山東鑫泰緩傾斜礦體采空區處理技術研究

劉偉明

（山東煙臺鑫泰黃金礦業有限責任公司，山東 煙臺 265147）

鑫泰公司礦體均采用地下開采方式，單個采場生產能力約為60t/d～70t/d，礦體為緩傾斜薄至中厚礦體以及少部分極薄礦體（厚度為0.2m～0.8m）。平均厚度3.5m～4m，傾角約15°～30°，礦巖中等以上穩固，硬度系數f=7～9。采礦方法主要為全面采礦法。土堆礦區目前開采中段為-10m～-280m，由于前期的開采，部分中段已形成一定數量形狀不明的采空區，成為礦山開采的重大安全隱患。據統計：近五年形成的空區總量約50萬m3（采空區概況如表4-2所示）。例如：-250m～-280m中段463～504線之間存在長約110m，寬約20m的大采空區，現在-250m水平該采空區已有局部冒落，采空區體積估計約10萬m3。所以，加強對礦井采空區的處理技術的深入研究，對保障礦井安全生產具有重要意義。

1 鑫泰公司采空區現狀調查

1.1 采空區總體概況

通過對中段空區的現場調查及分析可知，鑫泰公司井下空區概況如下：

（1）采空區處理情況。鑫泰公司自地下開采以來未對采空區進行過妥善處理，基本上以局部不穩定區域增大礦柱、礦壁，回采結束后用木柵、預制混凝土砌塊封閉空區入口等方式處理。

（2）采空區影響范圍。采空區處于山區，地表主要為植被覆蓋，有部分農田。空區距離地表最近距離約為200m，由于最大冒落高度H取決于回采高度h和碎漲系數進行分析，可以認為頂板巖石只會在一定范圍內發生變形和破壞，形成裂隙帶，不會發展至地表水平，采空區現狀如表1所示。

表1 采空區現狀概況

（3）近年來采空區地壓活動情況。近年來，未產生過大規模的地壓活動，地表塌陷事故和人員安全事故也從未發生，其中礦柱開裂和局部巖層頂板冒落是地壓活動的主要現象。局部小規模地壓活動表現為：①T3-2-4采場回采后封閉，空區高度達8m～10m，發生過頂板局部垮落現象，但未造成地表塌陷及人員傷亡事故；②446線附近T-2-1采場的部分采空區內有局部小規模的頂板冒落、礦柱開裂現象；③T3-1號殘采采場在放炮結束后的通風時間段內，出現部分頂板冒落情況[1]。其他地壓顯現出礦柱開裂和少部分老采空內少量頂板冒落等現象，對公司的安全生產不會產生嚴重危害。

1.2 采空區初步調查結果

目前開采中段為-10m～-280m，由于前期的開采，部分中段已形成一定數量形狀不明的采空區，成為礦山開采的重大安全隱患[2]。據統計：近五年形成的空區總量約50萬m3。同樣對擬開展科研工作的土堆礦區部分空區形態特征進行了詳細的調查，見表2。

表2 土堆礦區代表性空區統計表

2 采空區冒落機理分析

2.1 主要因素分析

通過對國內外研究成果的分析，可總結出采空區巖體冒落的規律：采空區出現后，頂板暴露面積隨著開采深度的增加而不斷擴大，會改變原巖應力的平衡狀態，在上覆巖體的作用下，空區頂板巖體發生變形，并隨之產生向下彎曲和移動，當頂板圍巖所受拉力大于巖體自身的抗拉強度時，會產生斷裂、破碎等現象，導致冒落。其中堅硬頂板冒落機理主要分為拉斷破壞和剪切破壞兩種[3]。綜合巖體冒落機理的實踐經驗分析，影響空區頂板巖體冒落的主要因素包括以下幾點：第一，地質水文的影響，當出現斷層、節理、裂縫現象后水文地質越是復雜越容易發生冒落；第二，巖體結構面的影響，發生冒落是因為巖體軟弱結構面和巖體完整性差；第三，巖體物理力學的影響，發生冒落主要是因為巖體的抵抗破壞能力較差；第四，暴露面積和時間的影響，頂板的暴露面積越大其跨度越大，所需時間也越長，發生冒落。第五，埋藏深度的影響，上覆巖體重力載荷隨著埋藏深度的增加，而不斷增大，進而發生冒落。

