1 概 述

      塔中矿业井巷工程位于塔吉克斯坦卡拉库姆市阿尔登-托普坎塔中矿业有限公司铅锌矿区,距离塔国首都杜尚别约400km,距离塔国第二大城市胡占德(苦盏)约100 km。该矿区为前苏联时期塔吉克斯坦的一座大型铅锌矿,拥有派布拉克、阿尔登-托普坎、北阿尔登-托普坎、恰拉塔4个铅锌多金属矿采矿权,以及巴雅尔别克、别列瓦尔、乌茨卡特雷3个铅锌多金属矿探矿权,保有矿石资源储量约1.1亿 t。该矿区于2006年由塔中矿业开始恢复生产,对阿尔登-托普坎、派布拉克、北阿尔登-托普坎3个铅锌矿区进行开采,采选能 力已达400万t/a,至今已采出的矿石量超3 000万t。

      该矿区的矿床类型主要为矽卡岩型,主要含矿部位为层状与透镜状矽卡岩矿体,赋存于花岗闪长斑岩岩脉与石灰岩接触带。矿区水文地质类别为中等,工程地质条件属中等复杂程度。巷道两帮、顶板以及矿体上下盘围岩多为花岗闪长岩、灰岩、变质砂岩和变质喷出岩,含矿岩石为矽卡岩,矿山中大面积区域的岩石受强烈构造破坏形成矿岩中的衰减带,导致矿山局部巷道内出现塌落和坍塌现象,其上、下盘围岩及含矿岩石一般属中等稳定岩石,局部构造带上的岩石稳定性较差。其岩石硬度系数分别为:矿石:f=8~12;砂岩、矽卡岩:f=10~12;灰岩:f=6~10;花岗岩:f=12~14。

      金属非金属矿山的采空区具有隐蔽性,自身失稳造成的直接灾害及次生灾害种类繁多,危害极大。在金属非金属矿山中,由于地压的作用,采空区极易出现冒顶片帮,其为采空区动力失稳的主要表现。经过长时间的搁置,采空区的稳定性会越来越差,甚至可能诱发二次灾害,例如空气压缩流、岩体崩落、地表塌陷等,将造成人员和设备不可估量的损失。金属非金属地下矿山采空区可能导致的各类灾害情况见表1 。

2 地下矿山采空区的形成及具有的特征 

2.1 采空区的概念及特征

      目前对于采空区的定义并没有统一的规定。《矿山安全术语》GB/T 15259-2008中将采空区定义为“采矿以后不再维护的地下和地面空间”,而《采空区工程地质勘察设计实用手册》中则将采空区定义为“人们在地下大面积采矿或为了各类目的在地下挖掘后遗留下来的矿坑或洞穴”。采空区与地压关系密切,而地压通过采空区可以 形成灾害,因此,采空区具有诱发地压灾害的风险。金属非金属地下矿山中所指的采空区侧重于矿体开采完成之后留下的空间。

      金属非金属地下矿山采空区具有的特征: 

      (1)在矿山采掘过程中形成,为作业之后遗留的空间; 

      (2)具有诱发地质灾害的风险; 

      (3)随开采作业变化。

2.2 采空区的分类及其具有的特性

      采空区按照不同的分类标准可以分为以下不同的种类并具备相应的特性。

      (1)按照采空区的大小分类可以分为独立采空区和采空区群。独立采空区在空间位置上相距较远,采掘作业对其扰动频次低。因此,独立采空区的稳固性一般较好,但需要注意其体积大小和顶板暴露时间的长短对其稳固性的 影响。采空区群在空间位置上分布密集,甚至采空区之间相互贯穿或只间隔矿柱。采空区群中的采空区之间相互影响,采空区群的稳定性取决于各个采空区之间的相对稳定。新采空区的形成会破坏采空区群中的力学平衡而导致其应力重新分布。采空区群是近距离采掘作业的结果,采掘过程不断扰动围岩,其扰动范围和程度远大于单个采空区扰动相加。

      (2)按照采矿方法分类可将采空区分为空场法采空区、充填法采空区及崩落法采空区。空场法采空区又可分为房柱法采空区、浅孔留矿法采空区和阶段矿房法采空区。房柱法采空区往往体积和表露面积较大、放置时间久;浅孔留矿法采空区体积较小、易于观测、形态狭长、暴露时间长;阶段矿房法采空区体积巨大、倾角较大,对其应及时进行处理。充填法采空区的体积往往较小且存在时间较短,稳定性相对较好;崩落法采空区的体积和形态均无法控制和预测,其位置隐蔽,难以探测,围岩裂隙发育,稳定性差,极易引起地表塌陷。

      (3)按照采空区形成的时间分类可将采空区分为老采空区、现采空区和未来采空区。老采空区与现在生产系统的关联性极小。很多老采空区 都是历史遗留的,其相关资料少或无,形态不清,情况不明,边界不明,治理难度大;现采空区是矿 山地压管理的重点,必须严格控制其暴露时间及 面积,及时进行处理;未来采空区尚未形成,一方面,可以通过研究岩层的移动对采掘工程的影响 合理规划收回保安矿柱;另一方面,可以通过计算地表移动和形变的特征值提前对受影响的建筑物 采取保护措施。

      (4)按照采空区的形态分类可将采空区分为房状采空区和矿体原型状采空区。房状采空区前期较为规整,其有矿柱相隔,顶底板稳定性较好;经过进一步采掘后大片采空区相连,极易发生严重的地压灾害。矿体原型状采空区是小规模矿体采掘之后形成的采空区,其形状和矿体基本一致,应及时进行处理。

