毛公鐵礦采空區安全經濟治理方法

任思潼 丁航行 劉 歡 呂如常

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819；2.中國五礦集團公司資本運營中心，北京100010；3.撫順罕王傲牛礦業股份有限公司，遼寧撫順113125）

采空區冒落透發的井下氣浪沖擊災害［1-3］，是礦山重大災害之一。為此，井下形成的有冒落危害的采空區，需要及時治理。采空區治理的理想方法是：改進回采工藝，順應巖體冒落規律，在減小礦石生產成本的同時，控制采空區頂板圍巖按零星冒落形式完成初始冒落過程，由此消除采空區冒落對回采工作面的沖擊危害，以便實現地下采礦的安全生產。

本研究結合毛公鐵礦的開采現狀，按崩落法本質安全理念，分析采空區冒落危害的發生條件，據此改進崩落法回采工藝，形成采空區的安全經濟治理方法。

1 地質概況與生產問題

撫順罕王集團毛公鐵礦屬鞍山式沉積變質鐵硅建造型鐵礦床，礦體賦存于太古代混合巖中，礦石為磁鐵石英巖，礦體隱伏，上部小下部大，如圖1所示，礦體厚度15.80～74.10 m，平均28.17 m，礦石平均品位為30.02%，礦石密度為3.37 t/m3。礦體和圍巖整合接觸，硬度系數f=7～14，屬堅硬巖石；頂板為黑云角閃斜長片麻巖和少量角閃花崗混合巖，底板為黑云角閃斜長片麻巖和部分角閃花崗混合巖。巖石密度2.7 t/m3，普氏硬度系數f=7～8，屬中硬巖石。礦區地表為山地，賦存標高+200～+297 m。礦體采用無底柱分段崩落法開采，分段高度15～20 m，進路間距18 m，垂直走向布置回采進路，從上盤向下盤回采，切割巷道布置在上盤礦巖交界部位，崩落部分巖石形成切割槽，從切割槽向分段聯巷退采。截止2016年底，回采工作面已從+115 m分段下降到+40 m分段。

隨著分段的下移，礦體上盤傾角急劇變緩，分段內上盤新增采空區寬度變大（如圖1所示），隨之頂板圍巖的變形與裂隙發育程度增大，當退采到新老空區交界部位時，在與老空區欲崩透而未崩透之時，那些未崩落的實體礦石形成“視在臨界礦柱”，承載較大壓力，從而使頂板積蓄較大的冒落能量。在此礦柱被崩落時，頂板積蓄的冒落能量突然釋放，易引起批量冒落，形成氣浪沖擊災害。

2 礦巖力學性質與采空區安全治理方案

現場調查得出的上盤圍巖與礦體的結構面極點等值線見圖2，可見2種巖體都有3組以上角度較大的結構面。這些結構面密閉，有的被鈣質礦物充填。

此外，為查明采空區上覆巖層結構面與采動裂隙分布狀態，以及監測采空區冒落進程，從地表鉆鑿了2個直徑90 mm的鉆孔，用RG攝取了孔壁圖像，如圖3所示。概椐孔壁圖像統計得出，采空區上覆巖體的裂隙間距絕大多數為1～3 m，但每一鉆孔均有10余處裂隙間距超過5 m的情況，其中采空區直接頂板視在完整巖層的厚度分別為9.6～13.8 m。根據排山樓金礦的經驗，裂隙間距超過5 m的巖層穩定性好，可稱之為采空區頂板冒落的控制巖層［4］。

毛公鐵礦近礦體有4～6個接連分布的冒落控制層，它們將嚴重遲滯頂板圍巖的冒落進程，由此形成體積較大的采空區，這對生產安全很不利，一旦發生較大規模冒落，可形成危害工作面安全的沖擊氣浪，為此，需要嚴格控制采空區頂板圍巖的冒落形式，使其不積蓄冒落能量，按零星冒落形式完成初始冒落過程。

采空區的臨界冒落跨度可按下式計算［5-6］:

式中，h為空區的高度，m；Tc為采空區頂板圍巖極限抗壓強度，t/m2；d為采空區頂板圍巖承受水平壓力作用的有效厚度，m；H為空區頂板埋深，m；γ為上覆巖層容重，t/m3。

實測毛公鐵礦上部礦體的抗壓強度為30.16～83.32 MPa，平均56.74 MPa。根據書記溝鐵礦的研究經驗，在確定臨界冒落跨度時，可按巖石抗壓強度與巖體完整系數的乘積來估算巖體抗壓強度［7］。毛公鐵礦的上盤圍巖完整性系數為0.49，則巖體抗壓強度的平均值可取為：T=56.74×0.49=27.80 MPa，此時引起頂板巖體破壞的空區跨度為：

對于處于采準階段的0 m分段，H=144 m，L=34.16 m。這一跨度值小于0 m分段的礦體厚度。因此，適合用誘導冒落法處理采空區。

毛公鐵礦主采礦體為層狀厚礦體，0 m分段回采工作面走向長約540 m，是臨界冒落跨度的15倍，由此表明，沿走向的采空區規模可以使頂板圍巖冒落不受限制，采空區能否冒落主要受傾向開采范圍控制。截止2016年底，+40 m分段以上的采空區大部分區段已被冒落散體充填，部分區段因上盤傾角緩，致使上分段新增采空區呈空場狀態存在。對于采空區已被冒落散體充填區段，新增采空區出露于分段內向上盤延展礦體的開采區域。該部位礦體上盤邊界的傾角隨采深增大而變緩，采用從上盤向下盤退采的回采順序，每一分段上盤都有新增采空區，而且新增采空區的寬度隨采深的增大而逐漸增大。這些逐漸增大的新采空區，是可能發生冒落沖擊危害的主要危險源。

