广西大新锰矿南部矿段采空区治理研究与实践

李富念

(广西锡山矿业有限公司，广西 南宁 530022)

0 前 言

2021年2月10日，广西壮族自治区应急管理厅印发了《安全生产重大事故隐患挂牌督办通知书》(桂应急督〔2021〕1号)，决定将大新锰矿分公司地采矿山采空区列为安全生产重大事故隐患实行挂牌督办。结合国务院安委会办公室发布的《金属非金属地下矿山采空区事故隐患治理工作方案》，坚决遏制采空区引发的重特大事故要求，对大新锰矿南部矿段采空区的治理已经迫在眉睫。为了避免在下一步开采工作中出现采空区灾害性事故，需要对采空区存在的安全隐患提出治理措施，消除采空区安全隐患，为矿山安全生产奠定基础。

1 矿山地质条件与采空区现状

1.1 矿山地质条件

1.1.1 地形地貌

矿区属低山丘陵地形，地形西高东低，地形地貌受地层构造控制，碳酸盐岩类出露区为岩溶峰丛地形，并形成特有的喀斯特地貌景观，而碎屑岩类出露区呈缓坡地貌[1]。

1.1.2 矿区岩体结构分类

矿区构造以向斜为主，次为断裂构造。向斜轴向为北东向20(°)～50(°)，位于矿区南部的平移断层F1走向，走向近于东西，长度大于3 km，为Ⅱ级结构面。根据断层的性质、产状及相互关系等，矿区内的断层分为5期9组，大多数为正断层，少数逆断层，沿走向延伸长度为数百米至数千米，为Ⅲ级结构面。而岩层层理裂隙和岩石节理裂隙线裂隙率为3～11条/m，其裂隙浅部多为泥质充填，深部则为石英脉充填，延伸长度有限，属于Ⅳ级或Ⅴ级结构面。

1.1.3 地下开采主要地质问题

1)矿层出露地表，矿段浅部岩石因风化强烈裂隙发育，呈碎裂状，属稳定性差的软岩石，矿山地下开采过程中，使岩体完整性再次遭到破坏，地表水或地下水沿裂隙、断裂下渗，使坑道易产生片帮、冒顶现象，边坡易形成崩塌、滑坡。

2)矿层发育在向斜内，岩层次级小褶皱、小断裂及裂隙发育，当在破碎地段或薄层泥岩或含锰泥岩地段开采时易产生片帮、冒顶等现象。

3)在有地下水活动的地带开采时，由于地下水因素作用，更易加速导致软弱面、软弱岩及软弱层(如薄层微层泥岩或含锰泥岩)的失稳，易产生崩塌、冒顶等工程地质问题。

1.2 采空区现状

西北区域340中段以浅孔留矿法、房柱法为主，浅孔留矿法基本保留8 m间柱，8 m顶柱，6 m底柱，矿房内部根据地质条件不同保留一定量的点柱。房柱法以10 m宽度采幅的小型矿房为主，每回采8 m宽的采幅保留2 m宽的条形间柱，2种采矿方法采空区暴露面积在500 m2以内。空区至今保存完好，同时采空区与已回填矿房呈间隔式或间段式分布，最大可能避免了340中段采空区区域性坍塌。310中段、280中段采用房柱法回采，同样以10 m宽度采幅的小型矿房为主，每回采8 m宽的采幅保留2 m宽的条形间柱，顶柱保留3 m，底柱保留3～6 m不等，采空区暴露面积在500 m2以内，采空区基本保留完好。

东部0～4a线为原布及锰矿民采矿区，矿体相对较薄，2014年民采退出后停止采矿作业至今。3～4a线保留36～62 m宽的竖状的条形隔离间柱。4a～6勘探线区间在6勘探线附近留设约40 m的矿柱可靠隔离，其矿体产状和采矿方式与布及锰矿类似。

