金属矿山采空区处理方法综述

金属矿山采空区处理方法综述 金属矿山采空区处理方法综述 黑龙江冶金 金属矿山采空区处理方法综述 徐江,崔栋梁2,陈琪 (1.内蒙古赤峰诺尔盖铜矿,内蒙古025175;2.中南大学资源与安全工程学 院,410083; 3.黑龙江省冶金设计规划院,黑龙江哈尔滨150040) 摘要:金属矿山地下矿床开采必然形成采空区,而采空区的形成,使周边一定范围 的岩体应力重新分布,导致 岩石变形,破坏和移动,成为生产的安全隐患.在介绍国内外采空区处理经验的基 础上,着重对采空区处理方 法做了叙述和分析,并对其发展趋势进行了探讨. 关键词:金属矿山;采空区;处理 改革开放后,中国经济持续增长,强大的内需 有力地拉动了国内矿业市场的繁荣.与之对应的 是大量新老矿山产量逐年增大,同时伴随的是金 属矿山地下采空区大量出现及大力治理采空区. 为了消除采空区在矿石开采中的安全隐患,国内 外矿山在近年来大力发展采空区处理技术,并取 得了一定的成果,使采空区处理技术与方法日趋 成熟.处理好采空区不仅仅是消除了潜在的安全 隐患,更重要的是为矿山的可持续发展奠定坚实 的基础.本文在介绍国内外矿山采空区处理发展 历程的基础上,重点对采空区处理技术,方法及现 状做了叙述和分析,并对其发展趋势进行了探讨. 1金属矿山采空区处理技术的发展 随着采矿事业的发展,金属矿山地压控制问 题日益突出.其中一个重要的原因就是地下采空 区的日益增多及多个采空区的互相贯通造成的. 在采矿业发展的初期,用空场法或者其他方 法回采矿石后留下的空区一般并不处理,而是避 开这些可能对采矿活动造成影响的空区,另找矿 体进行开采,空区也没有对采矿活动造成多大的 影响.随着全球矿产资源的争夺进一步升级,其 显得愈发宝贵,这种情况下,空区附近这些矿体也 就成为矿山开采的对象,于是,如何治理采空区成 了矿山可持续发展的瓶颈. 随着技术手段的不断成熟及多年来国内外治 收稿日期:2007—07—24 理采空区经验的不断丰富,现在的采空区治理技 术及方法已经趋于成熟. 2金属矿山采空区分类方法 采空区的类型因矿体形态,规模,采矿方法, 处理时间的不同而异.不同类型的采空区,其处 理方法,危害情况等也有所区别…1. 2.1按照不同的采矿法分类 空场法回采形成的空区特点是空区体积大, 空区周围岩体有一定的稳固性,能暴露一定的时 间,空区的形态,大小相对来说易于观测.贵州汞 矿,寿王坟铜矿就是这类型的空区. 留矿法回采形成的空区特点是空区体积不太 大,空区周围岩体也有一定的稳定性,能暴露一定 的时间,空区的形态,大小也易于观测.如盘古山 钨矿,大吉山钨矿就是这类型的空区. 崩落法回采形成的空区是阶段崩落或分段崩 落法在盲矿体回采中,因围岩稳固,围岩滞后崩落 而形成的.这类空区的形态,大小以及空区体积 变化大小难以观测.往往需要钻凿一定的工程和 装备一些仪器才能了解其形态和大小.如铜陵狮 子山铜矿采用布置钻孔的方法,应用测深仪来测 定空区形态,大小.这类型空区要了解其冒落规 律和冒落的规模,垫层厚度要经受得了突然大冒 落的冲击. 应用充填法采矿的矿山,在回采过程中已即 2007年第4期 时用废石或尾砂,水砂,胶结充填料充填了采空 区.但有些矿山还会因充填料接顶不好,仍残留 了一部分采空区.一些用干式充填法的矿山残留 的空区量大些.