由于無底柱分段崩落法在進路端部出礦，新增空區的冒落危害，主要是冒落氣浪沖擊危害。為消除這種冒落沖擊危害，就需要保障頂板圍巖按零星冒落形式完成初始冒落過程，為此需要均勻擴展采空區，使采空區內不留任何支撐礦柱。如何實現新老空區交界部位不留支撐礦柱，從而不使頂板圍巖積蓄冒落能量，是防治冒落沖擊危害的關鍵技術。

從上盤側礦體的回采工藝入手，研究新老空區交界部位不留支撐礦柱的方法，是解決新增空區冒落沖擊的有效途徑。現用的回采方法，如前所述，在與老空區欲崩透而未崩透之時，“視在臨界礦柱”承受壓力較大，從而使頂板積蓄較大的冒落能量。在此礦柱被崩落時，頂板積蓄的冒落能量突然釋放，就容易引起批量冒落，形成沖擊氣浪［6］。為此，需要改變切割工藝，避免“支撐礦柱”的形成。經過研究，提出圖4（a）所示切割方式，即在分段之間上盤面之下的礦體里，掘進沿脈切割巷道，從該切割巷道內布置扇形炮孔，按回采進路的回采方式，崩落與放出上盤礦石，為正排炮孔（垂直走向回采進路的回采炮孔）爆破提供自由面與補償空間。

圖4（a）所示的切割巷道，與正常回采進路協同退采，使空區內不形成任何支撐礦柱，由此取得最佳的冒落形式控制效果。此時，按滿足均勻擴展采空區的要求，安排正常回采進路的回采順序。在0 m分段，研究得出的上盤切割工程與回采進路的協同退采形式如圖4（b）所示。根據采空區擴展過程分析表明，保持圖4（a）所示的回采工作面形狀，使頂板不積蓄冒落能量，待新增采空區的有效暴露跨度達到臨界冒落跨度時，新增采空區頂板圍巖便會按零星冒落形式自然冒落，即在工作面人員不知不覺中完成初始冒落過程。

改進后的切割方式，不僅可實現空區冒落安全，而且可節省崩落巖石的鑿巖爆破費用和降低采出礦石的貧化率，是一項對礦山安全生產與經濟效益致關重要的技術措施。但這一措施的實施，對爆破質量控制提出新的要求，即要求沿脈切割巷道的爆破崩落高度嚴格達到設計值，為此要嚴格控制炮孔與裝藥爆破的質量，及時做好炮孔驗收與補孔工作，嚴防崩落高度不足使正排炮孔不能正常爆破。

當新增采空區寬度較大時，采用圖4（a）切割方式仍需形成“視在臨時礦柱”，此時在新老空區連通時，采取控制冒落形式與工作面防護相結合的方法，嚴防空區冒落沖擊危害。其一、精細安排回采順序。切割槽拉開后，先回采一條進路（通常是前端為切割井的回采范圍），一直回采到進入覆巖區，將覆巖冒落下來。此后，同步回采兩側進路，同樣一直回采到進入覆巖區，如此沿走向形成18 m×3=54 m寬的采空區，超過巖體的臨界冒落跨度，促使采空區自然冒落。其二、在每條進路回采到距離老空區還有3個步距時，出礦到進路端部口微露空區為止，留下崩落礦石作為安全墊層，保護工作面安全。其三、當切割巷道布置多個切割槽時，切割巷道可以從多個切割槽同時回采，但所對應的回采進路，需要分段越過新老空區交界線，先在首采切割槽附近形成54 m寬的采空區、促使頂板圍巖發生自然冒落之后，再回采相鄰切割槽負擔的回采進路。

總之，在目前生產中，厚礦體采空區冒落危害的主要形式，是批量冒落引起的氣浪沖擊危害；主要危害可能發生的地點，是分段新增空區與老空區的交界部位。采用圖4改進的切割方式，同時依據上分段有無空區，確定上盤礦體回采順序與出礦方式，即可有效防治采空區冒落沖擊危害。

圖4方案從2017年1月開始實施，歷經10個月的時間，目前0 m分段回采了10條進路，走向長度達180 m，采空區在不知不覺中自然冒落，在新老空區交界部位工作面人員未感受任何冒落沖擊，表明按照圖4方案實現了采空區安全經濟治理。

3 結 論

（1）毛公鐵礦的礦巖穩定性差異較大，近礦圍巖多為厚層穩定圍巖，滯后冒落形成規模較大的采空區。采空區臨界冒落跨度一般不超過35 m，小于礦體水平厚度，因此可用誘導冒落法處理采空區。

（2）毛公鐵礦采空區主要出露于上盤側礦體開采區域，屬于分段礦體從上盤向下盤退采的新增空區，防治空區冒落氣浪沖擊危害的最安全與經濟方法，是控制采空區頂板圍巖按零星冒落形式完成初始冒落過程。為此，需改進上盤側礦體的切割回采工藝，形成連續采空區，使頂板圍巖不積蓄冒落能量。

（3）在分段之間上盤面之下的礦體里掘進沿脈切割巷道，布置扇形中深孔回采形成切割空間，并與回采進路協同退采，使新老空區交界部位不形成支撐礦柱，可保障采空區頂板的零星冒落條件。當上盤側礦體回采到新老空區交界部位的附近時，需保持回采進路端部口不敞空，嚴防批量冒落的氣浪沖擊。

（4）改進后的切割方法與常規的崩落上盤圍巖相比，既有利于新增空區頂板冒落形式控制，也有利于降低上盤側采出礦石的貧化率，可實現采空區的安全經濟治理。