誘導冒落法處理時采空區散體墊層的安全厚度*

曹建立 任鳳玉

(東北大學資源與土木工程學院)

誘導冒落技術是一種應用于崩落法開采的地下礦山的新型開采技術。該技術是通過崩落采空區內部的支撐物，擴展采空區有效暴露面積，及時釋放采空區頂板的變形能，使頂板圍巖的初始冒落形式呈零星冒落［1］。但頂板的冒落形式往往難以控制，有時會出現較大規模冒落，形成的沖擊氣浪嚴重威脅井下的作業安全［2］。為消除沖擊氣浪的威脅，多采用留設散體墊層的措施［3］。散體墊層的作用主要是防止空區冒落氣浪的沖擊，有效降低沖擊氣浪對出礦口工作人員、設備的危害，而散體墊層厚度成為降低沖擊氣浪速度至安全范圍的關鍵。

1 概采空區概況

書記溝鐵礦為沉積變質型磁鐵礦床，前期用階段礦房法和淺孔留礦法開采，形成了5個規模較大形狀不規則的采空區，其中2#井田201#、206#、208－1#和208－2#4個中型采空區總體積406 557 m3(圖1)，這些采空區嚴重威脅著空區下部采礦生產的安全。曾設計從地表崩落頂蓋和在井下放頂形成安全墊層2種處理方案，但由于施工安全無保障、處理費用高等原因未能實施;后提出誘導冒落與工作面散體防護相結合的處理方案。無論何種方案，均需形成一定厚度的散體安全墊層，而如何確定散體安全墊層厚度成為確保安全生產與方案成功實施的前提保障。筆者針對各采空區的不同現狀，提出了相對應的散體安全墊層厚度確定方法，保證了誘導冒落與工作面散體防護相結合的處理方案得以安全實施，使該礦2#井田4個采空區在沒有影響正常生產的情況下得以安全冒落。

圖1 2#井田采空區位置與編號

2 散體安全墊層厚度的確定

2.1 201#采空區

201#采空區由于空區頂板距離地表約68.43 m，且地表軟弱巖體厚度較大(圖2)，有可能突然冒透地表，使冒落氣浪服從打氣筒模型［4］。采空區冒落產生的氣流向聯通口奔突，直至在出口排出多余的空氣體積量為止。一定厚度的散體墊層將對冒落引起的空氣沖擊波起濾波、消波作用，尤其對氣浪起到阻隔與減速作用。當氣浪通過散體墊層后，其沖擊力與速度均得以降低。

圖2 2#井田201#采空區剖面

銅陵有色金屬公司獅子山銅礦對此所做的工作很有借鑒意義［5-6］。該礦頂板圍巖穩固性較好，采用有底柱崩落法開采，因頂板滯后冒落形成了137.82萬m3的巨大采空區。為保證空區下部采場作業人員與設備的安全，在采場內預留一層由崩落礦石形成的散體墊層。為定量研究散體墊層的安全保護作用，該礦與中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司聯合委托解放軍89002部隊進行模擬實驗研究［7］。模擬實驗的原始條件為直徑70 m、厚70 m、密度γ= 3.3 t/m3的頂板巖體，突然下落140 m，沖擊在孔隙度為48.5%的散體上。實驗得出的氣浪通過墊層后的風速v與墊層厚度δ的函數關系為

安全規程中人員可以承受的極限風速為12 m/s。將其代入式(1)計算，得出與該氣流速度相對應的散體墊層厚度δ≥5.8 m。

書記溝鐵礦2#井田201#采空區的冒落載荷，來自上覆的玄武巖體與第四系沖積層，最大可能的冒落散體體積與冒落高度遠小于獅子山銅礦，而且無底柱分段崩落法為端部放礦，采空區頂板的冒落巖體，直接沖擊在巷道底板的殘留散體上，使沖擊力度與沖擊氣浪的強度都可得到一定的緩解。由此可見，散體安全墊層所需的最大厚度不會超過5.34 m。