通过开展井下采空区稳定性研究，得到了西北区域的大部分采空区的稳定性结果：①14～28线的380与420中段的采空区经过废石充填后，稳定性较好；②13～16线的220中段的44号-52号采空区稳定性较好；③26～29线的340中段14号-19号采空区稳定性较好；④中东部14～15a线的280-29号、280-30号，16～24线间的340-10号，25～26线的340-13号为不稳定采空区。矿井范围内采空区分布情况见表1。

表1 矿井范围内采空区分布情况

2 采空区治理方案

2.1 诱导放顶

诱导放顶处理空区是用中深孔、深孔或药室爆破方法，将空区围岩顶板大量崩落充填空区并形成缓冲保护垫层，以防止空区内大量岩石突然冒落所造成的危害。对于大新锰矿接近地表露天采场的中段，例如：西北区域的340中段，中东部的420中段、380中段、340中段等，采用诱导放顶处理空区，从露天采场对采空区进行废石充填。

空区顶板崩落或上盘围岩崩落形成缓冲垫层如图1所示。

图1 空区顶板崩落或上盘围岩崩落形成缓冲垫层

2.2 废石充填

西北区域的340中段，中东部的340中段、280中段、220中段等中段的下部，根据各采区井下掘进产生的废石量，采用充填井或从空区入口对目前生产系统周边、危险性大的采空区进行一部分充填，在采空区底部形成缓冲垫层如图2所示。

图2 采空区废石充填形成缓冲垫层示意

缓冲层的主要作用为：①吸收崩落岩层所产生的冲击压力，使底柱不受破坏而倒塌，此点对空区下部正在进行生产尤为重要；②采空区崩落岩层压缩的气流，通过缓冲层后减速，达到对人体无害的速度。

大新锰矿南部矿段采空区高度一般在50～60 m，因此采空区充填垫层高度最少12 m。如果井下有多余掘进废石，可对采空区进行大量充填，提高采空区安全保障。

2.3 采空区隔离

采空区隔离的形式主要有钢筋混凝土+废石和废石充填隔离两种。当主要生产和运输系统经过采空区而无法避开时，采用钢筋混凝土和废石充填隔离采空区，保证生产系统的安全[2-3]。

废石充填隔离采空区主要在采区之间，当采区之间的边界相距较近，空区横跨两边时，为形成矿区或采区之间的隔离带，应对此类采空区进行废石充填以形成隔离带，隔离带采空区的充填一般需尽可能接顶，空顶高度小于2 m，形成的隔离带宽度大于20 m。在条件允许下，尽可能采用钢筋混凝土+废石充填隔离方式，能够有效防止空区垮塌冒落形成冲击地压对巷道中人员设备造成影响。采空区隔离示意见图3。

图3 采空区隔离示意

2.4 巷道隔离

1)巷道隔离形式

为防止采空区顶板围岩垮落时产生的冲击波危害，在采空区与生产系统之间构筑一道隔离带，巷道隔离墙示意见图4，带有废石充填巷道隔离墙示意见图5。

图4 巷道隔离墙示意

图5 带有废石充填巷道隔离墙示意

钢筋混凝土密闭墙内布置单层钢筋网，钢筋与密闭墙两侧的锚杆焊接，长度不小于2 m，锚杆间距一般为0.6 m。

当采空区顶板暴露面积大，垮塌后产生的空气冲击波强度足够大时，在钢筋混凝土隔离墙后巷道内充填10～25 m长的废石，减缓冲击波对隔离墙的冲击。

2)隔离墙厚度

隔离墙采用锚杆插入式钢筋混凝土墙时，挡墙厚度1～1.2 m即可满足40～60 m空区高度冒落产生的冲击波。根据采空区具体情况选择不同厚度的混凝土挡墙。

采空区隔离挡墙厚度选择参考见表2。

表2 采空区隔离挡墙厚度选择

挡墙两边采用HRB400级钢筋网片支护，直径20 mm，基底预留2个直径为200 mm的PVC泄水孔，并在墙中间预留观察孔。

2.5 尾砂充填

南部矿段220中段20号采场、21号采场、22号采场均已回采完毕，形成了采空区未处理，随着空顶时间的推移，空区顶底板会逐渐发生垮落。为了保护地表边坡和地表构建筑物，利用选矿尾砂作为充填骨料，建立充填系统。通过采空区的天井或充填专用管道将充填物料加压充填至采空区对采空区进行充填，使充填体与采空区围岩共同作用，改变围岩应力分布状态，达到有效控制地表岩石的移动和防止地表塌陷等目的[4-5]。

