邢周石膏礦區(qū)采空區(qū)處理方法研究

姚 清

（河北地礦局第十一地質大隊， 河北邢臺市 054001）

邢周石膏礦區(qū)采空區(qū)處理方法研究

姚 清

（河北地礦局第十一地質大隊， 河北邢臺市 054001）

在分析各類采空區(qū)處理方法的基礎上，針對邢周石膏礦現狀，提出了采用爆破法強制崩落礦柱充填空區(qū)，并預留“瓶頸”礦柱延緩頂板垮落時間。實踐證明，該處理方法技術可行、經濟合理，取得了較好的效果。

石膏礦；采空區(qū)；崩落礦柱；預留礦柱尺寸；地面塌陷；穩(wěn)定性

在當前我國地下石膏礦多采用房柱采礦法開采，因此形成了一定的采空區(qū)，如不及時處理則會造成重大安全隱患。比較典型的有：2003年11月10日晚9時左右，河北隆堯縣邢隆石膏礦發(fā)生采空區(qū)塌陷事故，地表塌陷面積估算約6萬m2，導致5人被埋；2005年11月6日19時40分，河北邢臺縣會寧鎮(zhèn)尚汪莊康立石膏礦發(fā)生采空區(qū)坍塌事故，直接塌陷區(qū)直徑約60m，波及范圍約600m×800m，造成33人死亡，4人失蹤的特大事故。

可見，石膏礦采空區(qū)的安全處理是目前亟需解決的一個重大安全問題，直接關系到礦山安全生產，對石膏礦山預防和減少事故具有非常重要的意義。

1 采空區(qū)處理方法分析

（1）崩落圍巖處理采空區(qū)。該方法是用崩落圍巖充填采空區(qū)，并形成緩沖保護墊層，避免采空區(qū)大量巖層突然冒落所產生的沖擊波的危害。其適用條件是：采空區(qū)上方設計崩落的范圍內的礦柱已回采完畢，井巷設施也不再使用；地表允許下沉，圍巖穩(wěn)定性差。現階段石膏礦由于受市場因素的影響，利潤空間較小，還處于以礦養(yǎng)礦、邊掘邊采的生產模式，所以雖然地表允許下沉，但采空區(qū)相鄰的井巷設施還在使用，圍巖較穩(wěn)定，若采用崩落圍巖處理采空區(qū)的方法，則施工量大、成本高，影響企業(yè)的生產經營目標。

（2）填料充填處理空區(qū)。該法是從礦內外通過車輛運輸或管道輸送方式將廢石或濕式充填料送入采空區(qū)，把采空區(qū)充填密實以消除空區(qū)的一種方法。在雙碑石膏礦區(qū)，由于附近都是耕地，可用于充填的原料不充足，而從外界通過汽車運輸充填原料則會大大提高生產成本，所以，充填法不適用于該石膏礦的空區(qū)處理。

（3）用礦體支撐采空區(qū)。該方法關鍵是礦巖條件好，礦柱選留恰當，連續(xù)的空區(qū)面積不太大。而石膏礦的硬度系數f＝2.5～3.5，頂板容易垮落，且為了提高回采率，回采空區(qū)的礦柱不能受應力重新分布影響，不能永久地支撐空區(qū)覆巖層，因此，不宜采用礦柱支撐采空區(qū)。

（4）封閉隔離處理空區(qū)是在采空區(qū)附近通往生產區(qū)的巷道中，構筑一定厚度的隔墻，使采空區(qū)中圍巖崩落所產生的沖擊氣浪不至造成危害。但這種方法中已封閉的采空區(qū)后期情況不明，對周圍采區(qū)的開采有影響，構筑的隔離墻強度要求高，后期施工難度大，同樣不適合石膏礦采空區(qū)的處理。

2 邢周礦采空區(qū)處理方法

邢周石膏礦在并購原北新集團的北新石膏礦（現稱北副井），采用房柱法開采，其在西南角存在一個約80m×200m、高10～15m的大面積采空區(qū)，直接影響到北副井的安全開采。邢周礦根據采空區(qū)的特點，結合實際，采用強制崩落礦柱法，預留“瓶頸”礦柱，有針對性的對該采空區(qū)進行安全處理。

2.1 采空區(qū)地質條件

該采空區(qū)主要分布在第三系地層，上部多被第四系覆蓋，其下不整合于二疊系上石盒子組之上。采空區(qū)位于7＃礦體，底板標高－128.5m，埋深179.3m，礦體頂板巖性主要為含泥灰?guī)r及粉砂質泥巖，其次為含膏灰質泥巖；礦體底板主要為含膏泥巖及少量粉砂質泥巖，次為含膏灰質泥巖及含膏泥質粉砂巖。礦石的結構構造主要為微粒、細粒－中粗粒狀結構，致密塊狀構造，條帶狀構造，紋層狀構造，有的呈網脈狀結構，礫狀構造。

