楚烽磷矿采空区治理及其过程安全监测实践.pdf

第32 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 51(2 0 2 3)S1-0238-05楚烽磷矿采空区治理及其过程安全监测实践中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0l:10.12075/j.issn.1004-4051.20230416Vol.32,Suppl 1June2023马玉涛，袁本胜，蔡永顺，王平（矿冶科技集团有限公司，北京10 2 6 2 8)摘要：楚烽磷矿在多年开采中形成大面积采空区，矿柱已发生破坏。为避免发生大规模空区冒落并回收其中遗留的资源，选定试验盘区，在连续矿柱（点柱十人工矿柱）隔离的情况下，采用混凝土胶结充填置换不稳定矿柱、结合干式充填方案处理采空区。另外，建立了集成微震、位移、应力、应变等监测方式的综合监测系统，对治理过程中的顶板位移、矿柱与胶结矿柱应力与应变、微震事件进行监测，通过多种参数综合分析空区稳定性情况，保障了处理过程的安全。监测结果表明，没有发生明显的应力集中和变形失稳。关键词：采空区处理；矿柱置换；微震监测；顶板位移；矿柱应力中图分类号：TD353Management of goaf in Chufeng Phosphate Mine andits in-process safety monitoringMA Yutao,YUAN Bensheng,CAI Yongshun,WANG Ping(BGRIMM Technology Group,Beijing 102628,China)Abstract:Chufeng Phosphate Mine has formed a large area of goaf during years of mining,and the pillarshave been damaged.In order to avoid large-scale goaf caving and recover the remaining resources,a testpanel is selected.Under the condition of continuous pillars(point pillars+artificial pillars)isolation,unstable pillars are replaced with concrete cemented filling,and the goaf is treated with a dry filling scheme.In addition,a comprehensive monitoring system integrating microseismic,displacement,stress,strain andother monitoring methods has been established to monitor the displacement of the roof,stress and strain ofthe pillar and cemented pillar,and microseismic events during the treatment process.The stability of the goafis analyzed comprehensively through multiple parameters,ensuring the safety of the treatment process.Themonitoring results indicate that there has been no significant stress concentration or deformation instability.Keywords:goaf treatment;pillar replacement;microseismic monitoring;roof displacement;pillar stress楚烽磷矿经过多年开采，形成大面积的采空区。随着采空区暴露时间延长，矿柱已经开始发生破坏，顶板逐渐不稳固。随着矿柱破坏的加剧，最终必将导致大规模的空区冒落，甚至诱发上部断层活化，导致地表出现塌，造成严重灾难1。因此，矿山抓住时间窗口，开展了空区处理方案研究并实施处理，同时回收了其中遗留的资源，过程中还开展了对微震、应力、位移、应变的综合监测，不仅消除了安全隐患，而且通过矿柱回收实现了经济效益。湖北省西部磷文献标识码：A矿目前基本都面临着空区隐患威胁，实践为磷矿行业尤其是湖北省西部磷矿空区问题处理提供了技术示范。