华宇菱镁矿露采生产中地下采空区危害及其技术对策

摘要:通过对华宇菱镁矿地下采空区的基本特征研究及其稳定性分析,阐述了地下采空区对露天开采的影响及危害,从理论和实践的角度强调了露天开采面临地下采空区的威胁,提出了消除采空区对生产危害的防治措施与技术手段。

关键词:地下采空区 露天开采 工程地质条件 防治技术对策

引言

华宇菱镁矿于1958年初由鞍钢大石桥镁矿开始小规模开采,鞍山冶金地质勘探公司四六队和水文地质队对该区进行了多期勘探。2000年前,该矿由多家民营矿山无序开采,其坑道及采空区几乎遍布全区,东起Ⅻ线西止ⅩⅤ线均有地下采空区。目前已测到的坑口就有17处,其中镁矿坑口10个,滑石矿坑口7个。各坑口的底板标高由121.2～192.1m不等,采空区的顶底板高差为3～20m,平均为12m左右。这些采空区不但导致矿石储量大量消失,而且严重影响了矿山的安全生产,并造成矿石回采率下降。

1.矿山概况

华宇菱镁矿位于营口宽甸古隆起之营口断块。矿区属大青山～大葳子山～山角山山脉的一部分,为剥蚀丘陵地貌,山势起伏不平,地形切割中等,沟谷纵横分布,山脊走向大致NE,倾角15～25°。

矿区位于北东向复背斜构造的南翼,变质岩层呈单斜构造形态,走向60～70°,倾向南东,倾角自东向西逐渐变缓。断裂构造比较发育,主要有纵断层和横断层两组。菱镁矿赋存于前震旦纪辽河群大石桥组下部白云岩～菱镁矿段。矿体围岩上盘为白云大理岩夹千枚岩,下盘为黑云母片岩。夹石有滑石片岩、绢云母片岩、千枚岩、透闪白云岩及菱镁大理岩等。工程地质岩组特征表明,矿坑的赋矿围岩主要为大理岩和少量煌斑岩,岩性致密坚硬,稳定性一般较好,在构造发育部位,稳固性相对较差。

矿山目前主要有三个露天采场进行了开采,即华峪采场、范峪采场、青山寺采场。

2.地下采空区现状及稳定性分析

2.1 原地下采空区现状基本特征

1.采空区体积不清。现有采空区及之前老硐之间的空间组合、分布情况和对应关系都不清楚。目前尚能查清的仅有明空区,主要分布在工程地质条件较好的地区。另有暗空区尚未查清,主要分布在工程地质条件差的地区。矿区暗空场主要有两种类型,一是岩移塌陷区内的暗空区,一是古采老酮。目前据2006年底的不完全统计,地下采空区体积约为60万m3。

2.采空区边界不清。在开采初期出现采富弃贫、丢采的现象,加上塌落原因,许多空区轮廓不清。该矿在整合前,由于民采矿点进行无序开采,在矿区内120m水平以上遗留大量坑道及采空区,而在开采过程中又陆续发现新的采空区。

3.原地下采空区在剖而上有重叠现象,在平面上具交叉特征。多中段采空区投影在平面上形态千疮百孔,呈现重叠的蜂窝状。许多空场中坍塌受堵,上部及内部深处仍为未充填空场,增加了采空区的隐蔽性。

4.采空区顶板高度及形态控制程度不够。许多空场都是在中段闭坑后才进行调查,已无法深入到采场顶部,又因测量手段的限制,某些采空区顶板及边界不能控制。

5.地下开采方法不正规,矿柱留设无技术标准。原地下开采时主要用非正规房柱采矿法和全面采矿法,形成了状态各异的空区。采空区顶板的支承矿柱没有严格按岩性和受力情况进行设计、选择形状和确定技术参数,空区矿柱大小无统一规格。

2.2 采空区稳定性分析

华宇菱镁矿采空区的稳定性主要受到围岩特性及支承矿柱的尺寸强度和空区规模等因素制约。坑内的调查所见无岩体爆裂声响和矿柱微裂张开、剥皮等情况,多数空区顶板较完整。

研究认为,华宇菱镁矿采空区的稳定性受自重应力场控制。空区中承压矿柱出现拉伸、剪切破坏的情况极为有限,多数矿柱稳定性较好,对空区顶板起到了良好的支撑作用。仅在工程地质条件差的地区的暗空区有破坏现象。由此可见,华宇菱镁矿出现空区大面积连锁性破坏的岩移灾害条件不具备。但事实表明,采空区的存在对露采生产作业却造成了直接性影响和危害。