但总的来说,这类型的空区量是 极有限的. 2.2按采空区处理时间分类【J 回采过程中及时处理的采空区.空区处理也 是回采作业的一个工序.充填法回采和崩落法回 采就属此类.这类型的采空区暴露时间很短就可 以得到及时处理. 嗣后处理的采空区,是在矿房出矿完毕,回采 结束后再进行处理的采空区.空场法和留矿法回 采后形成的采空区都属嗣后处理的采空区.这类 型采空区暴露时间相对较长.当空区未处理时, 有一定的安全隐患. 2.3按采空区规模大小分类 连续空区分全连续和部分连续两种.全连续 空区是将房间矿柱和中段矿柱回采后形成的.空 区体积大.有些矿体相交,甚至矿体之间的空区 都相通.空区的稳定性相对较差.为此,掌握好 连续采空区的极限空区体积是非常重要的. 不连续空区分为全不连续和部分不连续空区 两种.全不连续空区是房间矿柱和中段矿柱全不 回采,矿房之间或盘区间空区有矿柱隔开,中段之 间有中段矿柱隔开.不连续空区有矿柱支撑,空 区稳定性相对较好.但要注意矿柱的维持时间, 否则矿柱倒塌,空区垮落,不仅会损失资源,而且 还会危及矿山生产. 3空区处理方法 采空区处理的实质是转移应力集中部位,缓 解岩体应力集中程度,或使围岩中的应变能得到 释放,使应力达到新的相对平衡,以达到控制和管 理地压的目的,保证矿山安全生产l_3J.国内外矿 山空区处理方法大致有五种:崩落围岩处理空区, 用充填料充填空区,用矿柱支撑空区,封闭隔离处 理空区以及联合法处理空区. 3.1崩落围岩处理采空区 崩落围岩处理空区的特点是用崩落围岩充填 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.崩落围岩处理空区的 适用条件是: (1)地表允许崩落,地表崩落后对矿区及农业 生产无害; (2)采空区上方预计崩落的范围内,其矿柱已 回采完毕,井巷设施等已不再使用并已撤除; (3)围岩稳定性较差; (4)适用于大体积连续空区的处理; (5)适用于低品位,价值不高的矿体空区的处 理. 采用崩落围岩处理空区,能及时消除空场,防 止应力过分集中和大规模的地压活动.并且可以 简化处理工艺,提高劳动生产率.该法已为国内 矿山广泛采用.崩落围岩处理空区的方法可分为 自然崩落围岩和强制崩落围岩两种. 图1深孔崩落法处理采空区示意图【4 3.2用充填料充填处理空区 用充填料充填处理空区是从坑内外通过车辆 运输或管道输送方式将废石或湿式充填材料送人 采空区,把采空区充填密实以消除空区的一种方 法.用充填料充填空区的作用在于充填体支撑空 区,控制地压活动;减少矿体上部地表下沉量;防 止矿岩内因火灾;降低损失贫化.充填处理空区 可分干式充填和湿式充填两种: (1)干式充填处理空区 在我国有色矿山中,干式充填处理空区大多 用于矿体规模不大的中小矿山及老矿山.这种方 法劳动强度大,作业条件差,充填效率低.但这种 方法简单易行而且投资少.采用这种方法的有澳 大利亚芒特艾萨铜铅锌矿,漂塘钨矿,大厂矿务局 长坡锡矿等. (2)湿式充填处理采空区 湿式充填处理空区,目前应用得较广泛.根 据充填料的不同,又可分为混凝土胶结充填,尾砂 胶结充填,水砂充填等.湿式充填流动性好,充填 速度快,效率高.但需一整套充填输送系统和设 施,胶结充填成本高,投资大.在上部矿体和矿体 上部地表需保护以及品位高或矿岩自燃的有色矿 黑龙江冶金 山使用较多.如前苏联乌姆博泽罗矿,西林铅锌 矿等. 