1工程概况楚烽磷矿位于保康白竹矿区，采用无轨设备分层开采的切顶房柱法采矿。矿块沿走向布置，长为60m，阶段高为10 m，矿块斜长为57 m，采场宽15m，留4m4m的间柱支撑空区。矿块间留4m宽的连续矿柱和3m宽的顶柱、底柱。经过多年开收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 5第一作者简介：马玉涛（19 8 5一），男，硕士，高级工程师，主要从事矿山地压监测与深井采矿方面的研究工作，E-mail：ma y u t a o b g r i mm.c o m。引用格式：马玉涛，袁本胜，蔡永顺，等.楚烽磷矿采空区治理及其过程安全监测实践 J.中国矿业，2 0 2 3，32（S1）：2 38-2 42.MA Yutao,YUAN Bensheng,CAI Yongshun,et al.Management of goaf in Chufeng Phosphate Mine and its in-process safety monitoringJJ.China Mining Magazine,2023,32(S1):238-242.责任编辑：刘硕增刊1采，形成约138.6 万m采空区。矿区为高山地形，地表不允许崩落，原来设计采用放顶方式来处理空区的方式不可行。空区顶板与矿柱不稳固，节理发育。虽然对其已采用锚索永久支护、采用管缝式锚杆并挂网临时支护，但随着暴露时间的延长和应力的集中，部分矿柱开始发生片帮剥离破坏，并且破坏速度有加剧趋势。随着矿柱不断发生破坏，空区必将发生大规模冒落，进而引起大规模地表滑坡，对周边居民的生命和财产安全带来巨大损失。空区以遗留矿柱作为其支撑体系，根据设计矿柱约占盘区矿量的32%。在当时的市场行情下，对其中遗留资源回收的经济效益大于空区处理投人。一旦空区矿柱开始发生大规模破坏，不但治理难度将大大增加，而且治理过程的安全也得不到保障。因此，有必要迅速开展采空区处理工作，否则将失去处理时机。2试验盘区选择项目选择原房柱法试验盘区作为采空区处理试验区域，试验成功后，再在全矿范围内推广应用。选择12 0 0 m中段C3盘区作为采空区处理和残矿回收试验盘区。试验盘区沿矿体走向长140 m，延倾向长7 8 m，采场范围110 0 0 m，采空区平均高度10m，采空区体积7.49 万m，遗留矿柱矿量10.4万tL21。该区附近是井下安全生产辅助设施集中地段，中央变电所、修理碉室、空压机碉室、主溜井、行人通风天井等均位于周边。为防止采空区塌影响井下安全生产设施，以保障全矿安全生产，必须首先对该盘区采空区进行处理。3空区处理方案对试验盘区采空区的处理采用混凝土胶结充填替换矿柱、干式充填处理空区方案，采用中深孔崩落矿柱，用废石回填原点柱空区。回采顺序为由西往东、从上至下进行。回采时注意空区充填接顶工作，以及防止中深孔爆破对已形成混凝土矿柱的破坏。具体布置方案如图1所示。首先形成采空区西部连续矿柱（点柱十人工矿柱），隔离西面破碎区，防止在试验盘区采空区处理过程中西部破碎区与试验盘区采空区相互影响；然后，在矿柱之间浇注混凝土胶结体人工矿柱，形成一条延矿体走向的连续矿柱。在回收矿柱时，整体采用由下往上的处理顺序；接着，待混凝土矿柱接顶并完成养护后，在下分层巷道堆积废石，以充填的废石为工作平台对矿柱进行切顶、凿岩。将矿柱向下分层巷道崩落，留一部分矿柱作为上部废石与崩落矿马玉涛，等：楚烽磷矿采空区治理及其过程安全监测实践239石的隔离，防止崩落矿石被贫化；最终，从上一分层巷道出矿，完成出矿后，从下一分层巷道往原点柱位置倾倒废石进行干式充填。干式充填后，完成该矿柱的回采工作 2 。充填方案选择“井下移动式充填系统”，该系统投资小，使用灵活；可做到移动式充填；系统建设工期较短；充填料浆输送技术难度较低。露天采石破碎、棒磨线建设于地表，充填搅拌站建设于井下。充填时，碎石、棒磨砂、水泥通过汽车经主运输平碉运输至井下充填搅拌站储存，将各充填物料定量配料经两段搅拌制备成均匀的碎石充填料浆后，通过混凝土输送泵输送至充填位置进行充填。该方案不仅能有效处理空区，还能同时回收空区内残留的高品位富矿体。4安全监测系统为保障处理作业过程安全，在试验盘区建立集合微震、位移、应力、应变等监测方式的监测系统，监测空区顶板位移、矿柱与人工矿柱应力与应变、作业过程的微震事件。微震监测点设置在试验盘区周边巷道，共6 个点。两点间的距离在7 0 110 m之间，满足系统监测范围要求。在矿房顶板设置17 个可移动的顶底板位移传感器，在不受回采等作业影响的位置安装。采用本地电池供电、数据无线传输的方式，减少采空区内敷线。