3.露天开采中的地下采空区危害

3.1 采空区现状灾害

1 滑塌地质灾害。现场调查,在已有露天采场见有3处滑塌点,崩落物为陡坡处白云岩、大理岩块石、碎石、砂土混杂堆积,规模在5～20m3,规模小,形成原因主要为采坡高陡,高度多大于15m,坡度大于70°,有的近直立形成陡崖,崩滑落物为坡顶残坡积碎石、砂土,坡面松散岩块、碎石。

2 井巷坍塌地质灾害。通过现场调查、访问,已有菱镁矿、滑石矿采空巷道停采后出现井巷坍塌,巷道井口坍塌人员已无法进入。经调查、访问核实,现已发现矿区内有四处坍塌。①ⅩⅣ线CK53孔南东40m巷道见坍塌,巷道顶板标高160.3m,采厚10m;②ⅩⅣ线CK54孔,东南约30m,巷道坍塌,巷道顶板标高170.1m,采厚约10m;③在ⅩⅢ线西约30m,巷道坍塌,巷道顶板标高153m,采厚约5m;④在ⅩⅢ线东约30m,巷道坍塌,巷道顶板标高139m,采厚约4m。其中①、③、④巷道坍塌顶板围岩为菱镁矿及菱镁大理岩,在岩石节理裂隙发育部位产生巷道坍塌冒落;②为巷道坍塌,巷道围岩为滑石片岩,由于岩体质软,凌空后在地压重力作用下顶板失稳产生坍塌。

3.2 采空区将导致的危害

华宇菱镁矿露天开采中,其下部空区存在的危害多表现为露大作业台阶的失稳破坏,其破坏类型不仅仅位于空区顶板之上,且与多种工程地质因素密切相关,构成了空区危害的多样性与复杂性。

1 露采工作台阶失稳危害。台阶失稳不仅波及范围大,且还可以诱发各种崩塌性灾害。实际观测发现,台阶体的沉陷、倾斜、拉伸性破坏性失稳,会引起台阶体外侧开裂,或产生崩塌性滚石,或片帮性松脱岩块,给生产人员和作业设备带来严重安全威胁。

2 露天工作台阶局部性塌陷危害。由采空区引发的露天工作台阶失稳,甚至塌陷、崩塌、滑塌。在露采场南部在节理裂隙发育带,中部F1断裂破碎带附近,西部F7断裂破碎带附近,北部岩矿体顺向坡段外,有可能引发崩(滑)塌地质灾害。

①预见性塌陷。这是一种依据调查资料预先确定的具体部位,通过生产性爆破或技术性处理揭穿空区顶板而引起的塌陷。在菱镁矿露天采场中部地段,分布大面积不同标高的采空区,矿山露天不同标高阶段开采,由开采爆破及运输机械震动,加之露天采开采空区顶板较薄时,在岩矿体完整性差、节理裂隙地段,F1断裂破碎带处则可能引发采空区塌(沉)陷,其规模可能不同,但塌陷可直接威胁危害作业人员及机械设备的安全。

②非预测性塌陷。这种塌陷危害性很大,多数情况是由于采空区资料不全,或空区复杂,探测手段难于控制,或其它(如工程衔接不合理)原因所致的暗空区造成的。矿区留下较多的规模不等的古采空硐,与采空区并存,影响作业平台的稳定性。

4.地下采空区危害的防治措施与技术对策

采空区的存在是导致台阶失稳破坏的最重要原因,但在受到工程地质条件差、开采工艺不合理、管理不到位及长期的爆破震动等因素影响时,会加速台阶体性态改变或失稳成灾。

4.1 采用有效技术查定地下采空区

1.实地调查。以人员可以进入明空场开展调查为特征,调查空场精度。在实践中以测量导入的井巷导线点为控制点进行编录的。用标准皮尺丈量长度,顶板高度配以激光测距仪确定。编录人员尽量至空场尽头,可以提高空场编录的精度。生产中可以用穿孔钻机实施机械探测,把握顶板厚度和空场分布轮廓。

2.机械探测法。根据矿区内采空区分布的基木状况,研究矿体形态与富集规律,分析围岩蚀变特征,结合现场形迹勘察认识,采用剔除圈定法,把暗空区的位置最大限度地框在一定范围内。然后,选用150型穿孔机或阿特拉斯等重、轻型钻机,实施现场探测,也可以结合生产作业进行。探测中要坚持从稳定一侧渐进的原则,确保安全并起到对暗空区的探明作用。

