松江铜矿采空区治理方案优化

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摘要：松江铜矿从1969年开始建设，目前生产规模为1000t/d，33万t/a。井下浅部为铜锌矿体，为目前主要开采矿体。矿山主要采用浅孔留矿法开采，经过40多年的生产，浅部铜锌矿体基本采完，进入残采阶段。因此，矿山采空区治理是矿山生产延续的前置条件。

关键词：铜矿；浅孔留矿法；采空区

矿山采空区分布情况复杂，如果调查不清，加上难以控制，极容易造成采空区失稳，而采空区失稳容易危害性较大的矿山地质灾害，影响造成经济损失，重者造成人员伤亡及巨大的经济损失，严重影响到人民群众的生命财产安全。如何在保证采空区稳定的前提下，进行钨钼矿体的安全开采，既要保证矿山生产的平稳过渡，又不能发生地质灾害，是矿山目前面临的最大问题。采空区的稳定性研究及其治理方案选择是矿山必须要解决的问题。同时，浅部及深部铜锌矿体开采面临枯竭，亟需开展深部下盘钨钼矿体的开采，以延续矿山服务年限。下盘钨钼矿体开采时，由于上盘铜锌矿体采空区的存在，空区会对开采产生影响，同时下盘矿体的开采也会影响上盘空区的稳定性。因此，深部钨钼矿体开采时，采矿方法的选择、矿体开采和上盘空区相互影响研究，对保证矿山安全生产、促进矿山可持续发展的具有重要意义。

1采空区现状

1.1采空区分布

矿山从1969年开始建设，目前生产规模为1000t/d，33万t/a。井下浅部为铜锌矿体，为目前主要开采矿体。深部为钨钼矿体，尚未开采。矿山主要采用浅孔留矿法开采，经过40多年的生产，浅部铜锌矿体基本采完，进入残采阶段。因此，深部钨钼矿体的开采是矿山生产延续的必然趋势。由于+90m中段（六中）以上的矿柱回采结束后，上盘围岩一直没有及时崩落。地表局部已出现凹陷，但尚未冒透至地表。经过统计核算，井下采空区共计约311.01万m3，92%的空区集中在5个比较大的区域内。为便于描述，分别将这5个大型空区命名为1#空区（绿色区域，原8号铜矿体13线至0线区域和原49号铜矿体区域）、2#空区（红色区域，原17号铜矿体区域；蓝色区域，原43#、44#及8#南翼铜矿体区域，主要位于+210m～+10m中段，3-2#勘探线~0#勘探线之间）、4#空区（棕色区域，主要位于+50m～+330m中段，1#～6#勘探线之间，即原8#铜矿体1线至6线区域）、5#空区（洋红色区域，主要位于+130m～+330m中段之间，6#～8#勘探线线之内）其他零散空区，由于规模较小，不列入分析范围。1号空区分布范围最广、空区体积最大、产状最复杂。以1#线为界，1#线以东的1号空区主要由东部原六个采场采完后形成，部分区域贯通上下中段。但由于爆破作业不到位，导致部分区域顶底板及间柱崩落不彻底，形成悬臂梁，将矿岩卡住。尤其顶板欠挖严重。同时，由于悬臂梁的存在，部分未及时爆破落下的矿体片帮、冒落，沿由悬臂梁形成的坡面汇入其它已贯通的采空区，堵塞其它采空区出矿进路。1#线以西的6中段7#线至13#线是所有中段1号空区暴露面积最大的一部分，整个空区基本形成一个整体，少数区域留有间柱。通过地质资源分析可知，矿山下步开采的51号钨钼矿体主要也分布在1号空区下方。因此，1号空区是否能保持其稳定性、下部矿体开采扰动对其影响是否明显，将成为矿山是否能安全生产的重点。采空区平面图见图1。

1.2目前采空区治理情况

为了防止上部大量空区围岩突然冒落的危害，矿山根据井下实际情况，于1997年10月提出了《松江铜矿采空区处理方案》，方案主要内容为“不开天窗，不崩落围岩，井下西沿将+170m中段底柱+130m中段顶柱留作保安隔离层，东沿用+210m中段底柱和+170m中段顶柱做隔离层，同时保留部分矿石做垫层，封闭与空区相联系的巷道，使空区与井下设施相隔绝。”为落实上述方案，矿山已将50m中段以下1#采空区13-15线至5线在生产过程中，已用废石充填结束的部分采空区与中段主运巷道相连的穿脉实施了浆砌石硬封闭，90m中段以下7线至1线1#采空区在矿山日常生产过程中已用废石进行充填，充填结束并与中段主运巷道相连的穿脉进行了浆砌石封闭。保证每一个采空区都形成了20m以上的保护层，避免矿山生产时爆破产生的振动将其破坏；为了保证安全，对+50m中段以上部分石门进行了浆砌石补加封闭，确保主井、副井、风井及各系统安全。对生产中段+10m中段生产结束的穿口进行了围岩崩落，同时保证空区垫层20m以上，穿口进行了浆砌石硬封闭，保证冲击波不会摧毁。

