山東鑫泰緩傾斜礦體采空區(qū)處理技術(shù)研究

劉偉明

（山東煙臺(tái)鑫泰黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 煙臺(tái) 265147）

鑫泰公司礦體均采用地下開采方式，單個(gè)采場(chǎng)生產(chǎn)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(wěn)固，硬度系數(shù)f=7～9。采礦方法主要為全面采礦法。土堆礦區(qū)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(shù)量形狀不明的采空區(qū)，成為礦山開采的重大安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)：近五年形成的空區(qū)總量約50萬(wàn)m3（采空區(qū)概況如表4-2所示）。例如：-250m～-280m中段463～504線之間存在長(zhǎng)約110m，寬約20m的大采空區(qū)，現(xiàn)在-250m水平該采空區(qū)已有局部冒落，采空區(qū)體積估計(jì)約10萬(wàn)m3。所以，加強(qiáng)對(duì)礦井采空區(qū)的處理技術(shù)的深入研究，對(duì)保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 鑫泰公司采空區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 采空區(qū)總體概況

通過對(duì)中段空區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及分析可知，鑫泰公司井下空區(qū)概況如下：

（1）采空區(qū)處理情況。鑫泰公司自地下開采以來未對(duì)采空區(qū)進(jìn)行過妥善處理，基本上以局部不穩(wěn)定區(qū)域增大礦柱、礦壁，回采結(jié)束后用木柵、預(yù)制混凝土砌塊封閉空區(qū)入口等方式處理。

（2）采空區(qū)影響范圍。采空區(qū)處于山區(qū)，地表主要為植被覆蓋，有部分農(nóng)田?？諈^(qū)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(shù)進(jìn)行分析，可以認(rèn)為頂板巖石只會(huì)在一定范圍內(nèi)發(fā)生變形和破壞，形成裂隙帶，不會(huì)發(fā)展至地表水平，采空區(qū)現(xiàn)狀如表1所示。

表1 采空區(qū)現(xiàn)狀概況

（3）近年來采空區(qū)地壓活動(dòng)情況。近年來，未產(chǎn)生過大規(guī)模的地壓活動(dòng)，地表塌陷事故和人員安全事故也從未發(fā)生，其中礦柱開裂和局部巖層頂板冒落是地壓活動(dòng)的主要現(xiàn)象。局部小規(guī)模地壓活動(dòng)表現(xiàn)為：①T3-2-4采場(chǎng)回采后封閉，空區(qū)高度達(dá)8m～10m，發(fā)生過頂板局部垮落現(xiàn)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(chǎng)的部分采空區(qū)內(nèi)有局部小規(guī)模的頂板冒落、礦柱開裂現(xiàn)象；③T3-1號(hào)殘采采場(chǎng)在放炮結(jié)束后的通風(fēng)時(shí)間段內(nèi)，出現(xiàn)部分頂板冒落情況[1]。其他地壓顯現(xiàn)出礦柱開裂和少部分老采空內(nèi)少量頂板冒落等現(xiàn)象，對(duì)公司的安全生產(chǎn)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

1.2 采空區(qū)初步調(diào)查結(jié)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(shù)量形狀不明的采空區(qū)，成為礦山開采的重大安全隱患[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)：近五年形成的空區(qū)總量約50萬(wàn)m3。同樣對(duì)擬開展科研工作的土堆礦區(qū)部分空區(qū)形態(tài)特征進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，見表2。

