1 概 述

      塔中礦業(yè)井巷工程位于塔吉克斯坦卡拉庫姆市阿爾登-托普坎塔中礦業(yè)有限公司鉛鋅礦區(qū),距離塔國首都杜尚別約400km,距離塔國第二大城市胡占德(苦盞)約100 km。該礦區(qū)為前蘇聯(lián)時(shí)期塔吉克斯坦的一座大型鉛鋅礦,擁有派布拉克、阿爾登-托普坎、北阿爾登-托普坎、恰拉塔4個(gè)鉛鋅多金屬礦采礦權(quán),以及巴雅爾別克、別列瓦爾、烏茨卡特雷3個(gè)鉛鋅多金屬礦探礦權(quán),保有礦石資源儲(chǔ)量約1.1億 t。該礦區(qū)于2006年由塔中礦業(yè)開始恢復(fù)生產(chǎn),對(duì)阿爾登-托普坎、派布拉克、北阿爾登-托普坎3個(gè)鉛鋅礦區(qū)進(jìn)行開采,采選能 力已達(dá)400萬t/a,至今已采出的礦石量超3 000萬t。

      該礦區(qū)的礦床類型主要為矽卡巖型,主要含礦部位為層狀與透鏡狀矽卡巖礦體,賦存于花崗閃長斑巖巖脈與石灰?guī)r接觸帶。礦區(qū)水文地質(zhì)類別為中等,工程地質(zhì)條件屬中等復(fù)雜程度。巷道兩幫、頂板以及礦體上下盤圍巖多為花崗閃長巖、灰?guī)r、變質(zhì)砂巖和變質(zhì)噴出巖,含礦巖石為矽卡巖,礦山中大面積區(qū)域的巖石受強(qiáng)烈構(gòu)造破壞形成礦巖中的衰減帶,導(dǎo)致礦山局部巷道內(nèi)出現(xiàn)塌落和坍塌現(xiàn)象,其上、下盤圍巖及含礦巖石一般屬中等穩(wěn)定巖石,局部構(gòu)造帶上的巖石穩(wěn)定性較差。其巖石硬度系數(shù)分別為:礦石:f=8~12;砂巖、矽卡巖:f=10~12;灰?guī)r:f=6~10;花崗巖:f=12~14。

      金屬非金屬礦山的采空區(qū)具有隱蔽性,自身失穩(wěn)造成的直接災(zāi)害及次生災(zāi)害種類繁多,危害極大。在金屬非金屬礦山中,由于地壓的作用,采空區(qū)極易出現(xiàn)冒頂片幫,其為采空區(qū)動(dòng)力失穩(wěn)的主要表現(xiàn)。經(jīng)過長時(shí)間的擱置,采空區(qū)的穩(wěn)定性會(huì)越來越差,甚至可能誘發(fā)二次災(zāi)害,例如空氣壓縮流、巖體崩落、地表塌陷等,將造成人員和設(shè)備不可估量的損失。金屬非金屬地下礦山采空區(qū)可能導(dǎo)致的各類災(zāi)害情況見表1 。

2 地下礦山采空區(qū)的形成及具有的特征 

2.1 采空區(qū)的概念及特征

      目前對(duì)于采空區(qū)的定義并沒有統(tǒng)一的規(guī)定?！兜V山安全術(shù)語》GB/T 15259-2008中將采空區(qū)定義為“采礦以后不再維護(hù)的地下和地面空間”,而《采空區(qū)工程地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)實(shí)用手冊》中則將采空區(qū)定義為“人們在地下大面積采礦或?yàn)榱烁黝惸康脑诘叵峦诰蚝筮z留下來的礦坑或洞穴”。采空區(qū)與地壓關(guān)系密切,而地壓通過采空區(qū)可以 形成災(zāi)害,因此,采空區(qū)具有誘發(fā)地壓災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。金屬非金屬地下礦山中所指的采空區(qū)側(cè)重于礦體開采完成之后留下的空間。

      金屬非金屬地下礦山采空區(qū)具有的特征: 

