壽王墳銅礦采空區處理技術實踐

張建文，龔克兵，曲志清

（1.承德市安全生產技術服務中心，河北 承德 067000；2.承德銅興礦業有限公司，河北 承德 067200）

壽王墳銅礦采空區處理技術實踐

張建文1，龔克兵1，曲志清2

（1.承德市安全生產技術服務中心，河北 承德 067000；2.承德銅興礦業有限公司，河北 承德 067200）

壽王墳銅礦南6號采空區容積已達300×104m3，如何處理采空區一直在進行探討和摸索。經多年多方案的優化，采取了遠程實時監測、封閉、足夠厚度的緩沖墊層及崩落處理措施，取得了較好的效果。

較大采空區；處理技術；實踐

1 前言

壽王墳銅礦主要有1、2、N6、S6、32、34、9號等46個礦體，其產狀形態多受接觸帶的控制。礦體傾角以60°～85°為主，少量10°～45°的緩傾斜礦體。其中，南6號礦體（S6）是主礦體，南6號礦體位于礦區東部，33～57線間，賦存標高500～-200m，下二中段以上向南傾，以下向北傾，傾角70°～85°，東西走向，向西延深。五十多年來，應用留礦法、階段礦房深孔采礦法、有底柱分段崩落法采礦，礦井下已形成9個中段（每個中段60m），除南6號等少數幾個礦體外，其它基本采完。隨著南6號礦體的不斷開采，形成了南6號采空區，該采空區位于東部，賦存于海拔500～35m，最大幅寬約100m，延續數百米，33～57線間，中間被39線、47線2條10～40m寬的巖枝隔斷，從而形成三個相對獨立的采空區，統稱為南6號采空區，該空區為盲空區，上小下大，空區頂部距地表350～370m。

2 各個時期對采空區的治理情況

南6號采空區垂直高度高、跨度長、暴露面積大，可能發生大規模的冒落、坍塌等地壓災害，直接影響礦井深部開采安全，一旦發生坍塌，將造成人員和財產的重大損失。多年來，企業始終致力于南6號采空區的治理，防止采空區帶來的危害。

1981年，企業與東北工學院合作，對南6號空區處理項目進行了研究，對空區的應力分布用有限元法進行計算，采用預留階段礦柱，控制空區狀態，化大空區為兩個小空區，并在井下進行了大量的封閉。1984年，通過專家多次論證，確定實施了在下五以上8m處至下五以下22m處預留30m厚的永久頂柱的空區處理方案。1991年以后，該永久頂柱范圍內發現了三組斷裂，且十分破碎，相互交叉，滑幫冒頂嚴重；該頂柱面積達9 288m2，上小下大呈楔形，預留的永久頂柱對下部安全生產形成了威脅。隨后，采取強制崩落法，將永久頂柱和部分圍巖強制崩落，其崩落的巖體作為空區內廢石墊層，減少頂板片幫、冒落產生沖擊氣浪、巖爆等現象，對深部開采人員和設備設施起到保護作用。1996年，建立空區實時遠程微震監測系統，對空區上下盤穩定情況進行監控。

3 采空區對深部開采的影響

3.1 采空區特點

經過長期的自然塌落及治理，該采空區的形態發生了很大變化，2009年9月，分別打開下四、下三41線、43線、45線等位置的密閉墻，進行了現場勘查，進一步掌握采空區的變化特點。

（1）南61號采空區，位于35線西38m至39線東16m，下七中段以上15m至下一以上20m處，空區下三中段以上15m處被存窿及垮落毛石充填。空區總體積69.587×104m3，其中充填 62.959×104m3，厰空區約6×104m3。

（2）南62號采空區，位于41線西23m至47線東30m，下八水平以上15m至下一以上50m處。下三中段以下均被存窿及垮落的毛石充填。空區總的體積為 204.201×104m3，其中充填165.102×104m3，厰空區體積有39×104m3。

（3）南63號采空區，位于49線西22m至55線東22m，下七中段以上15m至下四以上15m處。下四中段以下20m被充填。空區總體積31.336×104m3，其中充填30.454×104m3，厰空區體積約1×104m3。

因此，南6號空區總體積305.124×104m3，其中已充填258.505×104m3，厰空區體積為46.609×104m3，充填占84.72%，非充填占13.28%。

3.2 采空區對深部開采的影響

通過現場勘查，該空區均被大量礦石或毛石充填，充填量達80%以上，形成墊層厚度一般在100～200m，該墊層起到良好的緩沖減震作用。對深部開采主要有以下影響。

（1）在礦房礦石回收期間，崩落頂柱之前，由于應力集中在采場的兩端，如果采場頂板有大的構造，礦房巖體的自重，加上上部有100～200m厚的覆蓋巖，可能造成局部塌落。為避免發生類似的事故，在采場設計時，減小了采場礦房的暴露面積，當礦體厚度過大，中間預留礦壁，礦房回收完畢后，與頂柱一起崩落。