表2 土堆礦區(qū)代表性空區(qū)統(tǒng)計(jì)表

2 采空區(qū)冒落機(jī)理分析

2.1 主要因素分析

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外研究成果的分析，可總結(jié)出采空區(qū)巖體冒落的規(guī)律：采空區(qū)出現(xiàn)后，頂板暴露面積隨著開采深度的增加而不斷擴(kuò)大，會(huì)改變?cè)瓗r應(yīng)力的平衡狀態(tài)，在上覆巖體的作用下，空區(qū)頂板巖體發(fā)生變形，并隨之產(chǎn)生向下彎曲和移動(dòng)，當(dāng)頂板圍巖所受拉力大于巖體自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生斷裂、破碎等現(xiàn)象，導(dǎo)致冒落。其中堅(jiān)硬頂板冒落機(jī)理主要分為拉斷破壞和剪切破壞兩種[3]。綜合巖體冒落機(jī)理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析，影響空區(qū)頂板巖體冒落的主要因素包括以下幾點(diǎn)：第一，地質(zhì)水文的影響，當(dāng)出現(xiàn)斷層、節(jié)理、裂縫現(xiàn)象后水文地質(zhì)越是復(fù)雜越容易發(fā)生冒落；第二，巖體結(jié)構(gòu)面的影響，發(fā)生冒落是因?yàn)閹r體軟弱結(jié)構(gòu)面和巖體完整性差；第三，巖體物理力學(xué)的影響，發(fā)生冒落主要是因?yàn)閹r體的抵抗破壞能力較差；第四，暴露面積和時(shí)間的影響，頂板的暴露面積越大其跨度越大，所需時(shí)間也越長(zhǎng)，發(fā)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(jìn)而發(fā)生冒落。

2.2 采空區(qū)巖體冒落模擬分析

依據(jù)每次冒落量大小情況進(jìn)行劃分，可以將采空區(qū)冒落形式分為零星冒落、批量冒落以及大規(guī)模冒落等三種形式。通常情況下在初始階段零星冒落發(fā)展到大規(guī)模冒落是在不知不覺中形成的，大規(guī)模冒落的危害較大，會(huì)導(dǎo)致采場(chǎng)坍塌危害礦工的生命安全，因此需要加強(qiáng)對(duì)采空區(qū)巖體冒落的控制。采空區(qū)冒落與頂板上部巖層的冒落能量的積蓄條件有直接關(guān)系，在具備冒落面積的采空區(qū)中當(dāng)無礦柱進(jìn)行支撐時(shí)頂板會(huì)發(fā)生形變，當(dāng)表層巖體的自重力超出巖塊間內(nèi)聚力時(shí)，巖體就會(huì)發(fā)生自燃掉落出現(xiàn)零星冒落現(xiàn)象，當(dāng)采空區(qū)有礦柱支撐作用的情況下，頂板圍巖的形變以及冒落將會(huì)受到一定的阻力作用，但礦柱的支撐強(qiáng)度卻無法完全限制頂板圍巖微裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展。在這種情況下，頂板上部的冒落能量會(huì)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(huì)突然釋放進(jìn)而發(fā)生大規(guī)模冒落的形式。

我國(guó)發(fā)生大規(guī)模冒落的礦山大多是因?yàn)榈V柱積蓄了大量冒落能量所導(dǎo)致的。以往礦山開采過程中都會(huì)預(yù)留不規(guī)則礦柱，由于礦柱支撐的作用頂板隨著時(shí)間的積累會(huì)積蓄大量的冒落能量，最后當(dāng)?shù)V柱強(qiáng)度無法支撐時(shí)就會(huì)突然釋放冒落能量造成大規(guī)模的冒落。所以為了避免采空區(qū)產(chǎn)生大規(guī)模的冒落，必須在采空區(qū)發(fā)生初始冒落過程中按零星冒落形式進(jìn)行巖體的自然冒落，消除采空區(qū)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(dāng)消除采空區(qū)礦柱后，采空區(qū)頂板圍巖的冒落主要以巖體結(jié)構(gòu)性能、強(qiáng)度及應(yīng)力條件有直接關(guān)系。鑫泰公司礦井采空區(qū)頂板圍巖主要以花崗閃長(zhǎng)巖及大理巖為主，抗壓強(qiáng)度在54.21MPa～72.69MPa范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定級(jí)別偏向Ⅱ級(jí)穩(wěn)定巖體，當(dāng)采空區(qū)埋深在70m以上時(shí)可參照拱形冒落機(jī)理來分析頂板圍巖應(yīng)力情況：假如采空區(qū)上覆巖層垂直應(yīng)力q均勻分布，此時(shí)在應(yīng)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(jù)力系平衡原理，可得如下關(guān)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(qū)頂板埋深；

圖2 平衡拱受力分析圖

通過對(duì)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(guān)系，當(dāng)采空區(qū)跨度越大則T就會(huì)越來越大，當(dāng)采空區(qū)跨度增大到一定值時(shí)，臨空面的巖體將會(huì)發(fā)生橫向形變產(chǎn)生一定拉應(yīng)力，在拉應(yīng)力與巖體自重力的共同作用下采空區(qū)表面的巖體會(huì)發(fā)生裂縫與貫通最后會(huì)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(jì)算

