地下礦山采空區(qū)安全分析及其處理研究

任春芳 陳俊智

摘要：本文對影響采空區(qū)穩(wěn)定性的空區(qū)特征分析，論述了采空區(qū)頂板冒落的危害性，以蘭坪跑馬坪礦段采空區(qū)為例，對兩種采空區(qū)處理方案進行分析比較，提出了比較合理的方案，為礦山的采空區(qū)處理及安全生產提供指導。

關鍵詞：采空區(qū)，安全，特征分析，危害性，處理方案

1 前言

隨著礦產資源向深部開采的不斷進行，采空區(qū)的數(shù)量和體積也在不斷地增多和增大，有可能引起大規(guī)模的地壓活動，嚴重威脅采空區(qū)下部礦體開采的安全。故采空區(qū)是影響礦山安全生產最主要的危害源之一，也是安全生產中的重大隱患之一。采空區(qū)失穩(wěn)是一個復雜的力學過程，國內外學者開展了大量相關研究工作[1-4]。

通過文獻資料可知，以往研究成果多側重于在現(xiàn)場分析上，采用經驗的方法提出采空區(qū)的處理方法，而對于復雜空區(qū)從特征和危害性方面進行多方案對比研究相對較少。

2 影響采空區(qū)穩(wěn)定性的空區(qū)特征分析

（1）采空區(qū)的形狀

礦體幾何形狀特征的含義是礦體的相對尺寸和形狀，與礦床的地質成因有關，有層狀礦體、脈狀礦體、扁豆狀礦體及塊狀礦體等。空區(qū)的幾何形狀與礦體的相似，不同形狀的空區(qū)，其應力分布狀態(tài)不同，容易破壞的部位也不同。按照自然平衡拱理論，拱形空區(qū)要比平頂空區(qū)穩(wěn)定。

（2）采空區(qū)的傾角

不同傾角的礦體開采后形成的采空區(qū)破壞形式也不同，并對地表的影響是不同的。緩傾斜礦體開采空區(qū)的中部頂板巖層一般因受壓彎曲下沉，巖體暴露面受拉開裂破壞，并在空區(qū)兩翼礦石或圍巖接觸面多受剪切破壞。急傾斜礦體開采空區(qū)上盤棱柱體的向下滑移則多為剪切力的作用。

（3）采空區(qū)圍巖的性質和地質構造弱面

采空區(qū)圍巖性質，特別是物理力學性質是影響采空區(qū)穩(wěn)定和巖移的主要因素之一。巖石性質的特殊性和復雜性是巖體移動問題復雜化的主要原因。

地質構造弱面對空區(qū)兩幫圍巖的穩(wěn)定性有很大影響，如斷層、破碎帶、層理、節(jié)理等大的地質構造弱而，將巖體切割成不同的幾何形態(tài)，破壞它的連續(xù)性，強度大大減低。斷層密集帶，斷層與密集空區(qū)交叉處，是巖體強度最低，穩(wěn)定性最差的部位。

（4）空區(qū)周圍的相鄰關系

新、老空區(qū)或相鄰空區(qū)之間的距離較近，他們之間可相互助長而危害較大。多次形成的空區(qū)與一次形成的空區(qū)比較，其他條件相同時，前者的空區(qū)的冒落可能性大于后者。

3、采空區(qū)頂板冒落的危害性

隨著礦山開采深度的增加，空區(qū)體積不斷增大，受力隨之增大，當應力集中到空區(qū)某一處超過巖石的強度時，會形成連鎖反應，引起大規(guī)模的地壓活動。因此生產中若采空區(qū)處理不及時或處理措施不當，將會造成資源損失和經濟浪費，而且嚴重威脅采空區(qū)下部礦體開采的安全[5]。

一般采空區(qū)的冒落面積存在兩個臨界點，冒落面積：是指頂板圍巖的臨界冒落面積，冒落形式以零星冒落為主；大規(guī)模冒落面積：是指可能發(fā)生批量冒落的面積，批量冒落開始后會瞬間形成大規(guī)模冒落。

大面積的空區(qū)頂板在極短的時間內冒落下來，其危害不僅是由于重力作用產生的沖擊破壞，而且更嚴重的是把空區(qū)內的空氣瞬時排出，產生動力的沖擊和地震波，位于空區(qū)中的空氣發(fā)生運動，可以形成秒速達千米的壓縮氣流，它的沖量很大，能破壞井下建筑物和傷害人員。如：東川礦務局濫泥坪礦，1980年，采空區(qū)頂板發(fā)生大規(guī)?？逅慌_停放在坑道內100多米的電機車，被垮塌時產生的沖擊波推至坑道外數(shù)十米。

安全規(guī)程規(guī)定，人體可以抵抗的風速不超過12-15m/s。單個塊體的零星冒落達不到對人體造成沖擊傷害的程度；但批量冒落則有可能超過人體可以抵抗沖擊的極限。對于批量冒落，由于沖擊氣浪的速度較大，須采取相應的技術措施，以保證生產安全。