（2）礦房礦石回收完畢，頂柱崩落后，大量的礦廢石涌入采場中，就像充填體一樣，其對采場的圍巖和礦壁起到穩定支護作用。上部空區對深部生產的影響主要體現在回收礦石時的貧化上。

（3）深部生產時，覆蓋巖上部的厰空區可能不穩定，發生大面積、大范圍巖體滑幫、坍塌或發生巖爆時，產生較強的地震波和空氣沖擊波，危及深部作業的人員和設備設施的安全。

4 遠程實時監測技術

隨著科技不斷進步，采空區檢測監控技術日益成熟，在多年遠程微震檢測基礎上，企業與研究院合作，研制開發并應用了AM485型巖體聲發射監測系統，對南6號采空區變化實施遠程監控。巖體聲發射傳感器共布置16個，分布于下三、下四兩個中段37～47線的脈外平巷，其數量分別為10個和6個，測試通道編號分別對應1#～10#和11#～16#。

4.1 監測原理

材料在破壞之前，由于變形和斷裂，以瞬態彈性波的形式釋放能量，這種現象稱之為聲發射現象。巖體工程結構在受力破壞之前，必然持續一段時間以聲波的形式釋放局部積蓄的能量，其能量釋放的強度隨著結構面的穩定狀態而不斷變化，每一個聲發射與微震事件都包含巖體內部變化狀態的豐富信息，對接收到的聲發射信號進行分析和處理，可作為評價巖體穩定狀況的依據。因此可利用巖體聲發射與微震這一特性對巖體的穩定性進行監測，從而判斷和預測巖體塌方、冒頂、片邦、滑坡等地壓現象。

對于聲發射監測，主要記錄一些具有特性的量，包括：①事件率（頻度），即單位時間內記錄收到的聲發射與微震事件數。②振幅分布，即單位時間內聲發射與微震事件的振幅分布，該參數可用于分析聲發射與微震源的信息。③能率，即單位時間內聲發射與微震事件的能量之和，它可以反映一段時間內巖體釋放能量的強度。④事件變化率和能率變化，反映了巖體狀態變化的快慢。⑤頻率分布（頻譜分析），即分析聲發射與微震信號在頻域中的特點。除上述統計外，一般還進行震源定位，從而對巖體受破壞的部位進行判斷。

4.2 巖體破壞過程中的聲發射事件規律

從監測實踐來看，將聲發射技術應用于巖體穩定性監測領域，巖體的穩定性與聲發射現象呈現以下規律。

（1）巖體在穩定期和相對穩定期，聲發射事件很少，事件頻度維持在低水平。

（2）巖石在超過其極限強度的應力作用下，產生微破裂，并以高頻聲發射形式釋放能量。隨著壓力的增大，微破裂會繼續擴張和發展，產生低頻聲發射與微震現象。

（3）當巖體內部出現大規模破壞或者不連續面發生剪斷滑動時，低頻聲發射與微震現象表現突出，同時也伴有高頻聲發射。大規模的巖體斷裂與滑移具有很大的能量，可加劇其影響范圍內原有結構弱面的破壞，改變應力分布，誘發新的破壞。

（4）失穩巖體在垮落之前，出現間歇性破壞，微震活動頻繁，且事件頻度逐漸增大，在臨近垮落時，事件頻數反而減少，即為發生沖擊地壓的前兆。當一次大的地壓發生之后，巖體局部的集中應力有可能未完全消除，產生余震及局部塌落，使事件頻度總體維持在較低水平。

4.3 監測數據分析

通過對遠程實時監控系統收集的監測數據分析，能夠及時發現巖體的變化情況。對2008年1～12月監測數據分析，發現以下變化特點。

（1）1～3月，在43～47線尤其是43～45線下三中段巷道附近巖體局部產生間歇聲發射現象，且較為密集，雖事件數較大，但能量不大，影響范圍小，表明該監測區域處于小規模地壓活動期。3月7～18日，監測系統多通道甚至所有通道均能接收到信號，各通道事件數不大，多在20以內，且事件發生的頻繁程度不高。基于各通道事件數差別不大乃至多個數據一致的同步測試結果，推斷在43～45線巖體出現了較大規模的斷裂，隨后進入暫時平衡階段。