      (1)在礦山采掘過程中形成,為作業(yè)之后遺留的空間; 

      (2)具有誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn); 

      (3)隨開采作業(yè)變化。

2.2 采空區(qū)的分類及其具有的特性

      采空區(qū)按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以分為以下不同的種類并具備相應(yīng)的特性。

      (1)按照采空區(qū)的大小分類可以分為獨(dú)立采空區(qū)和采空區(qū)群。獨(dú)立采空區(qū)在空間位置上相距較遠(yuǎn),采掘作業(yè)對(duì)其擾動(dòng)頻次低。因此,獨(dú)立采空區(qū)的穩(wěn)固性一般較好,但需要注意其體積大小和頂板暴露時(shí)間的長短對(duì)其穩(wěn)固性的 影響。采空區(qū)群在空間位置上分布密集,甚至采空區(qū)之間相互貫穿或只間隔礦柱。采空區(qū)群中的采空區(qū)之間相互影響,采空區(qū)群的穩(wěn)定性取決于各個(gè)采空區(qū)之間的相對(duì)穩(wěn)定。新采空區(qū)的形成會(huì)破壞采空區(qū)群中的力學(xué)平衡而導(dǎo)致其應(yīng)力重新分布。采空區(qū)群是近距離采掘作業(yè)的結(jié)果,采掘過程不斷擾動(dòng)圍巖,其擾動(dòng)范圍和程度遠(yuǎn)大于單個(gè)采空區(qū)擾動(dòng)相加。

      (2)按照采礦方法分類可將采空區(qū)分為空?qǐng)龇ú煽諈^(qū)、充填法采空區(qū)及崩落法采空區(qū)。空?qǐng)龇ú煽諈^(qū)又可分為房柱法采空區(qū)、淺孔留礦法采空區(qū)和階段礦房法采空區(qū)。房柱法采空區(qū)往往體積和表露面積較大、放置時(shí)間久;淺孔留礦法采空區(qū)體積較小、易于觀測、形態(tài)狹長、暴露時(shí)間長;階段礦房法采空區(qū)體積巨大、傾角較大,對(duì)其應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。充填法采空區(qū)的體積往往較小且存在時(shí)間較短,穩(wěn)定性相對(duì)較好;崩落法采空區(qū)的體積和形態(tài)均無法控制和預(yù)測,其位置隱蔽,難以探測,圍巖裂隙發(fā)育,穩(wěn)定性差,極易引起地表塌陷。

      (3)按照采空區(qū)形成的時(shí)間分類可將采空區(qū)分為老采空區(qū)、現(xiàn)采空區(qū)和未來采空區(qū)。老采空區(qū)與現(xiàn)在生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性極小。很多老采空區(qū) 都是歷史遺留的,其相關(guān)資料少或無,形態(tài)不清,情況不明,邊界不明,治理難度大;現(xiàn)采空區(qū)是礦 山地壓管理的重點(diǎn),必須嚴(yán)格控制其暴露時(shí)間及 面積,及時(shí)進(jìn)行處理;未來采空區(qū)尚未形成,一方面,可以通過研究巖層的移動(dòng)對(duì)采掘工程的影響 合理規(guī)劃收回保安礦柱;另一方面,可以通過計(jì)算地表移動(dòng)和形變的特征值提前對(duì)受影響的建筑物 采取保護(hù)措施。

      (4)按照采空區(qū)的形態(tài)分類可將采空區(qū)分為房狀采空區(qū)和礦體原型狀采空區(qū)。房狀采空區(qū)前期較為規(guī)整,其有礦柱相隔,頂?shù)装宸€(wěn)定性較好;經(jīng)過進(jìn)一步采掘后大片采空區(qū)相連,極易發(fā)生嚴(yán)重的地壓災(zāi)害。礦體原型狀采空區(qū)是小規(guī)模礦體采掘之后形成的采空區(qū),其形狀和礦體基本一致,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。

