隐伏采空区治理与残矿回采技术研究*

纪晓东

(赤峰山金红岭有色矿业有限责任公司， 内蒙古 赤峰市 025450)

0 引言

二十世纪八十年代以来，我国大多数地下金属矿山由于使用传统的空场法、崩落法等开采方法，未及时进行充填，导致矿区内形成了大量的采空区。采空区的存在破坏了原有岩体的应力状态，空区周围的岩体为了保持平衡而使应力重新分布，当空区边界岩体达到临界变形时，就会发生移动和破坏，岩体进一步移动会导致空区上覆岩层全部塌陷、崩落，空区突然塌陷产生巨大的冲击波和高速气浪会对井下的人员和设备的安全造成巨大的威胁，采空区老窿的积水也会形成突水隐患，同时当塌陷延伸至地表时，会导致地表开裂、下沉以及塌陷，对地表的生态环境和建筑物产生严重影响。长期以来，由于采空区突然塌陷而造成的矿井灾害不计其数，造成了巨大的人员伤亡和财产损失。因此，对采空区的治理就显得尤为重要，关系到矿山能否安全、持续生产。

参照国内外矿山已有的采空区治理方法，从治理方式可划分为崩落、充填、支撑、封闭隔离和联合5类方法，其具体的适用条件及优缺点见表1。众多学者和专家对于矿山采空区的治理做了大量研究，许刚刚等[1]针对空洞型采空区充填治理传统水泥浆泌水率高、结石率低、水料分散性大、治理成本高昂等问题，提出了一种高浓度胶结材料充填治理技术，为空洞型采空区低成本、高效治理提供了新途径；李富念[2]以大新锰矿南部矿段在开采过程中形成了大量的采空区为研究背景，提出了5种治理方案，分别是废石尾砂充填、诱导放顶、采空区隔离以及巷道隔离；吴英杰等[3]改造了现有尾矿浓缩处理系统，采用灌浆帷幕充填，将尾矿处置和采空区充填治理结合起来，消除了采空区安全隐患，实现了尾矿资源化和采空区空间功能的协同利用；李怀剑等[4]基于道路下伏采空区路域范围加固治理的工程需求，提出了模袋法帷幕注浆技术。采用压力注浆使模袋展开并形成连续地下帷幕，最后对帷幕内采空区进行灌浆充填，达到对采空区或溶洞注浆加固的目的；王兵强[5]采用了一系列的分析方法，对注浆效果进行了检测评价并形成了一种新的评价方法；张太平等[6]综合采用一系列探测技术对采空区进行了探测，有效探明了煤矿采空区的位置和分布范围，提出了采空区注浆设计方案及注浆关键参数。

表1 采空区治理方法

赤峰山金红岭有色矿业有限责任公司，位于内蒙古自治区赤峰市巴林左旗乌兰达坝苏木镇。矿山自成立以来一直采用留矿采矿法，后来扩大了生产规模，又采用了有底部出矿结构的盘区空场崩落联合采矿法[7]，但采用上述两种方法开采形成的采空区均未进行充填，导致矿山存在大量的隐伏采空区。金红岭矿业公司目前1#矿体33线2～4中段隐伏空区体积达11万m3，隐伏空区距地表厚度为40 m左右。由于长时间采用崩落法采矿，33线右侧2～4中段采空区相互连通，空区高度为137 m左右，体积为6.05万m3；33线左侧2～3中段采空区相互连通，空区高度为87 m左右，体积为5.09万m3。由于空区高度较大，33线间柱长时间独自支撑地表覆盖岩层顶板，极易因长时间暴露风化导致间柱失稳，造成隐伏空区突然垮落，再次造成地表塌陷及地下冲击波等严重地压问题。为此，针对金红岭矿业公司隐伏空区特征，提出了一种空区治理方案，旨在一方面消除隐伏空区安全隐患；另一方面实 现33线间柱残矿资源安全回收，实现矿山绿色安全开采。

1 隐患空区充填方案

根据金红岭矿业公司隐伏空区处理原则和工程实际情况，提出了泵送接力胶结充填处理隐伏空区技术方案。

1.1 设计工艺流程

井下充填站+充填工业泵+充填管道。矿山目前已建有生产能力为1000 m3/d的充填站，利用该充填站生产配比1:16的充填料浆对隐伏空区进行充填。由于东北翼采空区离井下充填站水平距离较远，直线水平距离达1260 m，且充填站标高为+1055 m，东北翼采空区的顶部标高为+1035 m，垂直高差非常小，充填倍线达到了64。因此，需要利用充填泵进行接力泵送。充填管道经4中段，由33线间柱采准天井充填至隐伏空区。