2.2 采空區巖體冒落模擬分析

依據每次冒落量大小情況進行劃分，可以將采空區冒落形式分為零星冒落、批量冒落以及大規模冒落等三種形式。通常情況下在初始階段零星冒落發展到大規模冒落是在不知不覺中形成的，大規模冒落的危害較大，會導致采場坍塌危害礦工的生命安全，因此需要加強對采空區巖體冒落的控制。采空區冒落與頂板上部巖層的冒落能量的積蓄條件有直接關系，在具備冒落面積的采空區中當無礦柱進行支撐時頂板會發生形變，當表層巖體的自重力超出巖塊間內聚力時，巖體就會發生自燃掉落出現零星冒落現象，當采空區有礦柱支撐作用的情況下，頂板圍巖的形變以及冒落將會受到一定的阻力作用，但礦柱的支撐強度卻無法完全限制頂板圍巖微裂紋的產生及擴展。在這種情況下，頂板上部的冒落能量會逐漸積蓄增大，一旦去掉礦柱的支撐力頂板圍巖冒落能量就會突然釋放進而發生大規模冒落的形式。

我國發生大規模冒落的礦山大多是因為礦柱積蓄了大量冒落能量所導致的。以往礦山開采過程中都會預留不規則礦柱，由于礦柱支撐的作用頂板隨著時間的積累會積蓄大量的冒落能量，最后當礦柱強度無法支撐時就會突然釋放冒落能量造成大規模的冒落。所以為了避免采空區產生大規模的冒落，必須在采空區發生初始冒落過程中按零星冒落形式進行巖體的自然冒落，消除采空區礦柱釋放頂板圍巖的冒落能量。

圖1 礦柱支撐使頂板積蓄冒落能量

當消除采空區礦柱后，采空區頂板圍巖的冒落主要以巖體結構性能、強度及應力條件有直接關系。鑫泰公司礦井采空區頂板圍巖主要以花崗閃長巖及大理巖為主，抗壓強度在54.21MPa～72.69MPa范圍內圍巖穩定級別偏向Ⅱ級穩定巖體，當采空區埋深在70m以上時可參照拱形冒落機理來分析頂板圍巖應力情況：假如采空區上覆巖層垂直應力q均勻分布，此時在應力平衡拱上，頂板圍巖受到水平壓力T和垂直壓力R的作用。根據力系平衡原理，可得如下關系式：

整理得：

式中：q—垂直壓力，q=γh；γ-上覆巖層容重，t/m3；H-空區頂板埋深；

圖2 平衡拱受力分析圖

通過對上式的分析可知頂板圍巖的水平壓力T與跨度的平方成正比關系，當采空區跨度越大則T就會越來越大，當采空區跨度增大到一定值時，臨空面的巖體將會發生橫向形變產生一定拉應力，在拉應力與巖體自重力的共同作用下采空區表面的巖體會發生裂縫與貫通最后會失去約束力，受重力作用自然冒落。

2.3 臨界跨度與臨界冒落面積計算

2.3.1 臨界冒落跨度計算

為了改變采空區初始冒落的形式削弱采空區頂板冒落的能量，需要將采空區發展成為一個較大跨度的連續采空區。臨界冒落跨度是指采空區上覆巖體自然冒落產生的最小跨度，其所產生的自然冒落面積即為臨界冒落面積。從采空區的產生規模看，淺埋深中型采空區主要是長60m～100m、寬40m～50m、中段間高30m～60m的采空區（1～2個中段），埋深為60m～100m之間。從頂板的圍巖的硬度與結構面的情況以及采空區的形態來看，冒落線的形態趨近于拱形，因此依據拱形冒落的方式對頂板圍巖受力情況進行分析，可以計算出臨界冒落跨度，計算公式如下式：

式中：Tc-巖體極限抗拉強度，t/m3；γ-上覆巖層容重，t/m3；H-采空區頂板的埋深，m；h-采空區高度，m；

經實際計算可得出采空區頂板巖體臨界的冒落跨度大約在43m～62m之間，如持續冒落跨度為臨界冒落跨度的1.25倍計算的話可以得出持續冒落的跨度大約在54m～79m之間。通過以上的計算分析可知，目前采空區的跨度（約35m～40m）尚未達到臨界冒落跨度的數值，所以在不受開采爆破等相關震動干擾的狀況下，圍巖相對穩定不會發生冒落現象，隨著礦柱的回采當采空區的跨度在55m～56m時候，圍巖不穩定區域則會發生冒落現象。

