某铁矿浅孔留矿法采空区治理治理措施研究

夏朝科

（福建省冶金工业设计院有限公司，福建 福州 350000）

我国金属非金属地下矿山采空区分布范围广，采空区总量大，且空间形态变化大、分布规律性差，受爆破震动与岩体软弱结构的影响，将导致采空区顶板垮落失稳，对井下安全生产及地表设施造成严重威胁，属于矿山重大安全隐患，由此诱发了多起采空区塌陷引发的安全事故，造成重大人员伤亡和财产损失[2]。

地下铁矿普遍采用浅孔留矿法开采，每个矿房留顶底柱、间柱，采后形成框架结构，特别是随着开采深度增加，地压增大，冲击地压发生的频率升高，若个别矿柱失稳，采场顶板实际跨度过大导致冒顶，同时上部覆岩压力转移到其它相邻矿柱上，可能触发相邻矿柱破坏，引起连锁反应，引发大规模的冒顶事故，其影响是灾难性的。

掘进废石堆排在废石堆场，选矿产生的尾砂多数堆排在尾矿库，会带来资源、环境、安全和土地等诸多问题。如果使用尾矿充填采空区，采空区不仅成为矿山废弃物的存储空间，而且采空区顶板围岩得到支撑，既可以消除安全隐患，又可以实现矿山可持续发展和绿色发展[3]。

本文以福建某铁矿为例，介绍利用尾矿充填大矿房和小矿房隔离的采空区处理方法。

1 矿山采空区现状

矿山一直采用浅孔留矿法开采，矿体总体倾向西，倾角60°～75°，近地表局部直立，已控制延深最大达160m。采用主井提升、斜坡道辅助运输的开拓方式，掘进脉内、脉外平巷。已形成+690m、+650m中段的采空区，根据矿山提供的井下中段测量图，其+690m中段井下采空区长约170m、宽10m～30m，采高20m～40m，中间分布不同形成的矿柱支撑着，面积已达到8500m2，采空区容积约14万m3，根据现场情况，其顶板不稳定，部分已崩塌至+690m采空区；+650m中段井下采空区长约140m、宽10m～20m，采高30m～40m，采空区面积约为3000m2，中间分布不同形成的矿柱支撑着，+650m采空区顶板相对稳定；随着开采深度增加，地压增大，冲击地压发生的频率升高，若个别矿柱失稳，采场顶板实际跨度过大导致冒顶，同时上部覆岩压力转移到其它相邻矿柱上，可能触发相邻矿柱破坏，引起连锁反应，引发大规模的冒顶事故，其影响是灾难性的。

2 采空区治理方案

目前常用的采空区处理方法主要有崩落围岩、充填采空区、封闭采空区三种，可归纳为“崩、充、封”。采用崩落围岩与充填矿房适用于大面积空区和大量残存空区，而封闭采空区主要用于“孤”、“小”空区和矿岩极稳固空区[4]。

即崩落围岩可以填满空区（全充），或形成缓冲垫层（部分充填），这也可以减小集中应力并转移周围的岩石压力；用尾矿或胶结料充填（全充或部分充填）采空区，以支撑顶板围岩，并使矿柱由单向受力变为三向受力，提高矿柱承压能力，保持围岩稳定性；封闭采空区就是密闭或隔离空区通向生产区域的通道，以防止空区顶板围岩垮落时发生的空气冲击波危害生产区域安全。其中充填法处理空区费用较高，主要应用于地表与围岩不允许塌陷、要求提高矿柱回收率、有现成廉价充填料可利用（尾矿）等情况。

针对本矿区情况，主井附近设置充填站，在+690、+650中段采用大采空区“充填+封闭”处理工程措施，即大采空区尾砂胶结料充填，端部小采空区封堵隔离。后来随着充填成本的增加，并且在+650中段西矿段顶板稳定，上方远离工业场地等主要建筑物，采用汽车运输尾矿经斜坡道—中段运输平巷干式充填采空区。

3 大采空区“充填+封闭”处理工程措施

3.1 尾砂胶结料充填

在主井附近设置充填站，选矿厂排放的尾砂作为充填骨料，水泥、胶固粉等作为胶凝材料，灰砂比：1：4～1：15，同时设有絮凝剂聚丙烯酰胺溶液添加器，保证粗尾砂的充分沉降。用内径100mm的钢管运输，最大输送浓度为78.6%，配置料浆浓度63%～72%。各原料在搅拌筒内搅拌均匀完成充填料浆的制备，砂仓尾砂流量控制在70m3/h，胶固粉流量控制在15m3/h，充分搅拌后形成均质性、流动性较好的充填料浆。

采用“隔一充一”充填方式，采空区间隔充填。充填之前，有必要对已采矿房间柱联络巷封堵，封堵墙有空心砖封堵和木封堵两种，考虑到木封堵材料可回收，成本较低、劳动强度小，采用木封堵。根据现场的充填经验，一般矿房充填工序分3次充填，即一次试充、预接顶充填、接顶充填，注意接顶充填工序必须在上次充填24h以后进行，保证胶结料全面接顶[5]。

3.2 尾矿干式充填

矿区西矿段离主井较远，并且+650m采空区顶板相对稳定，随着水泥价格上涨，采空区充填成本较高，因此通过决策考虑采用汽车运输尾矿干式充填采空区，充填料来自地表废渣临时堆场和选矿厂排放的干尾砂，废石和干尾砂交替充填。

尾矿倒入充填井后在井下用矿车转运，从矿房上方的回风巷道卸矿孔倒入矿房内，自然安息角约33°。由于不能接顶充填，所以不采用“隔一充一”充填方式，而是大矿房全部充填的方式。

经过比较尾矿干式充填采空区的成本更低，系统简单，但存在不能接顶充填的弊端，阻止顶板垮落能力差，但顶板变形到一定程度又能全面支撑顶板。尾矿干式充填采空区适用于对于地表与围岩允许轻微陷落，如果顶板稳定性要求严格，应采用尾砂胶结料“隔一充一”或者全部充填采空区。

4 小采空区“封闭”处理工程措施

+680、+650m中段两端采空区均较小，对矿山安全生产威胁不大，其封闭措施以达到防止漏风和防止人员进入的目的即可。设计在巷道设置钢筋混凝土墙密闭，具体方案如下。

（1）在封闭巷道底部挖槽，槽深30cm。

（2）在封闭巷道周边的壁上凿孔，装锚杆，深30cm。

（3）布置钢筋，钢筋网度20×20cm，钢筋与锚杆焊接，钢筋为双层。

（4）浇注混凝土墙厚度为1.2m。

密闭材料：混凝土C25、φ20螺纹钢。

密闭巷道规格：2.3m×2.3m（三心拱）。

混凝土墙底部及中间留有一个30×30cm的泻水孔，同时在排水管口部开挖截水沟，把水通过水沟引入矿井外排。

5 结语

铁矿采空区采用尾砂胶结充填法、尾矿干式充填法和隔离法相结合的处理方式是最为有效的方法，既消除采空区对井下生产及地表环境设施造成的威胁，提高矿石资源回采率，又使得尾矿能综合利用，减少环境污染。创造了更大的社会益、环境、安全和经济效益。