      (5)按照其與地表聯(lián)通的分類可將采空區(qū)分為明采空區(qū)和盲采空區(qū)。明采空區(qū)是指頂板在人 為或自然塌陷的情況下與地表貫通的采空區(qū);盲采空區(qū)是指未與地表聯(lián)通的采空區(qū),出現(xiàn)大面積 冒頂片幫時(shí)可形成速度為每秒數(shù)千米、壓力為每平方厘米數(shù)十千克的空氣沖擊波,對(duì)井下建筑、設(shè)備和人員造成不可估量的損失。

3 影響采空區(qū)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素

3.1 采空區(qū)的結(jié)構(gòu)

      (1)采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)類型。圍巖的結(jié)構(gòu)主要由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組成,它們對(duì)圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)和被破壞時(shí)的受力形變過程起著決定性的作用,是采空區(qū)圍巖穩(wěn)定的最基本要素。

      (2)采空區(qū)的圍巖質(zhì)量。采空區(qū)的圍巖破碎程度、侵蝕程度、是否連續(xù)是采空區(qū)穩(wěn)定的內(nèi)在因素。圍巖質(zhì)量的高低直接決定采空區(qū)的穩(wěn)定性。

      (3)采空區(qū)的形態(tài)。影響采空區(qū)穩(wěn)定性的直接性因素是采空區(qū)的形態(tài),采空區(qū)的形態(tài)包括采空區(qū)的跨度、傾角大小、規(guī)模及邊界等。

3.2 采空區(qū)的埋藏條件

      (1)采空區(qū)的埋深。采空區(qū)的埋深是影響采空區(qū)穩(wěn)定的變化條件:埋深的增加會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)的應(yīng)力集中和釋放程度增加;埋深越深其地質(zhì)條 件越差,巖石性質(zhì)越會(huì)發(fā)生較大改變,從而影響采 空區(qū)的穩(wěn)定。但是,當(dāng)采空區(qū)的深厚比大于150倍時(shí),其影響非常小。

      (2)作業(yè)過程影響。兩個(gè)相距較近的采空區(qū)圍巖地壓要比合并成大跨度采空區(qū)之后的地壓顯示更強(qiáng)烈。同時(shí),在作業(yè)過程中,頻繁的爆破作業(yè)也會(huì)對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。

       (3)地下水及溫度影響。地下水和溫度除了能對(duì)采空區(qū)埋藏條件進(jìn)行影響外,還會(huì)影響巖石 的質(zhì)量,是影響采空區(qū)穩(wěn)定性的重要因素。

4 對(duì)采空區(qū)治理采取的措施

4.1 采空區(qū)的治理措施

4.1.1 采空區(qū)的基本處理方法

      (1)崩落法:系指采用崩落圍巖的方法處理采空區(qū),具體可分為自然崩落法和強(qiáng)制崩落法。

      (2)充填法:系通過對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填以達(dá)到阻止圍巖移動(dòng)、控制地壓的目的。

      (3)支撐法:系采用永久礦柱對(duì)頂板進(jìn)行支撐的方法。 

      (4)封閉隔離法:系將采空區(qū)與生產(chǎn)區(qū)域封閉隔離起來,防止空區(qū)沖擊波對(duì)生產(chǎn)區(qū)域產(chǎn)生危害的方法。

4.1.2 采空區(qū)聯(lián)合處理法

      已知的聯(lián)合處理法有5種,分別為: 

      (1)支撐充填法即采用廢石充填框架內(nèi)的采空區(qū),旨在維護(hù)空區(qū)之間夾墻的穩(wěn)定性,防止大規(guī)?？?qǐng)龅顾?/span>,以保證礦床回采的順利進(jìn)行。 

      (2)崩落隔離法為封閉、隔斷放頂崩落區(qū)域與開采系統(tǒng)之間聯(lián)系的方法。旨在釋放部分頂板的應(yīng)力并避免人員誤入、風(fēng)路混入崩落區(qū)而造成危 險(xiǎn)和損失。