2.3.2 臨界冒落面積計算

由上式得到臨界冒落跨度為43m～62m，持續冒落跨度應為54m～79m。選取臨界冒落跨度值43m進行計算，可以得出相應的臨界冒落最小等價圓面積約為：

選取持續冒落跨度值79m進行計算，可得出相應的最小等價圓面積為：

根據上述理論分析計算及現場實際調查可知，目前鑫泰公司部分礦井采空區跨度圍巖的穩定性已趨于臨界冒落跨度狀態，隨著部分礦柱的回采，采空區跨度值將超過不穩定圍巖臨界冒落跨度值的24%。另外，隨著采空區頂板的日久衰落，頂板表面的強度逐漸弱化，受開采爆破的震動影響較大，這樣將會大大降低不穩定圍巖的臨界冒落跨度狀況，伴隨著礦柱的逐漸開采，采空區頂板一定會產生冒落現象。

3 采空區處理技術方案

3.1 崩落法處理采空區

在應用崩落法進行采空區處理過程中，通常要與殘留礦柱的回收協同進行。當采取崩落后冒落下來的巖體將直接填充到采空區的下段覆巖，可增加巖體約30%～50%。伴隨著冒落的不斷進行冒落下來的巖體將逐步填充并壓實采空區，這時采空區頂板將會收到相應的支撐力而停止垮塌。填充完畢后采空區頂板圍巖只會在受到其他外力的情況下產生部分范圍的形變破壞，產生的裂隙帶將逐步穩定。

依據公式可知采空區頂板巖石產生的最大冒落高度H主要與回采的高度h以及碎脹系數k有關。

式中：h為回采高度，m；α為礦體傾角，°；k為巖體碎脹系數。

由以上分析及計算依據可以得知鑫泰公司采空區現狀調查結果：崩落處理了-250T3-1采1、476線北側、-235T3-1采1、476線南側采空區。空區體積約8842m3。

3.2 廢石充填處理空區

礦山采空區具有數量多、分布廣、形態各異等特點，在常規的封、崩、充、支四種處理方式中，我公司提出了充填法中的廢石充填來處理部分空區。廢石充填不僅能夠提升采空區的安全穩定性，而且還是實現了殘石的回收利用并節省了廢石的運輸成本為企業節約生產成本。利用廢石充填處理采空區的話，需要遵循以下兩方面原則：第一，需要礦山單體規模要大，且持續服務年限較長；第二，還需要采空區圍巖有便利、較強的填充井巷，否則必須建立相應穩定性好的充填井巷。

廢石充填方案實施以來，鑫泰公司井下廢石充填系統安全運行，目前累計充填的采空區分別為-261T3-10采1；采2、484線南北側空區及-280T3-2采2、468線與-460線之間空區。據統計目前采空區填充體積已達到0.78萬m3，在充填體及礦柱的共同作用情況下上盤圍巖及間柱的穩定性得到顯著提升，同時采空區二次應力場也得到有效改善，有效控制了采空區頂板冒落及相關地壓活動。

3.3 封閉采空區方案

采空區封閉處理措施是諸多采空區處理措施中實用性和有效性較好的處理措施，目前鑫泰公司部分采空區采用封閉采空區處理方式后都取得了較好的效果。依據相關理論與計算，鑫泰公司將原-293T3-10采1、492線與500線之間及相鄰空區進行了封閉處理，處理空區總量為1.2萬m3處理后封閉地點見表。

表3 封閉處理采空區統計

4 結論

綜上所述，礦山采空區治理方案的實施，可以有效地防止井下大規模地壓活動，從而保障礦山安全、高效開采。同時采用廢石充填處理技術，空區總量達到0.8萬m3，相當于減少了0.3萬t井下廢石不出坑，按13元/t的提升過程中所產生的所有費用計算，減少了運輸及提升費用約3.9萬元，礦山每年約有11.5萬t井下廢石不用出地面直接輸送到相應采空區，每年可節約廢石提升與運輸費用約15萬元。不僅實現了礦山資源的綜合利用，還延長了礦山服務年限。