2治理方案

国内外矿山空区处理方法大致有五种：崩落围岩法、充填法、支撑法、封闭隔离法以及联合法处理空区。结合矿山现场实际情况，在实际空区治理过程中，需根据矿山实际情况，如矿石价值、技术条件、施工能力等综合考虑，选择合适的治理方案。

2.1空区治理方案

1#空区为矿区第一大的空区，为原8号铜锌矿体开采完所形成。1#采空区经过一期充填治理后，形成3个独立采空区，这3个采空区体积分别为32.96万m3、89.06万m3、10.42万m3。每个采空区体积均小于100万m3，为了下一步钨钼的开采更安全可靠，将与之开采可能有扰动关系密切的32.96万m3的采空区继续进行废石充填至170m中段隔离层位置，其他2个独立采空区距离钨钼开采较远，采用混凝土挡墙+崩落围岩封堵治理。在目前市场价格下，采用隔离矿柱的方法需要成本最小，同时工艺较为简单。设计在长沙院“留设15m3隔离矿柱”的方案基础上，增加了采用废石对该空区进行部分充填及部分联通空区的巷道封堵等联合法治理1#采空区的方案，截至目前，已经充填空区33万m3，企业将继续进行充填1#采空区至170m中段的留设隔离层位置。通过以上几种方案同时治理1#采空区，1#采空区能够达到稳定的状态。

2.2空区治理方案

2#空区为该矿山第二大空区，为原17号铜锌矿体开采完所形成。6号空区主要位于-30m～+210m中段之间，2#～9#勘探线线内，空区体积约为75.58万m3。2号空区技术上可行的治理方法主要有封闭采空区、充填法、留隔离层和联合法四种。由于2号空区对本次设计钨钼矿体开采影响较小，考虑到矿山实际生产情况及经济效益，推荐采用封闭采空区法治理。

2.3采空区治理方案

3号采空区为原8#南翼、43#、44#铜锌矿体采后形成，体积约为17.81万m3，主要位于+210m～+10m中段，3-2#勘探线线~0#勘探线之间。通过分析可知其安全稳定性为三级，较稳定。但由于3号空区位于1号、2号空区中间，开采扰动后，地应力重新分布对其影响较大，考虑到安全、经济等各方面因素，采用封闭法处理采空区。

2.4采空区治理方案

4号空区为原8#铜锌矿体采后形成，也是该矿山较大的空区，体积为42.33万m3，距离下阶段开采区域较远。但由于0线至2-4线采空区地表错动范围内有矿区公路，因此，这部分采空区在300m中段需要进行废石充填，其他考虑到安全、经济等各方面因素，采用封闭法处理采空区。

2.5采空区治理方案

5号空区为原8#铜锌矿体采后形成，体积约为9.85万m3，距离下阶段开采区域较远。考虑到安全、经济等各方面因素，拟采用封闭法处理采空区。根据矿山采空区的统计结果，5#采空区可能的最大冒落气体速度v均小于气流安全速度。因此，不需要像前述封堵措施一样，仅用木板封闭采空区即可。

3现行措施

3.12015年以前采空区治理情况

为了防止上部大量空区围岩突然冒落的危害，矿山根据井下实际情况，于1997年10月提出了《松江铜矿采空区处理方案》，方案主要内容为“不开天窗，不崩落围岩，井下西沿将+170m中段（四中）底柱+130m中段（五中）顶柱留作保安隔离层，东沿用+210m中段（三中）底柱和+170m中段（四中）顶柱做隔离层，同时保留部分矿石做垫层，封闭与空区相联系的巷道，使空区与井下设施相隔绝。”该方案经哈尔滨市冶金工业总公司1997年12月组织专家评审，认为矿山提出的修改补充方案技术上可行，安全上可靠，经济上合理，提出了定期观测、做好地表陷落范围管理、保护好西沿通风系统等评审意见，评审通过了该方案。矿山已按《松江铜矿采空区处理方案》补充方案在井下+210m中段（三中）东沿，+170m中段（四中）西沿以上留有保护隔离层，东沿的+210m中段（三中）底柱和+170m中段（四中）顶柱留设为8m厚的保安矿柱，形成了与上部采空区的保护隔离层，在保护隔离层上留有20~25m厚的矿、岩垫层；矿山随后已将50m中段（七中）以下1号采空区13~15线至5线在生产过程中，已用废石充填结束的部分采空区与中段主运巷道相连的穿脉实施了浆砌石硬封闭，90m中段以下7线至1线1号采空区在生产过程中，已用废石充填结束的部分与中段主运巷道相连的穿脉实施了浆砌石硬封闭。所有采空区都形成了20m以上垫层，保证冲击波不能摧毁；为了更保证安全，对+50m中段（七中）以上部分石门进行了浆砌石补加封闭，确保主井、副井、风井及各系统安全。对于生产中段+10m中段（八中）生产结束的穿口进行了围岩崩落，同时保证空区垫层20m以上，穿口进行了浆砌石硬封闭，保证冲击波不会摧毁。矿山按照《08年复产会议纪要》要求，坚决不回采纪要提出的“四个不能采，四采四类矿段”，对空区采取“隔离柱”“垫层防护”“封堵墙”“地表隔离屏护”的措施，经多年连续进行观测，未发现有较大地压活动迹象。

