碎石充填法处理复合采空区的应用实践

1、碎石充填法处理复合采空区的应用实践邓秀艳（洛钼集团矿山公司 邮编471542）摘 要：为了尽快消除隐患，降低空区事故发生，减少空区的危害程度，自2011年6月开始，经多次分析和论证，最终确定了D区深部1280m复合空区以上部分采用地表碎石充填钻孔为主，借助地表、地下微震监测系统24小时无间断监测手段为辅处理复合空区的方法进行治理的方案。该方案实施后提高了充填率，确保了空区再次处理的安全性，更为露天安全生产保驾护航。也为同类空区的处理提供了参考资料,值得借鉴与推广。关键词：D区深部1280m复合空区；地表碎石充填钻孔为主；地表、地下微震监测系统手段为辅；安全性；The application p

2、ractice of Crushed stone filling method for processing composite goaf Deng Xiuyan( Luomu Group Mining Company zip code 471542) Abstract: In order to eliminate the latent dangers, decrease the possibility of mine accident and reduce the extent of injury, a project that dig drill holes (filled with su

3、rface gravel) to 1280m above the composite goaf in D zone was made after numerous analysis and discussions, assisting with surface/underground 24-hour monitoring. After applying, this project improves filling ratio and ensures the safety of goaf reprocessing, greatly guarding opencast mining. Beside

4、s, this project provides valuable experience for the handling of similar guags and is worth of being took as a reference.Key words: 1280m depth complex goaf in D zone； Crushed stone filling method； goaf reprocessing;；safety0引言洛钼集团矿山公司的快速发展，原计划应该处理的采空区提前处理。虽说以前利用中深孔爆破等方法成功处理了部分浅采空区和深采空区；但如何安全高效地处理多层复

5、合采空区是摆在技术人员面前的技术难题，也成为研究的方向和要攻关的克题。而大量的复合采空区又是制约矿山正常有序生产和安全生产的障碍。洛钼集团三道庄露天矿境界内存在大量形态复杂规模巨大的高危空区群，给露天生产构成了极大的安全威胁。技术人员按地下采空区的赋存状态及复合状况从地表平面划分成A、B、C、D、E、F六个区域，而D区又为三道庄矿区内采空区最为密集的区段，地下空区具有分布范围广，空区规模大，采空区一旦塌陷影响范围大，破坏性强的特点。所以从2006年7月矿山公司就提到日程上，下决心想办法集中精力处理掉D区的复合采空区。至2011年4月28日D区内出现地压异常活动，集团公司立即将D区定为重大危险源

6、并采取相应防范措施进行综合治理。为了尽快消除隐患，降低空区事故发生，减少空区的危害程度，自2011年6月开始，洛钼集团与研究院组织有关专业人士，多次对D区异常区进行分析和论证，最终确定了D区深部1280m复合空区以上采用地表碎石充填钻孔为主，借助地表、地下微震监测系统24小时无间断监测手段为辅处理复合空区的方法进行治理的方案。该方案根据D区地质条件、空区条件及开采环境条件基本特征；分析了空区灾害的危险性，对空区顶板及围岩应力分布与位移状态进行数值模拟，并计算了D区采空区顶板安全厚度，对D区进行危险等级划分，并根据现有条件将D区整个范围进行了危险区划分：横7线横9线为安全区，横9线横13线为极危

7、险区，横13线横19线为危险区。同时提出了防治D区空区灾害措施，并建议加快D区内横9线横13线极危险区内1280m以上的空区治理，消除1280m水平以上的空区安全隐患，目的就是使该区段由极危险区变为一般危险区，从而使整个D区危险源等级由重大危险源变为一般危险源。通过新上马的微震监测系统，对D区范围内所有地表的活动及地下的采空区活动加强预警监测。为碎石充填保驾护航。1 碎石充填体作用机理碎石充填空区目的在于经过碎石充填来减少空区体积，改变空区自身应力分布，增强围岩的自身强度和空区内矿柱的承载能力，防止空区顶板的整体失稳或局部垮落。碎石充填体作用机理从不同作用角度分为以下几种：（1）碎石的填塞与充

