河北大白陽(yáng)金礦采空區(qū)處理綜合技術(shù)研究

李 闖，唐 濤

（1.長(zhǎng)春黃金研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.河北大白陽(yáng)金礦有限公司，河北 張家口 075100）

1 工程概況

目前礦山1765及上部中段形成了60余個(gè)采空區(qū)，由于當(dāng)時(shí)的開采經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件，采用房柱法、全面法進(jìn)行開采，存有大量礦柱未有回收，大部分空區(qū)只通過(guò)封堵進(jìn)入采場(chǎng)的通道進(jìn)行處理，隨著空區(qū)暴露時(shí)間的增加，上部中段和相鄰采場(chǎng)的地壓發(fā)生了明顯的變化，個(gè)別地段變形尤為嚴(yán)重，存在著極大的安全隱患。

2 采空區(qū)調(diào)查與評(píng)價(jià)

2.1 采空區(qū)調(diào)查

采空區(qū)調(diào)查內(nèi)容主要包括：采空區(qū)的空間位置；形狀與大??；采空區(qū)破壞與垮塌情況；采空區(qū)的聯(lián)通情況；殘留礦柱（礦石）情況等。大白陽(yáng)金礦采空區(qū)主要分布在1725中段、1765中段及其上部中段，到目前為止1725中段形成采空區(qū)1個(gè)，1765中段及以上共形成采空區(qū)40余個(gè)，采空區(qū)總體積達(dá)到1292738m3，單個(gè)最大采空區(qū)體積105101m3，單個(gè)最大暴露面積22848m2。

2.2 采空區(qū)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

采空區(qū)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)是對(duì)采區(qū)范圍內(nèi)的采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的分析，主要從采空區(qū)是否會(huì)引起地表塌陷、是否冒落、是否會(huì)發(fā)生沖擊地壓、礦柱的完整性方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，見表1所示。

根據(jù)空區(qū)評(píng)價(jià)表1可知，1792、1813水平空區(qū)出現(xiàn)了明顯的塌陷，空區(qū)內(nèi)礦柱已經(jīng)回收。

1725、1737、1765、1776水平水平空區(qū)未出現(xiàn)明顯塌陷，空區(qū)內(nèi)還留存有未回收的礦柱。

3 采空區(qū)分類

采空區(qū)的分類方法，有多種多樣。如以采空區(qū)大小及形態(tài)進(jìn)行分類、以采空區(qū)垮塌或穩(wěn)定狀態(tài)分類、以采空區(qū)形成原因分類、以采空區(qū)處理難易程度分類等多種方式[1，2]。

針對(duì)大白陽(yáng)金礦采空區(qū)的特點(diǎn)，根據(jù)空區(qū)調(diào)查的結(jié)果并結(jié)合礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出以下幾種分類方式：

表1 大白陽(yáng)金礦空區(qū)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)表

第一大類：多年來(lái)形成的老舊空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)留存礦柱已回收且出現(xiàn)局部塌落的空區(qū)?？諈^(qū)主要分布在1792水平南北橫2線～橫8線，東西縱1～縱11線之間，空區(qū)面積約25628.7m2。

第二大類：礦塊回采之后采空區(qū)內(nèi)留存房間礦柱未回收且未出現(xiàn)塌落的空區(qū)。這種形式的空區(qū)根據(jù)回采高度分為5m以下和5m以上兩種形式?；夭筛叨?m以下形成的空區(qū)主要分布在1725南北橫13線～橫14線，東西縱6線～縱7線之間，空區(qū)面積2000m2左右?；夭筛叨?m以上形成的空區(qū)主要分布在1745水平南北橫15線～橫16線，東西縱5線～縱6線和1765水平南北橫16線～橫17線，東西縱3線～縱5線之間，空區(qū)面積11000m2左右。1725水平主要集中在南北橫14線半～橫15線半，東西縱6線～縱7線之間，空區(qū)面積6200m2左右。

第三大類：目前礦塊正在回采形成的能及時(shí)處理的空區(qū)。這種方式形成的空區(qū)根據(jù)回采高度分為5m以下和5m以上兩種形式。回采高度5m以上空區(qū)主要分布在1725中段東西縱6～縱8線、南北橫15線～橫16.5線范圍內(nèi)，空區(qū)面積1430m2左右?；夭筛叨?m以下空區(qū)主要分布在1725中段東西縱6～縱7線、南北橫13線半～橫14線半范圍內(nèi)，空區(qū)面積6000m2左右。

4 采空區(qū)治理方案

根據(jù)采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與評(píng)價(jià)以及提出的空區(qū)分類對(duì)采空區(qū)提出綜合治理方案。采空區(qū)治理方案主要包括封閉+廢石充填法、切槽放頂法、礦柱崩落+自然冒落法及礦柱支撐+頂板維護(hù)法。

4.1 封閉+廢石充填法

該方法主要是針對(duì)孤立、較小的空區(qū)采取封閉和局部廢石充填的方式進(jìn)行空區(qū)處理。封堵的對(duì)象主要是原采場(chǎng)的聯(lián)絡(luò)道等出口。主要處理第一類空區(qū)。