4跑馬坪礦段采空區(qū)處理

4.1跑馬坪礦段概述

跑馬坪礦段主要是鉛鋅礦體，呈似層狀-透鏡狀，分布在2030～2440m標高，為埋深200～500米的隱伏礦體，走向80°，平均傾角22°，長約500～700米，寬200～300米，厚50～13.94米，Zn的品位7.72%，pb品位0.60%。屬于較規(guī)則至不規(guī)則。礦體穩(wěn)固性中等，上盤巖體的穩(wěn)定性較好，下盤巖體較穩(wěn)固，水文地質條件簡單。

由于過去群采的原因，采場上下重疊、左右交叉嚴重，采空區(qū)交錯重疊，使得頂板圍巖滯后冒落而形成非常復雜的采空區(qū)，對下部礦體開采的安全構成極大威脅。

4.2采空區(qū)處理方案

通過對跑馬坪礦段空區(qū)的現(xiàn)場的反復調查，提出了兩空區(qū)處理方案：自然-強制崩落采空區(qū)處理法和充填空區(qū)處理法。

（1）方案一：強制崩落采空區(qū)方案

依據(jù)跑馬坪礦段采空區(qū)的處理總方案的思路及跑馬坪礦段采空區(qū)地壓規(guī)律研究，將跑馬坪礦段采空區(qū)在水平方向分三個區(qū)，垂直方向上按2-3個中段留一隔層，每隔層均留不小于20米厚的墊層來保護下部礦體的開采的安全。

當空區(qū)高度小于3～4米，可直接從采空礦塊向頂板布置束狀扇形深孔將頂板崩落。當空區(qū)高度大于3～4 米，可通過礦柱在頂板中布置處理硐室，打水平或束狀扇形深孔將頂板崩落。

這種方法的優(yōu)點是：按計劃控制頂板崩落，有利于頂板管理與壓力控制，作業(yè)靈活方便。缺點是：因緩傾斜礦床空區(qū)水平面積范圍大，正常條件下，如果將所有空區(qū)頂板崩落，需掘進較多的處理巷道與深孔爆破工程，工藝較復雜，費用增加，處理費時等。

（2）方案二：充填采空區(qū)方案

根據(jù)國內外長期生產實踐證明，充填可以有效地控制圍巖大面積、塌落，且對提高間柱的穩(wěn)定性起到了很好作用。充填可減少圍巖和礦柱中的應力值，增加穩(wěn)固性。但是不能改變其受力性質。充填可以減緩和控制巖層移動，從而減少對生產的人力安全的危害作用。

充填料來源于架崖山露天采場所剝離的廢石，經過現(xiàn)場實際調查充填料來源很充足。因此，將廢石充填到跑馬坪采空區(qū)無疑是一個較為理想的措施。既很好地處理了采空區(qū)，又很好地解決了該露天采場廢石排放問題。

綜上所述，根據(jù)國內外長期生產實踐證明，充填可以有效地控制圍巖大面積、塌落，且對提高間柱的穩(wěn)定性起到了很好作用。充填可減少圍巖和礦柱中的應力值，增加穩(wěn)固性，可以減緩和控制巖層移動，從而減少對生產的人力安全的危害作用。通過對兩種方案的比較分析，結合跑馬坪礦段空區(qū)的實際情況，考慮到將所有空區(qū)頂板崩落，需掘進較多的處理巷道與深孔爆破工程，工藝較復雜，費用增加，處理費時等。最終選擇了技術可行、經濟合理的充填采空區(qū)處理方案。

5結論

（1）通過對采空區(qū)特征的分析，探討了影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要影響因素。

（2）對采空區(qū)的危害性進行分析，若空區(qū)處理不及時或處理措施不當時將會造成資源損失和經濟浪費，而且嚴重威脅采空區(qū)下部礦體開采的安全。

（3）以跑馬坪礦段空區(qū)處理為例，通過方案比較分析，采用廢石充填對空區(qū)自身穩(wěn)定性影響較小，建議采用搬運廢石充填處理采空區(qū)。

參考文獻：

1、周宗紅，侯克鵬，任鳳玉，跑馬坪鉛鋅礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析及控制方法，采礦與安全工程學報，2013.11，V30（6）：P863-867.

2、張敏思，朱萬成，侯召松，空區(qū)頂板安全厚度和臨界跨度確定的數(shù)值模擬，采礦與安全工程學報，2012.7，29（4），P543-548.

3、尤仁鋒，徐榮軍等，極復雜多層采空區(qū)處理的分析與思考，露天采礦技，2011年第3期，P7-8，13

4、曾新枝，劉成鋒等，信宜銀巖錫礦采空區(qū)處理實踐，金屬礦山，2011年第5期，P28-31

5、陶峰，陳俊智，急傾斜礦體持續(xù)開采對空區(qū)上覆巖層的影響，價值工程，2014（2），P292-294.

任春芳（1979-），女，陜西乾縣人，助理實驗師，主要從事礦山巖土工程方面的研究

基金項目：金川預研基金（課題編號：kkz4201121018）。