力传递到最外层；第三层由工字钢或废弃钢轨、锚杆等组成，是挡墙主要骨架和主要的受力层，将力传递到周边围岩。

充填管路从上中段下盘沿脉巷，经穿脉巷道、人行上山引入采场。充填料采用全尾砂胶结材料。

采用7655或YT-28凿岩机凿岩，2#岩石乳化炸药，非电导爆管起爆，由采场中央向两侧回收临近排点柱矿石。落矿眼采用梅花布孔、排距为0.6～0.7 m、孔距为0.7～0.9 m。

点柱爆破崩落矿石后，先进行顶板撬毛检查。在顶板稳定的情况下，由2DPJ-30电耙耙向矿块底板，由沿矿体走向电耙耙至矿块溜井，溜至矿体下盘沿脉巷道。

新鲜风流利用矿体下盘沿脉巷道通过人行井进入采场，流经采场工作面后，由采场内人行上山进入上中段矿体下盘沿脉巷道，经过回风巷道排出地表。

2.2.3 主要经济技术指标

进路充填采矿法点柱回收方案实施后主要经济技术指标见表1。

表1 进路充填法主要经济技术指标Table 1 Main economic and technical indexes under access backfill mining method

3 结 语

利用FLAC3D软件对矿山井下采空区充填、点柱回收数值计算模拟的结果，分析治理过程中采空区围岩应力和位移变化，选择隔一充一间隔充填法指导矿山施工，能够在空区治理的过程中，有效控制围岩变形、控制地表塌陷、保障施工安全。利用这种技术治理空区，每年可以回收点柱矿石量55万t，年销售收入2.7亿元，年净利润4 241万元。工程保证了企业的可持续发展，避免了资源的浪费，增加了企业的经济效益，对国家的经济建设做出了贡献。

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