8、实作用碎石充填空区后，碎石占有空区原有空间，直接减少空区体积，降低空区破坏程度和影响范围，改变空区原有的状态，使空区危险等级得以降低。就象一间空房子往里倒入颗粒后，总有颗粒堆满的时刻，这些琐碎的颗粒会相互磨合后稳定下来找到自身存放的空间与位置，彼此手拉手形成强大的凝聚力不容外界侵犯。（2）碎石充填体自身力学作用机理碎石充填空区后改变了空区帮壁及周围矿柱的应力状态，从而增强了围岩与矿柱的自支撑能力。空区在不充填的状况下，顶板岩石受压后可自由冒落，从而引起连锁的冒落和塌落而最终导致整个采场失稳。碎石充填接顶后，在空区内形成一个人工矿柱，不仅起到支撑作用，能延缓且有效阻止顶板岩石变形和位移，从而提高

9、顶板围岩的自身承载能力和强度。（3）充填体弹柔性支护与支撑作用机理碎石充填体虽经水泥砂浆混合但仍为散体，能保证围岩自身结构体系平衡状态下，缓慢释放围岩地压，二者相互作用下对围岩起到弹柔性支护与支撑的作用。2 D区横9线13线之间空区现状根据现有空区资料及钻孔探测情况该区段主要有底板标高为1376m、1350m、1340m、1280m及1280m以下的深部空区。其中1280m以上的空区处于极危险区是本次处理的重大隐患空区，此空区已利用钻孔探测与三维激光扫描技术将空区基本情况探测清楚。（1）1376m水平空区1376m水平空区前期已基本处理结束，只有2处孤立的小采场和部分巷道。（2）1350m、1

10、340m水平空区1340m、1350m水平空区基本重叠复合在一起，空区跨度大，顶板连续暴露面积大，上下空区隔层厚度小，且大部分位置相互采透。9-13线之间1350m、1340m空区面积达1.8万m2，空区跨度20-40m，采高8-16m。空区顶板至1390水平面厚度为30-35m，至1402水平面厚度为45m左右。（3）1280m水平空区1280水平空区位于1414、1402水平台阶面下方，呈东西方向条带状分布。空区跨度20-30m，采高16-50m，空区内矿柱少，顶板暴露面积大，且与上部1340、1350空区复合，上下两层空区之间有20-40m的隔层。1376、1350、1340及1280空

11、区参数见表2-1。 表2-1 空区参数表 Table 2-1 empty area parameter table序号空区水平(m)空区高度(m)空区面积(m2)空区体积(m3)备注1137665003000单层独立空区21350与1340复合空区81618000180000双层复合空区，空区面积广，矿柱少，暴露面积大3128016-505500160000复合高危空区，狭长分布，采高高，规模大合计240003430003碎石充填钻孔现场实施基于对碎石充填体作用机理和D区系统分析，近而改善空区围岩受力状态，增强围岩与矿柱的自支撑能力，降低空区危险等级。2012年上半年洛钼集团矿山公司对横9-1

12、3线之间1280m以上空区采用钻孔碎石充填法进行处理。 （1）地表钻孔布置1350m、1340m复合空区碎石充填钻孔布置：分别在1390m、1402m水平共布置8个充填钻孔，沿1350m、1340m空区长轴方向布置两排，钻孔孔距17m，排距为48m。钻孔孔径250mm。1280m空区碎石充填钻孔布置：分别在1414m、1402m水平共布置7个充填钻孔， 1280m空区跨度20-30m，沿空区长轴方向布置1排，钻孔孔距16-20m，孔径250-350mm。（2） 钻孔施工充填钻孔由吉林大学地质钻孔负责施工。先施工140mm的导向孔至空区，然后在换大钻头，扩成孔径300-350mm的大孔，同时要求

13、全孔内全部套不锈钢管。当中间遇到空区时，穿透上层空区后继续往下钻，直至穿透需要充填的下层空区为止。（3）碎石充填由铲车将备好的碎石倒入下料漏斗，下料漏斗安放在钻孔口上方，漏斗顶部安装格筛，网格密度为20*20cm,防止稍大的碎石块进入充填钻孔，漏斗底部安装小型圆盘给料机，实现碎石的均匀下料。碎石由下料漏斗缓慢进入充填钻孔，渗流到空区内。钻孔充填接顶后，往钻孔内注入一定量的水泥砂浆，使松散碎石堆形成一个整体，成为具有相当承压能力的人工矿柱。（4）碎石充填方量截止2012年6月12日，15个钻孔累计充填碎石280281t，充填空区体积164871m3。其中1350m、1340m空区充入碎石量955