图1 泵送接力胶结充填处理隐伏空区管路布置剖面（单位：m）

1.2 充填管道压力计算

根据国内外矿山充填倍线可知，矿山采用自流输送时[8]，合理的充填倍线为4:1～6:1。充填站至4中段高差为150 m，采用自流输送时，高程150 m可以输送的水平距离为600～900 m。因此，可以根据充填倍线为5:1来得到输送阻力。根据流体力学中水头计算可以得到，150 m高程的充填料浆，其水头约为2.65 MPa。按照5:1的充填倍线可得，水平输送1495 m需要的输送压力为5.28 MPa。从33线间柱底部至顶部垂直往上输送140 m，该部分阻力可分为沿程阻力和高差损失，140 m沿程阻力依据5:1充填倍线可得，需要的输送压力为0.49 MPa；140 m高差损失依据流体力学可得，需要2.47 MPa的输送压力。因此需外加的泵送压力为5.59 MPa。

根据经验公式和充填倍线计算可得，将充填配比为1:16的充填料浆浓度在70%～75%左右输送1495 m时，不考虑自重水头，在外加泵压为6 MPa时，输送管道压力分布见图2。

图2 管道压力分布

2 矿柱残矿资源回收方案

金红岭矿业公司3、4中段33线保安矿柱厚度为12 m左右，高度为87.78 m，长度为18 m。两中段矿柱上下连接，矿柱左右两边均为采空区，3中段矿柱上部为2中段围岩。针对这种特殊难采残矿资源，首先对两中段间柱两侧采空区进行充填，待充填完成后，采用上向进路充填采矿法对3、4中段矿柱进行回采。

2.1 矿块参数布置

矿块的长边垂直矿柱走向布置[9]，其尺寸为：矿柱厚度12 m，宽度为保安矿柱长度18 m，高度50 m，进路宽度3 m，高度4 m，底柱高5 m，由于胶结充填体强度较低，矿体两边各留2 m保安矿柱，不留顶柱。

2.2 采准切割

采准工程主要有阶段巷道、出矿进路、矿石溜井、人行通风天井、凿岩平巷、分层联络道，无切割工程。

（1）阶段巷道、出矿进路及矿石溜井。为已有工程，阶段巷道位于矿块下部，长度为18 m。出矿进路位于矿体下部，垂直矿体走向布置[10]，长度为20 m。矿石溜井位于矿体内部，距离上盘围岩3 m。

（2）人行通风天井。位于矿块右侧，断面2 m×2 m，联通955 m中段与995 m中段。主要用于人、设备进入采场通道，兼作通风之用。

（3）凿岩平巷。断面2 m×2 m，长度为13 m，每分层布置1条，共11条，总长度为143 m。凿岩平巷施工完成后，打上向孔，以溜井为自由面侧向崩矿，挑顶至4 m，形成作业面与补偿空间，回采进路矿体。

（4）分层联络道。断面2 m×2 m，长度为3 m，每分层布置1条，共11条，总长度为33 m。联络道内布置电耙卷扬机，将矿石耙进矿石溜井，由出矿平巷运出。

2.3 矿柱残矿资源回采

（1）凿岩、爆破。矿柱采用间隔回采方式，采用YT28型气腿式凿岩机，在凿岩巷道中施工水平浅孔，炮孔直径为Φ42 mm，炮孔深度为3 m，采用毫秒非电导爆管分段微差爆破。

（2）通风。采用贯穿风流通风，新鲜风流经阶段巷道、出矿进路、人行通风天井，进入回采矿房清洗回采工作面，污风经采空区、上部溜矿井、995 m中段阶段巷道排至回风巷道。

（3）出矿。采场内矿石由电耙耙至脉内溜矿井，矿石靠重力溜至底部出矿巷道内，由铲运机经出矿巷、阶段巷道运搬至采区溜井内。

2.4 采空区处理

矿块每一分层采完后，立即经955 m中段、人行通风天井及联络道布放充填管道，进行胶结接顶充填。待充填体养护合格后，再回采相邻进路矿体。

3 结论

（1）调查了金红岭矿业公司采空区分布特征，总结了国内外采空区的治理技术方案，分析了不同采空区治理方案的优缺点与适用条件。

（2）针对金红岭矿业公司隐伏采空区分布状况，提出了泵送接力胶结充填处理隐伏空区技术方 案，为隐伏采空区的治理提供了一种可行的技术方案。

（3）针对955 m、995 m中段33线保安矿柱的产状特征和赋存条件，提出了上向进路充填采矿法，实现了对残矿资源安全、高回采率的开采。