3.物理探测技术。矿区以赋存明空区及暗空区且散岩相互存在、广泛分布为特征,目前主要以探查暗空区为主,潜孔钻机成孔难度大,用机械探测方法难以在该区对暗空场实施探测。运用物理探测技术可以实现对暗空场探测,主要方法有:雷达波法微重力法、高密度视电阻率法和浅层地震法等。雷达波法和电阻率法在国内外已经得到采用,其准确率可达90%以上。高密度视电阻率法利用人工电场发生畸变的基本原理,对不同电阻率的岩石、矿石或空区探测时电场变化特点,获得不同介质的电阻率变化规律,达到对空区探测的目的。

4.2 确定地下采空区轮廓

建立采空区原始资料图形库。根据原始资料和图纸,进行地下开采空区的性态及其稳定性分析,按照不同的特点和状况好坏划类,为生产决策提供依据。通过资料图形库的建立,实现计算机管理,有利于对采空区资料的查找、分析,从而提高其利用率,为开采决策和技术研究提供准确快捷的信息。

4.3 防治措施与技术对策

为减轻和避免地质灾害对矿山建设造成危害,在矿山建设中应采取科学合理的防治措施。同时要加强对施工人员进行地质灾害教育,提高防灾意识和能力,制定发生突发性灾害的应急措施,避免不应有的损失。按照引发、加剧、遭受地质灾害类型结合治理工程规范和地质灾害防治经验提出灾害治理防治措施建议:

1.确定边坡的稳定性。由采空区引发的边坡稳定性失稳会造成边坡产生滑塌,边坡的稳定性计算方法可采用极限平衡法、应力应变法、(有限元法及边界元法)以及可靠性分析法(概率分析法)。[1]

2.防治措施。①崩塌、滑塌灾害防治措施。针对岩体的性质及边坡处形态,采用稳定的坡角,及时处理危岩或削坡,避免在坡上加荷载,对破碎处必要时进行喷锚。②井巷坍塌灾害防治措施。为防止井巷坍塌、片帮、冒落,对不稳定围岩、破碎带应支护、衬砌加固喷锚,要经常敲帮问顶,及时清理危岩体。③地面塌陷灾害防治措施。对露天采区中部采空区应进一步勘查,在不同开采阶段下部有采空区时,应采取提前崩落、采取落顶措施。④在地面岩移范围内可能产生塌陷区,要建立定期监测点进行巡视,地面建立警示牌和围栏网。已出现塌陷坑应利用渣石土回填。

3.遵守露天开采的规律。开采工作而不断在空间移动,台阶工作线不断扩展推进,采场不断延伸和扩大。因此,露天台阶体的稳定控制和平台的建设等都应与采空区的高度合理衔接,利于对采空区的生产探测和穿爆处理。露采中尤其要保持采矿和剥离工作的协调发展,遵循矿山工程的延深速度与工作台阶推进速度成比例发展的规律。严格规范台阶结构。根据工程地质条件,采矿工艺和设备作用等要求,合理确定台阶结构尺寸至关重要,要严格防止高台阶的危害。

4.维护地下采空区围岩的稳定性。对地表所有塌陷坑以及废弃旧巷,实行回填平坑处理,减少围岩应力集中积累的破坏现象。

5.控制爆破震动影响。尽量控制露天生产台阶的吨级爆破药量,严格查禁地下盗采矿柱的行为。

6.结合露采穿爆进行空区处理。根据地采空区规模大小及其状态、岩性条件、顶板高度等具体情况,可选用生产穿爆崩落空区顶板,或侧向水平(倾斜)钻孔爆破或VCR法拉槽等方法处理空区,可达到消除危害的目的。

5.结论

华宇菱镁矿采取以人为本,预防为主,预防与治理相结合的原则,在矿山建设中严格执行设计方案、规章制度和责任制,预防于细微之中。高度重视地下采空区对生产的影响,通过采用采空区围岩工程地质分区危害控制技术,对已查明的采空区采用深孔爆破法崩落大量矿石充填采空区,保证安全生产取得了显著的效果。

参考文献:

[1]采矿手册[M],冶金工业出版社,2005

作者简介:刘希伟,男, 1983年1月4日,辽宁沈阳,辽宁工程技术大学本科毕业,现在读工程硕士,现就职在辽宁地鑫源土地矿业评估咨询有限公司,主要负责采矿工程技术