      (5)按照其与地表联通的分类可将采空区分为明采空区和盲采空区。明采空区是指顶板在人 为或自然塌陷的情况下与地表贯通的采空区;盲采空区是指未与地表联通的采空区,出现大面积 冒顶片帮时可形成速度为每秒数千米、压力为每平方厘米数十千克的空气冲击波,对井下建筑、设备和人员造成不可估量的损失。

3 影响采空区结构稳定的因素

3.1 采空区的结构

      (1)采空区围岩结构类型。围岩的结构主要由结构面和结构体组成,它们对围岩的物理力学性质和被破坏时的受力形变过程起着决定性的作用,是采空区围岩稳定的最基本要素。

      (2)采空区的围岩质量。采空区的围岩破碎程度、侵蚀程度、是否连续是采空区稳定的内在因素。围岩质量的高低直接决定采空区的稳定性。

      (3)采空区的形态。影响采空区稳定性的直接性因素是采空区的形态,采空区的形态包括采空区的跨度、倾角大小、规模及边界等。

3.2 采空区的埋藏条件

      (1)采空区的埋深。采空区的埋深是影响采空区稳定的变化条件:埋深的增加会导致采空区的应力集中和释放程度增加;埋深越深其地质条 件越差,岩石性质越会发生较大改变,从而影响采 空区的稳定。但是,当采空区的深厚比大于150倍时,其影响非常小。

      (2)作业过程影响。两个相距较近的采空区围岩地压要比合并成大跨度采空区之后的地压显示更强烈。同时,在作业过程中,频繁的爆破作业也会对采空区的稳定性产生不良影响。

       (3)地下水及温度影响。地下水和温度除了能对采空区埋藏条件进行影响外,还会影响岩石 的质量,是影响采空区稳定性的重要因素。

4 对采空区治理采取的措施

4.1 采空区的治理措施

4.1.1 采空区的基本处理方法

      (1)崩落法:系指采用崩落围岩的方法处理采空区,具体可分为自然崩落法和强制崩落法。

      (2)充填法:系通过对采空区进行充填以达到阻止围岩移动、控制地压的目的。

      (3)支撑法:系采用永久矿柱对顶板进行支撑的方法。 

      (4)封闭隔离法:系将采空区与生产区域封闭隔离起来,防止空区冲击波对生产区域产生危害的方法。

4.1.2 采空区联合处理法

      已知的联合处理法有5种,分别为: 

      (1)支撑充填法即采用废石充填框架内的采空区,旨在维护空区之间夹墙的稳定性,防止大规模空场倒塌,以保证矿床回采的顺利进行。 

      (2)崩落隔离法为封闭、隔断放顶崩落区域与开采系统之间联系的方法。旨在释放部分顶板的应力并避免人员误入、风路混入崩落区而造成危 险和损失。

      (3)矿房崩落充填法采用的是先崩落采空区顶板,再胶结充填;或先胶结充填,在料浆尚未固结前崩落矿房顶板;或按前述两种方法进行多次 操作。其所形成的胶结体比一般充填料形成的胶 结体强度高25%~30%,但其比一般胶结充填法 降低充填成本约30%~60%,且控制地压和岩石移动的效果较好。

      (4)支撑片落法是用矿柱(人工、天然)支撑隔离采空区,变大空区为小空区并通过自然冒落形成废石垫层的空场处理方法。

      (5)控制爆破局部切槽放顶的技术要点:采用控制爆破,在顶板应力最大的地方进行切槽放顶,强制引起顶板冒落并尽可能使冒落接顶,从而使采空区小型化并与生产区域隔离、将废石排入处 理过的采空区以削弱自然冒顶发生的可能,消除 不安全分布的应力,消除或削弱冲击地压。

5 塔矿项目采空区采取的处理措施

      由于阿尔登-托普坎铅锌矿区及北阿尔登-托普坎铅锌矿区是前苏联时期遗留下来的矿区,许多技术资料已经丢失,包括以前采区及巷道的相关图纸,导致项目施工区存在许多老采空区,从而 大大增加了采空区治理的难度。已探明的老空区如下: 

      (1)高程970m分层1104-1空区及1104-2空区; 

      (2)高程1276 m 分层空区;

      (3)高程1105m 分层8201-1空区。

      由于高程970m 分层1104-1空区及1104-2空区、高程1276m 分层空区及高程1105m 分层8201-1空区暴露时间较久,且其受到施工震动的影响,该区域内的岩体已经出现部分破坏的前兆,经研究,项目部技术人员认为该区域具备实现自然崩落的条件。通过自然崩落法,释放采空区的岩石应力,且该采空区周围崩落的岩石能够对其进行充填。

      但为了防治以上空区在崩落过程中产生的冲击气浪对该区域人员和设备造成伤害,同时为了减少井下新鲜风流的损失,项目部技术人员采取了设置岩石阻波墙和混凝土阻波墙的方式将以上空区与生产巷道隔离开,保证了该区域作业人员、设备和设施的安全。 通过采取崩落隔离法对以上采空区进行处理,项目部技术人员对该区域较理想地进行了地压控制,取得了良好的治理效果。

6 结 语

      采空区一直是金属非金属地下矿山开采过程中潜在的巨大隐患,随时可能对现场作业人员的 生命安全和作业现场的设备设施产生巨大的威胁,因此,对采空区采取合适的方法进行治理是一个至关紧要的问题。同时,不同的采空区处理方法具有各自的优缺点,因此,根据各矿场的实际情况选择合适的采空区治理措施就显得尤为重要。只有选择了合适的治理措施才能达到既经济、高效,又能对采空区进行良好处理的效果。