毛公鐵礦采空區(qū)安全經(jīng)濟(jì)治理方法

任思潼 丁航行 劉 歡 呂如常

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

采空區(qū)冒落透發(fā)的井下氣浪沖擊災(zāi)害［1-3］，是礦山重大災(zāi)害之一。為此，井下形成的有冒落危害的采空區(qū)，需要及時治理。采空區(qū)治理的理想方法是：改進(jìn)回采工藝，順應(yīng)巖體冒落規(guī)律，在減小礦石生產(chǎn)成本的同時，控制采空區(qū)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(qū)冒落對回采工作面的沖擊危害，以便實(shí)現(xiàn)地下采礦的安全生產(chǎn)。

本研究結(jié)合毛公鐵礦的開采現(xiàn)狀，按崩落法本質(zhì)安全理念，分析采空區(qū)冒落危害的發(fā)生條件，據(jù)此改進(jìn)崩落法回采工藝，形成采空區(qū)的安全經(jīng)濟(jì)治理方法。

1 地質(zhì)概況與生產(chǎn)問題

撫順罕王集團(tuán)毛公鐵礦屬鞍山式沉積變質(zhì)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(shù)f=7～14，屬堅(jiān)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(shù)f=7～8，屬中硬巖石。礦區(qū)地表為山地，賦存標(biāo)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(jìn)路間距18 m，垂直走向布置回采進(jìn)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(lián)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(nèi)上盤新增采空區(qū)寬度變大（如圖1所示），隨之頂板圍巖的變形與裂隙發(fā)育程度增大，當(dāng)退采到新老空區(qū)交界部位時，在與老空區(qū)欲崩透而未崩透之時，那些未崩落的實(shí)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(zāi)害。

2 礦巖力學(xué)性質(zhì)與采空區(qū)安全治理方案

現(xiàn)場調(diào)查得出的上盤圍巖與礦體的結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)等值線見圖2，可見2種巖體都有3組以上角度較大的結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu)面密閉，有的被鈣質(zhì)礦物充填。

此外，為查明采空區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)面與采動裂隙分布狀態(tài)，以及監(jiān)測采空區(qū)冒落進(jìn)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(tǒng)計(jì)得出，采空區(qū)上覆巖體的裂隙間距絕大多數(shù)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(qū)直接頂板視在完整巖層的厚度分別為9.6～13.8 m。根據(jù)排山樓金礦的經(jīng)驗(yàn)，裂隙間距超過5 m的巖層穩(wěn)定性好，可稱之為采空區(qū)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(yán)重遲滯頂板圍巖的冒落進(jìn)程，由此形成體積較大的采空區(qū)，這對生產(chǎn)安全很不利，一旦發(fā)生較大規(guī)模冒落，可形成危害工作面安全的沖擊氣浪，為此，需要嚴(yán)格控制采空區(qū)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(qū)的臨界冒落跨度可按下式計(jì)算［5-6］:

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

實(shí)測毛公鐵礦上部礦體的抗壓強(qiáng)度為30.16～83.32 MPa，平均56.74 MPa。根據(jù)書記溝鐵礦的研究經(jīng)驗(yàn)，在確定臨界冒落跨度時，可按巖石抗壓強(qiáng)度與巖體完整系數(shù)的乘積來估算巖體抗壓強(qiáng)度［7］。毛公鐵礦的上盤圍巖完整性系數(shù)為0.49，則巖體抗壓強(qiáng)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(qū)跨度為：

對于處于采準(zhǔn)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(dǎo)冒落法處理采空區(qū)。

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(qū)規(guī)?？梢允鬼敯鍑鷰r冒落不受限制，采空區(qū)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(qū)大部分區(qū)段已被冒落散體充填，部分區(qū)段因上盤傾角緩，致使上分段新增采空區(qū)呈空場狀態(tài)存在。對于采空區(qū)已被冒落散體充填區(qū)段，新增采空區(qū)出露于分段內(nèi)向上盤延展礦體的開采區(qū)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(qū)，而且新增采空區(qū)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(qū)，是可能發(fā)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(jìn)路端部出礦，新增空區(qū)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(kuò)展采空區(qū)，使采空區(qū)內(nèi)不留任何支撐礦柱。如何實(shí)現(xiàn)新老空區(qū)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(guān)鍵技術(shù)。

從上盤側(cè)礦體的回采工藝入手，研究新老空區(qū)交界部位不留支撐礦柱的方法，是解決新增空區(qū)冒落沖擊的有效途徑?，F(xiàn)用的回采方法，如前所述，在與老空區(qū)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(jīng)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(jìn)沿脈切割巷道，從該切割巷道內(nèi)布置扇形炮孔，按回采進(jìn)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(jìn)路的回采炮孔）爆破提供自由面與補(bǔ)償空間。