3 安全技术措施

3.1 管理安全技术措施

管理安全技术措施有：①现场所有作业人员必须接受过“三级”安全培训教育，并参加过治理采空区专项安全技术措施培训，考核合格后才能上岗作业；②现场作业要有安全员蹲点值班，把好现场安全关；③按规范编制施工方案、制订有针对性的安全技术措施，同时工区技术负责人必须对现场作业人员进行书面安全技术交底，并明确现场施工安全条件；④根据施工过程中出现的新情况，要不断修改施工方案，不断完善相应的安全技术措施；⑤注意收集地质、地压、安全状况等现场信息，为进一步研究地压提供参考资料；⑥制订相应的安全技术措施及现场处置方案，提高现场突发事故的处置能力。

3.2 施工现场安全技术措施

施工现场安全技术措施有：①在施工人员进入工作地点前，应首先配备专职安全员，做好施工地点敲帮问顶工作，检查和处理两帮及顶板松动的浮石；②对施工中使用到的主要井巷，经检查和确认后，应对其围岩不稳固地段的巷道采用有效的支护加固措施；③在施工人员进入井下巷道及采空区作业之前，应首先恢复作业点的通风，保证作业地点有足够的风量；④作业人员在进入采空区和独头工作面等无风作业点之前，必须利用局扇通风并符合作业要求，采空区和独头工作面有人作业时，局扇必须连续运转；⑤施工人员在作业人员进入采空区工作面作业之前，应随身携带便携式有毒有害气体报警仪，对采空区内的空气成分进行检测，并在确认安全后方准进入；⑥在密闭施工过程中，施工方应加强对井下涌水量的监测，发现异常及时通知井下人员撤离至地表；⑦作业人员必须按要求穿戴好手套、雨鞋和安全帽等劳动防护用品；⑧作业人员进入作业面作业前，必须先认真检查和处理顶板和两帮的浮石，清理浮石时，应至少两人在场，必须有良好的照明，必须在安全地点操纵工具；⑨在构筑隔离墙时，现场负责人要认真检查，坚持安全第一、不安全不施工，严防操作器械伤人；⑩在封闭采空区开始到完毕之前，除封闭采空区人员外，其他人员严禁在该区段内作业、停留。

4 结 语

1)采空区治理工程方案设计合理，施工现场管理有效，安全技术措施落实到位，经过努力，大新锰矿南部矿段采空区治理工程的研究与实践工作获得很大成功。 经过大新锰矿采空区的治理，可在安全的条件下回收矿石，创造较高的经济价值，同时减少了矿山开采废弃物排放，既节约了充填治理资金，又改善了矿区周边环境，其经济效益与社会效益显著。

2)采用充填和崩落处理采空区，并辅助采用封闭和分区隔离等方式，从地表充填废石，充填井进行井下采空区的充填，对大新锰矿的采空区进行全面治理，可以有效改善空区周边围岩和矿体内的应力分布，提高空区的稳定性，消除采空区潜在的安全隐患，减小空区冒顶、垮塌发生的可能性，为下一步深部矿体的开采创造可靠的安全生产条件，也为深部矿体资源最大限度的回收提供一定程度的安全保障。

3)地采矿山井下滞留大量的采空区，诱发山体塌方、透水、地表沉陷等地质灾害的现象，在全国各类矿山都有存在。因此，开展治理地采矿山井下采空区的研究，最大限度降低矿产资源开采活动对矿山周边地区的环境影响和破坏，切实保护矿山地质环境，促进矿产资源开发的经济、环境和社会效益相协调具有重要意义。