      (3)礦房崩落充填法采用的是先崩落采空區(qū)頂板,再膠結(jié)充填;或先膠結(jié)充填,在料漿尚未固結(jié)前崩落礦房頂板;或按前述兩種方法進(jìn)行多次 操作。其所形成的膠結(jié)體比一般充填料形成的膠 結(jié)體強(qiáng)度高25%~30%,但其比一般膠結(jié)充填法 降低充填成本約30%~60%,且控制地壓和巖石移動(dòng)的效果較好。

      (4)支撐片落法是用礦柱(人工、天然)支撐隔離采空區(qū),變大空區(qū)為小空區(qū)并通過自然冒落形成廢石墊層的空?qǐng)鎏幚矸椒?/span>。

      (5)控制爆破局部切槽放頂?shù)募夹g(shù)要點(diǎn):采用控制爆破,在頂板應(yīng)力最大的地方進(jìn)行切槽放頂,強(qiáng)制引起頂板冒落并盡可能使冒落接頂,從而使采空區(qū)小型化并與生產(chǎn)區(qū)域隔離、將廢石排入處 理過的采空區(qū)以削弱自然冒頂發(fā)生的可能,消除 不安全分布的應(yīng)力,消除或削弱沖擊地壓。

5 塔礦項(xiàng)目采空區(qū)采取的處理措施

      由于阿爾登-托普坎鉛鋅礦區(qū)及北阿爾登-托普坎鉛鋅礦區(qū)是前蘇聯(lián)時(shí)期遺留下來的礦區(qū),許多技術(shù)資料已經(jīng)丟失,包括以前采區(qū)及巷道的相關(guān)圖紙,導(dǎo)致項(xiàng)目施工區(qū)存在許多老采空區(qū),從而 大大增加了采空區(qū)治理的難度。已探明的老空區(qū)如下: 

      (1)高程970m分層1104-1空區(qū)及1104-2空區(qū); 

      (2)高程1276 m 分層空區(qū);

      (3)高程1105m 分層8201-1空區(qū)。

      由于高程970m 分層1104-1空區(qū)及1104-2空區(qū)、高程1276m 分層空區(qū)及高程1105m 分層8201-1空區(qū)暴露時(shí)間較久,且其受到施工震動(dòng)的影響,該區(qū)域內(nèi)的巖體已經(jīng)出現(xiàn)部分破壞的前兆,經(jīng)研究,項(xiàng)目部技術(shù)人員認(rèn)為該區(qū)域具備實(shí)現(xiàn)自然崩落的條件。通過自然崩落法,釋放采空區(qū)的巖石應(yīng)力,且該采空區(qū)周圍崩落的巖石能夠?qū)ζ溥M(jìn)行充填。

      但為了防治以上空區(qū)在崩落過程中產(chǎn)生的沖擊氣浪對(duì)該區(qū)域人員和設(shè)備造成傷害,同時(shí)為了減少井下新鮮風(fēng)流的損失,項(xiàng)目部技術(shù)人員采取了設(shè)置巖石阻波墻和混凝土阻波墻的方式將以上空區(qū)與生產(chǎn)巷道隔離開,保證了該區(qū)域作業(yè)人員、設(shè)備和設(shè)施的安全。 通過采取崩落隔離法對(duì)以上采空區(qū)進(jìn)行處理,項(xiàng)目部技術(shù)人員對(duì)該區(qū)域較理想地進(jìn)行了地壓控制,取得了良好的治理效果。

6 結(jié) 語

      采空區(qū)一直是金屬非金屬地下礦山開采過程中潛在的巨大隱患,隨時(shí)可能對(duì)現(xiàn)場作業(yè)人員的 生命安全和作業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備設(shè)施產(chǎn)生巨大的威脅,因此,對(duì)采空區(qū)采取合適的方法進(jìn)行治理是一個(gè)至關(guān)緊要的問題。同時(shí),不同的采空區(qū)處理方法具有各自的優(yōu)缺點(diǎn),因此,根據(jù)各礦場的實(shí)際情況選擇合適的采空區(qū)治理措施就顯得尤為重要。只有選擇了合適的治理措施才能達(dá)到既經(jīng)濟(jì)、高效,又能對(duì)采空區(qū)進(jìn)行良好處理的效果。