上式分析計算結果偏于保守，根據西石門鐵礦、桃沖鐵礦用散體墊層成功防治采空區大規模冒落氣浪沖擊危害的經驗，總結出散體安全墊層最小厚度的估算式為

式中，δ為散體安全墊層最小厚度，m;d為冒落巖體等價圓直徑，m;h為冒落高度，m;δ0為散體墊層基礎穩固性補償量，對于井、巷封堵條件，可取δ0=1.5～2.0 m，對于出礦進路端部口封堵條件，可取δ0= 0。

根據書記溝鐵礦2#井田201#采空區的圍巖穩定性估計，冒落巖體的規模可控制在直徑30 m，最大下落高度可控制在66 m。將d=30 m，h=66 m，δ0=0代入式(2)，計算得散體安全墊層的厚度為

可見，控制冒落規模后，在出礦口部位留不小于3.2 m厚的散體墊層，即可保障2#井田201#采場進路回采作業的安全。

2.2 206#采空區

206#采空區在礦體厚度較大的部位，現今采空區的等價圓面積超過其臨界冒落面積，預計可控制在下一分段按零星冒落形式冒落形成足夠厚度的散體墊層，空區的最大高度不超過50 m。

206#采空區的北端，空區的寬度小且高度低，勢必滯后冒透地表，形成的空區有可能成為大冒落時沖擊氣浪的通道。但因整體上空區寬度較小，一次冒落量較小，氣浪的沖擊力度較小。與201#采空區比較，206#采空區無論在冒落高度還是冒落面積上均較小，因此，最大散體墊層厚度可確定為3 m。實際生產中，可按空區的規模確定散體墊層的厚度，當采空區的空間較大時，就要在端部口的上方留厚度不小于3 m的散體墊層;當空間較小時，估計大冒落時能夠很快被冒落散體堵塞，可按出礦口不敞空的原則控制放礦。用適當的散體將空區與進路作業點隔離開來，即可防止沖擊氣浪傷人事故的發生。

2.3 208－1#與208－2#采空區

208－1#與208－1#2個采空區的單個跨度都小于臨界冒落跨度，而208－1#采空區必須在巖石里布置誘導工程才能使其自然冒落，經多方案分析比較，確定采用在1 195 m分段208－1#與208－2#采空區之間增開3條巖石巷道，崩落其間部分巖柱，使2空區連為一體的方法誘導冒落。但在崩落2空區之間的部分巖柱時，可能引起批量冒落或大規模冒落，為此要做好工作面防護工作。根據空區形態與頂板圍巖穩定性，估計一次冒落的冒落體直徑不會超過72 m，冒落高度不會超過65 m，代入式(2)，得

所需散體安全墊層的厚度為4.82 m，為此設計采用在端部口上方留下5 m散體墊層的方法，防止冒落氣浪危害。

3 方案實施效果

201#采空區頂板圍巖為比較軟弱的玄武巖層，可冒性較好，有突然冒透地表的可能性，為此須控制頂板圍巖的冒落形式，并做好大冒落的防護工作。生產中采取了如下技術措施。

(1)對1 220 m水平北側尚未回采的礦柱，組織施工進行強采，礦柱高度無論大小、無論是否礦石，都100%崩落，使頂板不積畜冒落能量，促使其零星冒落;鏟運機出礦時出礦口微露空區為止，嚴禁出空端部口，以防冒落氣浪沖擊。

(2)先回采1 220 m水平的礦柱與邊角礦體，之后再回采1 208 m分段進路，以遲滯1 208m分段的回采時間，等待空區頂板及四周圍巖冒落形成足夠厚度的散體安全墊層。

(3)在1 208 m分段回采過程中，放出崩礦量的80%左右，以便在端部口上方留下不小于3.2m厚的散體墊層，隔斷工作面與空區的通道。

201#采空區從2011年3月進入1 195m分段回采，試用截止品位放礦方式，結果達到了出礦口放不空的程度。從覆蓋層散體的出露情況估計，覆蓋層厚度已不小于15 m，完全滿足安全墊層的要求。