（2）8～9月，1#傳感器頻繁接收到了來自下三中段平巷37線附近的聲發射信號，接著在8月31日1天內多測點相繼發生聲發射現象，而1#、2#、3#測點事件的發生則基本是順序進行的，表明下三中段37～41線發生的微斷裂打破了暫時的應力平衡，致使斷層與采空區間的巖體應力重新分布進而在多處產生破裂，最強烈處位于下四39～41線。10月12日至12月16日，聲發射事件僅在個別地點發生，且事件數較小，處于相對穩定階段。

（3）12月17～20日，僅16#測點頻繁接收到聲發射信號，即在下四中段平巷43線附近多次出現較為強烈的巖體微破壞過程，每一過程的持續時間在1小時以內。

由此可見，監測區域巖體內的斷層是影響巖體穩定性的重要因素，下三中段平巷頂板斷層在地壓作用下有所張裂，局部不穩定部位主要在下三中段巷道43～47線，其次是37～41線。局部巖體微破裂可導致一定規模的巖體斷裂，地壓活動頻繁可加劇巖體破壞程度。

2010年以后，南6號采空區的滑坡體遠程監控數據不斷顯示變化，尤其是3月后，南6號空區巖體活動頻繁，下六391頂板大面積下沉。6月監測數據變化異常頻繁，且數值較大，呈連續性變化，特別是6月16日有幾次數值幾乎接近峰值，發出了預警警報。經過現場檢查發現下三、下四39～45線（F1斷層）頂板及底板開裂，裂縫寬度每天都在變大，由最初的20mm發展到450mm，上盤下滑300～350mm。

監測數據表明南6號采空區的滑坡體處于活躍的高峰期，如不及時處理，將對井下作業的人員和設備設施構成威脅。

5 滑坡體處理

5.1 滑坡體位置及形態判斷

滑坡體位于南6號采空區下盤39～47線，由于在39～47線之間空區底部廢石墊層已填充至下四附近，因此滑坡體具有垮落危險的部位主要在下四至下二水平之間，滑坡體由F1、F2、F3三條斷層構造切割所形成，F1、F2斷層在平面圖上呈雁行排列，在41線較破碎。三組斷層構成的斷裂帶總體上向北傾斜，上陡下緩，下部傾角70°左右，呈弧形的走向近于東西與主巖體接觸線近于平行，產狀一致，斷層被后期侵入的脈巖充填，主要充填物為大理石、糜棱巖、絹云母矽卡巖等。滑坡體的主要成分為含遂石白云灰質巖和大理石，硬度較大。根據圈定情況，滑坡體的總體積約20.3×104m3。

5.2 滑坡體誘導崩落處理技術與效果

由于滑坡體主要是由斷層構造切割所形成的，巖層較破碎，僅需要將滑坡體關鍵部位崩透，剩余部分則在爆破的擾動下自行跨落。采取硐室爆破方式進行誘導崩落處理，即利用原下三中段41線川脈巷道（構造在該處較破碎，為結構弱面）作為藥室，實施硐室爆破。

在硐室爆破的拋擲作用下，下三水平上、下約20～30m范圍的滑坡體將被拋擲至空區。下三以上未被拋擲的滑坡體將在爆破松動和自身重力作用下自行垮落。下三以下未被拋擲的滑坡體，由于垂直高度僅剩幾十米，其側向（空區內）有新崩落的墊層作為支撐，因此不會構成安全威脅。現場觀測，下四中段以上滑坡體得到完全處理，南6號采空區最大的安全隱患已消除。

6 結語

通過南6#采空區的治理實踐證明，幾十年來，隨著緩慢有序的自然垮落，空區逐漸被廢石充填，足夠厚度礦廢石墊層具備良好的緩沖減震作用，采空區巖體即使出現坍塌、滑落，對深部作業人員和設備也不會構成太大的威脅。加之適當的封堵和隔離，將更有效降低和控制其垮落對采空區周圍的人員、設備、設施造成的沖擊與震動危害。

多年的遠程檢測監控，有效地掌握了采空區形態變化特點、規律，通過監測儀器的數據分析，能夠及時發現空區的變化情況，為采空區的治理提供了可靠的依據，有效遏制采空區坍塌等引起的災害，在礦山生產實踐中具有較好的實踐指導價值。

Practice of treatment technique for underground southern No.6 goaf in Shouwangfen Copper Mine

The volume of southern No.6 goaf in Shouwangfen Copper Mine has reached 300×104m3,and how to deal with the goaf has been approaching and groping.After many years schemes optimization,the remote real-time monitoring,sealing,thick buffer cushion and caving treatment were adopted,and which were safe,economic and easy operation.

large goaf;treatment technique;practice

1672-609X（2010）05-0030-03

TD853.391＋.2

B

2010-08-05

張建文（1960-），男，河北承德人，采礦工程師，從事礦山開采技術與安全管理工作。