4.2 切槽放頂法

該方法主要是針對(duì)緩傾斜薄礦脈開采后形成的采空區(qū)，利用控制爆破手段在空區(qū)頂板拉應(yīng)力最大的地段實(shí)施爆破切槽，誘使頂板在該地段最先冒落并接頂，從而改善頂板崩落效果及受力狀態(tài)，達(dá)到處理空區(qū)的目的。該方法主要是應(yīng)用了材料力學(xué)、爆炸力學(xué)和斷裂損傷力學(xué)及井下空氣動(dòng)力學(xué)原理，研究出了切槽位置、深度及寬度的設(shè)計(jì)方法[3，4]。主要處理第二類空區(qū)。

切槽放頂鑿巖的炮孔設(shè)計(jì)深度：

式中：k：巖體松散系數(shù)。N：采空區(qū)頂?shù)装宕怪备叨?，m。r：炮孔半徑，m。S：聲阻抗，z/kg（m2.s）-1。

切槽寬度W為：

式中：W為阻隔颶風(fēng)的切槽寬度，m。C為阻力系數(shù)，一般為1.1～1.7。N為采空區(qū)斷面高度，m/s。V為W寬的石渣堆可承受的氣流速度，m/s。ρ空氣為空氣密度。f為松散巖塊間的摩擦系數(shù)，為了安全可靠一般取最小值0.25。L為切槽深度，m。ρ為松散巖塊密度，kg/m3。g為重力加速度，m/s2。б為采空區(qū)傾角，（°）。

切槽位置：按照材料力學(xué)及頂板極限懸臂跨度理論，在頂板極限跨度的1/2處頂板所受拉應(yīng)力最大，此處也是頂板切槽的最佳位置。

4.3 礦柱支撐+自然冒落法

該方法主要是靠礦塊回采結(jié)束后采場(chǎng)內(nèi)留有的自然礦柱來(lái)維護(hù)空區(qū)頂板的穩(wěn)定，而礦柱的跨度是影響空區(qū)頂板穩(wěn)定的主要因素。

礦柱跨度的確定主要是從影響采場(chǎng)頂板穩(wěn)定方面進(jìn)行驗(yàn)算和確定的。對(duì)于由薄層狀巖石構(gòu)成的采場(chǎng)頂板，隨著礦柱跨度的逐漸增大，頂板巖層彎曲也隨之增大，當(dāng)?shù)V柱跨度增大到某一數(shù)值和頂板巖層的抗拉強(qiáng)度大于其極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂板巖層將發(fā)生折斷和塌落。彎曲問(wèn)題可用梁理論作簡(jiǎn)單描述，視采場(chǎng)頂板為兩端固定、載荷均布并等于自重的梁，由材料力學(xué)可知，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在梁的兩端上邊緣點(diǎn)上，其值為：

式中：δmax—巖層（梁）所受最大拉應(yīng)力，t/m2。h——松脫巖層高度，取h=1.0m。r——頂板巖層單位體積重力，r=2.5t/m3。L——梁（分條）跨度，m。

一旦δmax大于巖石的抗拉強(qiáng)度，巖石就會(huì)發(fā)生破壞，若要滿足頂板巖層的穩(wěn)定性，則必須滿足：

式中：δt——頂板巖層巖石的抗拉強(qiáng)度，δt=377t/m2。

將上述公式整理得：

根據(jù)公式5計(jì)算礦柱的極限跨度。空區(qū)處理主要是采用空區(qū)內(nèi)留存的礦柱對(duì)頂板進(jìn)行支撐，礦柱回收結(jié)束后對(duì)空區(qū)進(jìn)行封閉處理。由于回采礦柱使其達(dá)到了極限跨度，礦柱回采結(jié)束后由于礦柱結(jié)構(gòu)弱面等因素的影響頂板局部有可能發(fā)生冒落，局部冒落會(huì)使頂板應(yīng)力重新分布，降低空區(qū)高度，且不會(huì)形成大的沖擊地壓，礦柱回采后對(duì)空區(qū)進(jìn)行封閉處理。

4.4 礦柱支撐+頂板維護(hù)法

該方法主要是針對(duì)緩傾斜中厚礦體在開采過(guò)程中，通過(guò)加固礦柱和維護(hù)空區(qū)頂板的方式保證空區(qū)的穩(wěn)定，從而達(dá)到治理空區(qū)的目的。主要處理低三類空區(qū)。

5 結(jié)論

在采空區(qū)治理過(guò)程中采用鉆孔應(yīng)力計(jì)和頂板位移水準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)其變化，用來(lái)評(píng)價(jià)采空區(qū)治理的安全、穩(wěn)定程度，同時(shí)在礦柱崩落和頂板切槽過(guò)程中，緊隨工作面埋設(shè)壓力盒和設(shè)置位移水準(zhǔn)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中頂板應(yīng)力及位移變化，用于指導(dǎo)安全生產(chǎn)。

通過(guò)上述手段及采空區(qū)治理方案對(duì)空區(qū)進(jìn)行綜合治理，改善了人員作業(yè)環(huán)境，達(dá)到了確保井下作業(yè)人員的人身安全，降低生產(chǎn)成本，保障礦山安全生產(chǎn)的目的。