圖4（a）所示的切割巷道，與正常回采進(jìn)路協(xié)同退采，使空區(qū)內(nèi)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(kuò)展采空區(qū)的要求，安排正?；夭蛇M(jìn)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(jìn)路的協(xié)同退采形式如圖4（b）所示。根據(jù)采空區(qū)擴(kuò)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(qū)的有效暴露跨度達(dá)到臨界冒落跨度時，新增采空區(qū)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(jìn)后的切割方式，不僅可實(shí)現(xiàn)空區(qū)冒落安全，而且可節(jié)省崩落巖石的鑿巖爆破費(fèi)用和降低采出礦石的貧化率，是一項(xiàng)對礦山安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益致關(guān)重要的技術(shù)措施。但這一措施的實(shí)施，對爆破質(zhì)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(yán)格達(dá)到設(shè)計(jì)值，為此要嚴(yán)格控制炮孔與裝藥爆破的質(zhì)量，及時做好炮孔驗(yàn)收與補(bǔ)孔工作，嚴(yán)防崩落高度不足使正排炮孔不能正常爆破。

當(dāng)新增采空區(qū)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(qū)連通時，采取控制冒落形式與工作面防護(hù)相結(jié)合的方法，嚴(yán)防空區(qū)冒落沖擊危害。其一、精細(xì)安排回采順序。切割槽拉開后，先回采一條進(jìn)路（通常是前端為切割井的回采范圍），一直回采到進(jìn)入覆巖區(qū)，將覆巖冒落下來。此后，同步回采兩側(cè)進(jìn)路，同樣一直回采到進(jìn)入覆巖區(qū)，如此沿走向形成18 m×3=54 m寬的采空區(qū)，超過巖體的臨界冒落跨度，促使采空區(qū)自然冒落。其二、在每條進(jìn)路回采到距離老空區(qū)還有3個步距時，出礦到進(jìn)路端部口微露空區(qū)為止，留下崩落礦石作為安全墊層，保護(hù)工作面安全。其三、當(dāng)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(yīng)的回采進(jìn)路，需要分段越過新老空區(qū)交界線，先在首采切割槽附近形成54 m寬的采空區(qū)、促使頂板圍巖發(fā)生自然冒落之后，再回采相鄰切割槽負(fù)擔(dān)的回采進(jìn)路。

總之，在目前生產(chǎn)中，厚礦體采空區(qū)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(fā)生的地點(diǎn)，是分段新增空區(qū)與老空區(qū)的交界部位。采用圖4改進(jìn)的切割方式，同時依據(jù)上分段有無空區(qū)，確定上盤礦體回采順序與出礦方式，即可有效防治采空區(qū)冒落沖擊危害。

圖4方案從2017年1月開始實(shí)施，歷經(jīng)10個月的時間，目前0 m分段回采了10條進(jìn)路，走向長度達(dá)180 m，采空區(qū)在不知不覺中自然冒落，在新老空區(qū)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(shí)現(xiàn)了采空區(qū)安全經(jīng)濟(jì)治理。

3 結(jié) 論

（1）毛公鐵礦的礦巖穩(wěn)定性差異較大，近礦圍巖多為厚層穩(wěn)定圍巖，滯后冒落形成規(guī)模較大的采空區(qū)。采空區(qū)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(dǎo)冒落法處理采空區(qū)。

（2）毛公鐵礦采空區(qū)主要出露于上盤側(cè)礦體開采區(qū)域，屬于分段礦體從上盤向下盤退采的新增空區(qū)，防治空區(qū)冒落氣浪沖擊危害的最安全與經(jīng)濟(jì)方法，是控制采空區(qū)頂板圍巖按零星冒落形式完成初始冒落過程。為此，需改進(jìn)上盤側(cè)礦體的切割回采工藝，形成連續(xù)采空區(qū)，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(jìn)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(jìn)路協(xié)同退采，使新老空區(qū)交界部位不形成支撐礦柱，可保障采空區(qū)頂板的零星冒落條件。當(dāng)上盤側(cè)礦體回采到新老空區(qū)交界部位的附近時，需保持回采進(jìn)路端部口不敞空，嚴(yán)防批量冒落的氣浪沖擊。

（4）改進(jìn)后的切割方法與常規(guī)的崩落上盤圍巖相比，既有利于新增空區(qū)頂板冒落形式控制，也有利于降低上盤側(cè)采出礦石的貧化率，可實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的安全經(jīng)濟(jì)治理。