在采空区内部及周边布置46 个无线数据接收点。微震及位移监测点布置如图2。在原生矿柱及水泥混凝土矿柱内部设置15个应力变化监测点，采用钻孔和预埋的方式安装。在混凝土矿柱内安装16 个应变监测点。每个矿柱内安装两个传感器。一个传感器在混凝土矿柱的中心位置，主要测量矿柱的压应变；另一个在矿柱的靠边位置，主要测量矿柱的拉应变。应力及应变监测点布置如图3所示。5监测数据分析从2 0 13年8 月到2 0 14年7 月，对试验盘区采空区处理过程进行了安全监测。该时段内主要对第1排原生矿柱、第2 排原生矿柱间的矿房进行了胶结充填，并回采了第1排的2#原生矿柱、3#原生矿柱、4#原生矿柱。由图4可知，微震事件主要分布在充填试验采空区外围，主要是由于生产采场爆破扰动产生的。采空区内微震事件较少且震级不大。另外，微震事件的发生时间与爆破作业时间有较强的一致性，这表明监测区域附近的爆破作业对微震事件有很大影响。240中国矿业废石充填第32 卷破碎空区崩落矿石混凝土矿柱切顶层混凝土矿柱废石充填(a)A-A剖面(b)B-B剖面矿柱顶板支护矿柱顶板支护废石充填永久损失部分，隔离矿石与废石崩落矿石废石充填永久损失部分，隔离矿石与废石A永久损失部分，隔离矿石与废石图1采空区处理方案Fig.1Goaf treatment plan永久损失部分，隔离矿石与废石(c)C-C削面514安全矿柱5口10图例OFig.2Layout of microseismic and displacement monitoring points微震监测点口亻位移监测点O图2 微震与位移监测点布置图增刊1马玉涛，等：楚烽磷矿采空区治理及其过程安全监测实践241口14图例应力监测点应变监测点破安全矿柱碎区离图3应力与应变监测点布置图Fig.3Layout of stress and strain monitoring pointsN2U.E318事件10一5矩震级1 000 m图4微震事件空间分布图Fig.4 Spatial distribution map of microseismic events同时采空区内应力、应变和位移监测也监测到了原生矿柱回采过程中的数据变化。如图5所示，在2 0 14年3月17 日一7 月31日期间，2#原生矿柱、3#原生矿柱起底，且4#原生矿柱开始回采，此时第1排矿柱东侧邻近原生矿柱的钻孔K1-5应力开始逐渐增加，4#原生矿柱切顶完成之后，应力逐渐趋于稳定。其他监测点体现出类似的规律。应变和位移监测数值变化不大，表明采空区内胶结充填矿柱和顶板在该时段内比较稳定，没有发生较大形变。40030020010003-31Fig.5Schematic diagram of stress change curve during primary pillar mining04-1405-05图5原生矿柱回采期间应力变化曲线示意图05-19日期06-0206-1506-3007-21242综合分析区域性的微震监测数据和测点式的地压监测数据后发现，微震事件主要分布在充填试验区外，主要是由爆破扰动产生的。采空区内微震事件较少且震级不大，同时采空区内应力、应变和位移监测数据整体变化不大，并在采动结束后趋于稳定。地压监测结果与现场实际情况基本一致，没有发生明显的应力集中和变形失稳诱发的动力灾害 。6结 论1）采用的混凝土胶结充填置换矿柱、干式充填处理空区方案，不仅能有效处理空区，还能同时回收空区内残留的高品位富矿体。2）采用在空区西部连续矿柱（点柱十人工矿柱)以隔离西面破碎区、在矿柱之间浇注混凝土胶结体人工矿柱以形成一条延矿体走向的连续矿柱等措施，形成了一横一纵的矿柱，极大保障了空区处理过程的安全。3）通过对微震、位移、应力和应变的实时监测中国矿业和数据分析，掌握了多参数变化的数值和规律，保障了空区处理顺利进行和快速推进。参考文献1王志，张文龙，钟生元，等.充填体下残留矿柱回采地压监测技术研究与应用.湖南有色金属，2 0 19,35（6）：4-2 5.WANG Zhi,ZHANG Wenlong,ZHONG Shengyuan,et al.Research and application of ground pressure monitoring tech-nology for residual pillar mining under filling bodyJJ.HunanNonferrousMetals,2019,35(6):4-25.2 王湖鑫，倪小山，杨成，等.楚烽磷矿试验盘区采空区隐患治理的实践与思考 J.中国矿业，2 0 16，2 5（S2）：2 8 6-2 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