园水泥仓电耙一 图2简易尾砂充填系统示意图I5 3.3留永久矿柱或构筑人工石柱处理采空区 留永久矿柱或构筑人工石柱处理采空区,一般 用于缓倾斜薄至中厚以下的矿体,用房柱法,全面 法回采,顶板相当稳定,地表允许陷落的矿山.国 内有些有色矿山用这种方法处理采空区已取得一 定成效.贵州省的一些汞矿,广西泗顶铅锌矿,大 厂矿务局长坡锡矿等都用这种方法处理采空区. 用矿体支撑空区,在矿柱量不多的情况下,不 仅在回采过程中能做到安全生产,而且在回采结 束后空区仍不垮落,达到支撑空区的目的.其关 键是矿岩条件好,矿柱选留恰当,连续的空区面积 不太大.但也有一些用矿柱支撑空区的矿山,随 着时间的推移和空区暴露面积的增大会出现大的 地压活动危及矿山生产.因此,决定用矿柱支撑 处理采空区时,必须认真研究岩体力学,地质构造 情况,以便得到合理的矿柱尺寸并预测地压情 况_6_. 3.4封闭和隔离处理采空区 封闭和隔离处理采空区是一种经济,简便的 方法,多在下列情况下应用: (1)一些孤立的旧小矿体开采后形成的空区, 围岩稳固,空区若冒落也不会影响周围矿体的开 采; (2)一些大矿体开采后形成连续的采空区,空 区下部仍需继续回采者. 使用该法处理采空区的有色矿山是比较多 的,如:大冶有色公司新冶铜矿,易门铜矿狮子山 分矿等. 在封堵采空区时,要在采空区附近通往生产 区的巷道中,构筑一定厚度的隔墙,使采空区中围 岩崩落所产生的冲击气浪不至造成危害.因此, 构造充分的缓冲层厚度或通往采空区的通道封堵 长度是采用封闭法处理采空区的关键. 对采空区通道实行封堵时,封堵方式及设计 长度可参照T?M?马拉霍夫所提出的计算气体速 度公式计算: = 式中:Js一采空区顶板暴露面积,m2;g一重力加速 度,m/s2;h一顶板冒落的高度,m;叼一顶板冒落系 数,'7=0.1,0.9;S一可供逸出气体巷道的总断 面积. 3.5联合法处理采空区 在一个采空区内同时采用两种或两种以上方 法处理来共同达到处理采空区目的的为联合法处 理空区.目前,联合法处理采空区的方法有矿柱 支撑与充填法联合,封闭隔离与崩落围岩联合等. 我国有色矿山使用联合法处理空区已有多年,应 用的矿山有盘古山钨矿,牟定铜矿等. 4采空区处理技术及方法的趋势及 发展前景 随着采矿事业的飞速发展,采空区的处理技 术和方法也越来越多样化,但消除矿山安全隐患 的主旨不会发生变化.在未来的采矿活动中,笔 者认为其发展前景乐观,能更加有效地控制地压 活动来预防灾害的发生. (1)空区处理方法的多样化.不仅仅局限于 目前的技术和方法,且能灵活多变地处理空区. (2)随着新型材料的发展,用充填法处理空区 的一些想法即将得到实现. (3)处理空区的技术和方法进一步成熟后,空 区近区开采成为一项常规采矿活动. 参考文献 [1]杨殿.金属矿床地下开采EM].长沙:中南工业大学出版 社,1999.50—56. [2]丁金刚,徐林荣.某矿区?号采空区治理.爆破[J]. 2006.3:105—108. [3]郑怀昌,李明.地下采空区危险性及其分析.矿山压力 与顶板管理[J].2005.4:127—129. [4]朱红旗,刘军,张金龙.中深孔爆破在地下采空区处理 中的应用.采矿技术[J].2006.3:71—72. [5]江英海,潘锦平.采空区充填工艺技术在张马屯铁矿的 应用和发展.矿业快报[J].2004.12:41—42.