3.22015—2021年期间采空区治理情况

（1）一期采空区治理情况矿山组织浙江省苍南县鸿基建设工程有限公司对一期治理工程进行施工，委托黑龙江省冶金工程建设监理有限责任公司进行监理。2017年1-12月，矿山按照黑龙江省冶金设计规划院编制的《哈尔滨松江铜业实业有限责任公司采空区治理工程项目设计》及监理单位现场审查，通过“废石充填崩+崩落围岩、阻断连续空区”的方式，在+90m中段（六中）、+50m（七中）建立充填工程，利用现有设备及废石场废渣对1号采空区进行了系统治理，治理采空区共计30×104m3。2018年初，相关专家对松江铜矿采空区进行现场探查，截止2018年1月累计治理采空区约178×104m3，测算剩余采空区体积约132.4×104m3。通过连续近四年的采空区专项治理，采空区的总量已降到132.4×104m3，分别为89.06×104m3、32.96×104m3，10.42×104m3三个不连续采空区，二期步将继续对剩余的采空区进行相关治理，避免安全隐患的存在。一期空区治理工程完工后，哈尔滨松江铜业实业有限公司组织设计单位、施工单位、监理单位对一期空区治理工程项目进行验收，验收结论为“工程符合竣工验收条件，可以投入使用”。（2）二期采空区治理情况经一期治理后，1号采空区还剩余132.44×104m3采空区未治理，剩余采空区分别形成3个独立的采空区，第一个为170m中段以下、13线至7线间32.96×104m3采空区；第二个为170m以上、13线至1线间89.06×104m3采空区；第三个为210m以下、1线至2线间10.42×104m3采空区。二期对以上范围的剩余采空区进行治理。2018年初至2020年末，矿山按照《哈尔滨松江铜业实业有限责任公司采空区治理工程项目设计》继续对二期治理工程进行施工，并于2020年初完成全部治理工程。针对剩余三个独立采空区利用“混凝土砌筑+崩落围岩和混凝土砌筑”等封堵方式进行治理。同时，为了下一步钨钼的开采更安全可靠，矿山利用探矿、采矿掘进废石和废石场废石，将与之开采可能有扰动关系密切的32.96×104m3采空区进行了废石充填，根据矿山提供的台账，废石充填采空区共计20.11×104m3，充填率约61%。二期采空区治理完成后，矿山成立验收组，进行了自验收，对封堵工程质量等进行了重点验收。

4问题和建议

（1）矿山开采多年，井下产生了较多采空区，目前矿山已对铜锌老采空区治理开展了治理工作。为了确保安全，矿山仍需加强地表位移监测和井下地压监测，及时掌握地表位移变化情况和井下地压活动规律，预测预报地质灾害。（2）目前来看，新采空区无危险度极高区域，但为了后续钨钼矿体的开采安全，建议对新采空区进行综合治理。（3）为减小爆破振动对封闭采空区围岩的扰动，矿山今后开采应采取控制爆破等必要的安全技术措施。（4）钨钼矿体开采位于采空区下方，为保证回采安全，留设了隔离矿柱和采场矿柱维持围岩的稳定性。在未采取相应措施（如废石充填、加强支护等）的情况下，严禁抽采矿柱。（5）建议矿山今后采用充填法开采，通过生产组织和管理，兼顾经济效益与安全环保同时并举的原则，正确处理好采矿与充填的关系，减少采空区暴露面积和时间，确保矿山安全生产。（6）本矿区水文地质条件属中等类型。空区虽未贯通地表，但为了防止地表水经断层、导水裂隙带渗入到井下，建议矿山在矿区内采取修筑排洪沟等措施。同时，完善井下排水系统，避免采空区积水，生产过程中，坚持“有疑必探、先探后掘”的探水方针，杜绝开采过程中发生水害。（7）采空区的监测。考虑到钨钼矿体位于空区的下盘，开采的安全性势必会受到上盘空区的影响。建设单位采用先进的微震监测系统监测采空区的稳定性，确保钨钼矿体的回采安全。微震监测的范围与对象为7线至11线、50m（七中）至10m（八中）标高范围内采空区。

作者:赵德伟 陈琪 甄东来 单位:黑龙江省冶金设计规划院