206#采空區平面呈長條形，由于空區長度大且上盤傾角較小，利用上盤圍巖的有效暴露面積誘導采空區自然冒落。為此，從1 208 m分段開始調整回采順序，由原來從兩端向中間回采調整為從礦體中間向兩端退采，并保持向兩端均衡推進。同時，無論是垂直走向進路還是沿走向進路，每一步距都100%崩落，形成連續采空區。在礦體厚度較大或不少于2個分段回采的部位，出礦時不出空端部口;在用空場法回采邊角礦時，在與大空區聯通部位，工作地點與塊體崩落地點保持6 m以上的安全距離。目前206#采空區已經回采到1 195 m分段，采用截止品位放礦，端部口已經達到出不空的程度，表明由冒落圍巖形成的散體安全墊層已經形成。

在1 195 m分段，在208－1#與208－2#2個采空區之間的巖柱位置，補加了3條巖石進路。回采時，1 195 m分段采用從里向外齊頭并進的回采順序，對前端邊角礦體的單分段進路，爆破后允許出空端部口，但嚴禁鏟運機司機的頭部進入空場作業，以防落塊傷人;當回采工作面臨近第二分段回采邊界時，采用端部口不出空的控制出礦方式，放礦到微露空區為止;當工作面進入巖柱部位回采時，按崩礦量控制放出，每步距放出崩礦量的70%左右，保證出礦口上方留下不小于5 m的礦石散體墊層;巖石每步距放出崩落量的25%左右，至滿足松散要求為止，以嚴防冒落氣浪的沖擊。隨著巖柱進路的回采，2個空區連成一體，形成一個跨度達96 m的大空區(稱為208#采空區)。

隨著空區跨度的快速增大，空區頂板發生了快速冒落。2010年6月7日下午5時，回采工作面剛剛越過巖柱部位，208#采空區就發生了通達地表的大冒落，在地表形成一個東西長約100 m、南北寬約80 m的橢圓形塌陷坑(圖3)。

圖3 208#空區地表塌陷坑照片

冒落時在地表向上沖出一股巨大粉塵柱，隨后向四周迅速飄散。冒落后在塌陷坑周圍粉塵散落范圍達100～120 m，可見大冒落沖擊力度之大。而工作面未見到明顯的冒落沖擊粉塵，也沒有設備被沖擊的任何痕跡，表明工作面未受到有害沖擊，由此表明，所留散體墊層的厚度完全滿足防止采空區大冒落沖擊危害的要求。

4 結論

(1)根據西石門鐵礦、桃沖鐵礦用散體墊層成功防治采空區大規模冒落氣浪沖擊危害的經驗，總結出散體安全墊層最小厚度的估算公式。

(2)應用散體安全墊層最小厚度的估算公式對書記溝鐵礦各空區散體墊層安全厚度分別進行了計算，制定了具體的安全防護措施，使各空區得以安全冒落。

書記溝鐵礦空區發生大冒落而工作面人員設備均未受到損害的事實說明，按研究在各空區留出的散體安全墊層完全可起到防治空區冒落產生的氣浪沖擊危害的作用。

［1］ 周宗紅，任鳳玉，等.誘導冒落技術在空區處理中的應用［J］.金屬礦山，2005(12):73-74.

［2］ 趙 文.地下巨型采空區頂板巖石的破壞與冒落［J］.遼寧工程技術大學學報:自然科學版，2001，20(4):507-509.

［3］ 王述紅，寧新亭，任鳳玉.崩落采礦法覆蓋層合理保有厚度的探討［J］.東北大學學報:自然科學版，1998，19(5):459-461.

［4］ 陳慶凱，任鳳玉，等.采空區頂板冒落防治技術措施的研究［J］.金屬礦山，2002(10):7-9.

［5］ 郭金峰，張傳信.獅子山銅礦特大空區安全監測與穩定性研究［J］.江西有色金屬，2003，17(4):14-17.

［6］ 錢光榮.獅子山銅礦深部大空區的穩定性研究［J］.有色金屬，2003，55(4):22-23.

［7］ 馬鞍山礦山研究院.礦石墊層對冒落載荷的濾波消波效果試驗報告［R］.馬鞍山:馬鞍山礦山研究院，1990.