14、44 t，充填空区体积56202 m3，占1350m、1340m空区总体积的31%；1280m空区充入碎石量184737 t，充填空区体积108669 m3，占1280m空区总体积的68%。各钻孔充填方量见表3-1。表3-1 各水平空区钻孔充填方量表Table 3-1 each level borehole backfill scale mined-out area序号孔号充填空区水平碎石充填量备注tm311390-1#1350m与1340m复合空区18234 10726 21390-2#1350m与1340m复合空区9864 5802 31390-6#1350m与1340m复合空区8736

15、5139 41390-7#1350m与1340m复合空区7206 4239 51390-8#1350m与1340m复合空区12456 7327 61390-9#1350m与1340m复合空区17040 10024 71390-10#1350m与1340m复合空区10440 6141 81402-5#1350m与1340m复合空区11568 6805 91402-4#1280m空区35684 20991 101402-3#1280m空区25993 15290 111402-2#1280m空区28340 16670 121402-1#1280m空区58060 34153 131414-1#1280

16、m空区11461 6742 141414-2#1280m空区13897 8175 151414-3#1280m空区11303 6649 合计280281 164871 4 钻孔碎石充填结果分析与危险等级划分根据空区赋存及扫描情况，按碎石堆积自然安息角45°及各钻孔实际充填量计算，归纳总结出钻孔充填效果如下：（1）1350m与1340m复合空区体积为180000m3，碎石量95544 t，充填空区体积56202 m3，占1350m、1340m空区总体积的31%；碎石充填体对空区跨度大，矿柱少，顶板暴露面积大的区段实行了有效填塞，在空场内形成3个大型人工矿柱，大大减少顶板暴露面积和空区跨

17、度，改善空区围岩受力状态，提高围岩与矿柱的自支撑能力，使其由大面积连续高危空区分割成多个小规模且有人工矿柱支撑的独立小空区，使得1350m与1340m复合空区稳定性得到提高，发生灾害的可能性大大降低。（2）1350m、1340m空区顶板原岩厚度32m以上，1350m、1340m空区经充填后平均采高由10m降至约7m，即使空区发生大面积坍塌，按1.3的碎胀系数计算，空区顶板塌落岩石完全可填满空区，目前的台阶面不会出现塌坑；同时碎石充填体为柔性垫层，能有效控制顶板坍塌而产生的空区冲击波的危害；经治理后，1350m、1340m空区危害程度较小。（3）1280m空区体积为150000m3，充入碎石量1

18、84737 t，充填空区体积108669 m3，占1280m空区总体积的68%；1280m空区平均采高30m，碎石填塞后空区平均高度约10m左右，空区规模减小2/3以上，使其由大规模高危空区变成一般的单层空区，发生灾害的可能性大大降低。（4）1280m空区顶板厚度为70m以上，高度10m的空区即使出现大面积坍塌，对目前的台阶面影响小；同时近20m高的碎石柔性垫层，能有效防止顶板坍塌而产生的空区冲击波的危害；经治理后，1280m空区的危害程度较小。5结论借助微震监测系统，对D区范围内所有地表的活动及地下的采空区活动加强预警监测的结果，在整个碎石充填施工过程中未出现地压活动。从空区转换为事故的可能

19、性分析：经碎石充填后D区横9线13线之间的高危复合空区变为了规模较小且相对独立的一般单层空区，碎石充入空区使其围岩与矿柱的受力强度可以得到很大提高，同时在空场内形成了面积较大的人工矿柱支撑空区顶板，空区稳定性得到提高，发生灾害的可能性大大降低。从空区灾害的危险程度分析：1350m、1340m空区顶板原岩厚度30m以上，1280m空区顶板厚度为70m以上，空区顶板原岩厚度大于最小安全厚度，空区即使出现大面积坍塌，对目前的台阶面影响小；碎石充填体为柔性垫层，能有效控制顶板坍塌而产生的空区冲击波的危害；为此碎石充填后横9线13线之间危险程度较小。综上所述，根据危险源在触发因素作用下转化为事故的可能性大小与发生事故的后果的严重程度进行划分，D区横9线13线危险等级由极危险区变为一般危险区。成功将重大危险源降级为一般危险源，阻碍生产的复合空区降级为单层空区随着生产台阶推进为逐步处理。碎石充填法的应用为公司的安全提供了成功的原始资料，值得推广应用。参考文献：1 任凤玉,李楠.团城