采空區(qū)地面是曠地，種植楊樹林，沒有建構筑物或重要交通設施，沉降對農業(yè)生產沒有嚴重影響。

2.2 崩落礦柱技術參數的選取

由于采用房柱法開采，留下的礦柱現支撐頂板，形成空場。為了保證施工人員的作業(yè)安全，避免在處理過程中空區(qū)突然下沉產生沖擊波造成事故，在崩礦柱時，要預留一定的承載面積，使得崩落礦柱后，在上覆巖層地壓力下，預留礦柱間斷的碎裂破壞，以達到空區(qū)緩慢下沉的目的。所以，必須合理確定礦柱最小支撐斷面尺寸和崩落高度。

根據面積承載理論，礦柱最小支撐斷面尺寸與頂板暴露跨距有如下關系：

式中：a——礦柱橫斷面邊長，m；

L——頂板暴露跨距，m；

Sc——礦柱抗壓強度，MPa；

ΣrH——礦柱負擔的上覆巖層壓力，kN／m2；

K——載荷系數。

礦柱的抗壓強度，經推算為15～50MPa，載荷系數K取1.2，則a＝（0.15～0.54）L，按護頂層極限暴露跨距8m考慮，礦柱最小邊長取2m。

由于采用人工鉆眼爆破，最小抵抗線為1.0～2.0m。由于是孤立柱，自由面多，所以按最小抵抗線1.5～2.0m布置炮眼。在每個礦柱的每面，從地面起2m范圍內為礦柱崩落的高度，布置上、下兩層炮孔，孔深根據礦柱大小不同程度布置，一般為2～3m。設計爆破后，礦柱在地面以上2m段，形成面積為2m×2m的“瓶頸”，如圖1所示。

圖1 礦柱“瓶頸”示意

爆破采用由遠到近的起爆順序，以充分利用爆破的礦塊來充填空區(qū)做為墊層。

3 空區(qū)處理結果分析

3.1 頂板冒落時間

放炮作業(yè)完成后，頂板未立即大面積地突然冒落，而是在1～6d內，有零星的局部冒落現象。34 d后，出現大面積、大規(guī)模的垮落，井口馬頭門處有明顯的風流從采空區(qū)吹出，說明采空區(qū)也被冒落的巖石充填。

3.2 地面顯現情況

在地面空區(qū)陷落范圍內，設置6個觀測點，通過觀測，空區(qū)中心最大下沉量為20cm，邊緣下沉量為1～3cm，呈長條帶下沉。

綜合頂板開始冒落到地面顯現沉降的時間與巖層垮落高度可知：在放炮作業(yè)的1～6d內的冒落，是12.7m護頂層的垮落，巖石松散和碎脹充填空區(qū)，可暫時緩沖上覆巖層，但不能完全支撐上覆巖層的載荷；第三系地層上部第四系覆蓋的含泥灰?guī)r及粉砂質泥巖不穩(wěn)定，抗剪切能力極弱，在空區(qū)內的碎脹巖層壓實縮小的同時，上覆巖層整體下降而不破碎，隔水層沒有破壞，因此表現出地面經過較長時間才沉降，又沒有與第四系的含水層導通發(fā)生次生的透水。這與相鄰的東良鄉(xiāng)礦、雙碑鄉(xiāng)礦、邢隆礦采空區(qū)塌陷的現象吻合，達到了預期的效果。

3.3 對臨近采區(qū)穩(wěn)定性的影響

如果頂板垮落未達地表或充填不實時，頂板會形成新自然平衡拱，其拱腳處產生應力集中，因而引起相鄰采區(qū)壓力增大，可能導致礦柱及頂板變形加大，使臨近采區(qū)造成新的頂板問題。邢周礦通過放柱的“瓶頸”處理礦柱后，空區(qū)沉降平穩(wěn)不會產生上述應力重新集中的問題，對相鄰采區(qū)更安全，沒有影響。

4 結 論

邢周礦的成功實踐表明，采用房柱法形成的采空區(qū)，在當前技術經濟條件下，采用爆破法強制崩柱放頂處理是可行的，且在經濟上是合理的。利用預留“瓶頸”礦柱延緩頂板的垮落時間；利用崩落礦柱充填采空區(qū)，逐步減少采空區(qū)空間，有效避免沖擊波的嚴重危害，有利于石膏礦安全生產，為礦山的可持續(xù)發(fā)展打下堅實基礎。

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2012－02－10）

姚 清（1977－），男，貴州大方縣人，工程師，從事地下礦山開采技術研究。