2.3.1 臨界冒落跨度計(jì)算

為了改變采空區(qū)初始冒落的形式削弱采空區(qū)頂板冒落的能量，需要將采空區(qū)發(fā)展成為一個(gè)較大跨度的連續(xù)采空區(qū)。臨界冒落跨度是指采空區(qū)上覆巖體自然冒落產(chǎn)生的最小跨度，其所產(chǎn)生的自然冒落面積即為臨界冒落面積。從采空區(qū)的產(chǎn)生規(guī)模看，淺埋深中型采空區(qū)主要是長(zhǎng)60m～100m、寬40m～50m、中段間高30m～60m的采空區(qū)（1～2個(gè)中段），埋深為60m～100m之間。從頂板的圍巖的硬度與結(jié)構(gòu)面的情況以及采空區(qū)的形態(tài)來看，冒落線的形態(tài)趨近于拱形，因此依據(jù)拱形冒落的方式對(duì)頂板圍巖受力情況進(jìn)行分析，可以計(jì)算出臨界冒落跨度，計(jì)算公式如下式：

式中：Tc-巖體極限抗拉強(qiáng)度，t/m3；γ-上覆巖層容重，t/m3；H-采空區(qū)頂板的埋深，m；h-采空區(qū)高度，m；

經(jīng)實(shí)際計(jì)算可得出采空區(qū)頂板巖體臨界的冒落跨度大約在43m～62m之間，如持續(xù)冒落跨度為臨界冒落跨度的1.25倍計(jì)算的話可以得出持續(xù)冒落的跨度大約在54m～79m之間。通過以上的計(jì)算分析可知，目前采空區(qū)的跨度（約35m～40m）尚未達(dá)到臨界冒落跨度的數(shù)值，所以在不受開采爆破等相關(guān)震動(dòng)干擾的狀況下，圍巖相對(duì)穩(wěn)定不會(huì)發(fā)生冒落現(xiàn)象，隨著礦柱的回采當(dāng)采空區(qū)的跨度在55m～56m時(shí)候，圍巖不穩(wěn)定區(qū)域則會(huì)發(fā)生冒落現(xiàn)象。

2.3.2 臨界冒落面積計(jì)算

由上式得到臨界冒落跨度為43m～62m，持續(xù)冒落跨度應(yīng)為54m～79m。選取臨界冒落跨度值43m進(jìn)行計(jì)算，可以得出相應(yīng)的臨界冒落最小等價(jià)圓面積約為：

選取持續(xù)冒落跨度值79m進(jìn)行計(jì)算，可得出相應(yīng)的最小等價(jià)圓面積為：

根據(jù)上述理論分析計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查可知，目前鑫泰公司部分礦井采空區(qū)跨度圍巖的穩(wěn)定性已趨于臨界冒落跨度狀態(tài)，隨著部分礦柱的回采，采空區(qū)跨度值將超過不穩(wěn)定圍巖臨界冒落跨度值的24%。另外，隨著采空區(qū)頂板的日久衰落，頂板表面的強(qiáng)度逐漸弱化，受開采爆破的震動(dòng)影響較大，這樣將會(huì)大大降低不穩(wěn)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(qū)頂板一定會(huì)產(chǎn)生冒落現(xiàn)象。

3 采空區(qū)處理技術(shù)方案

3.1 崩落法處理采空區(qū)

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

依據(jù)公式可知采空區(qū)頂板巖石產(chǎn)生的最大冒落高度H主要與回采的高度h以及碎脹系數(shù)k有關(guān)。

式中：h為回采高度，m；α為礦體傾角，°；k為巖體碎脹系數(shù)。

由以上分析及計(jì)算依據(jù)可以得知鑫泰公司采空區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果：崩落處理了-250T3-1采1、476線北側(cè)、-235T3-1采1、476線南側(cè)采空區(qū)?？諈^(qū)體積約8842m3。

3.2 廢石充填處理空區(qū)

礦山采空區(qū)具有數(shù)量多、分布廣、形態(tài)各異等特點(diǎn)，在常規(guī)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(qū)。廢石充填不僅能夠提升采空區(qū)的安全穩(wěn)定性，而且還是實(shí)現(xiàn)了殘石的回收利用并節(jié)省了廢石的運(yùn)輸成本為企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本。利用廢石充填處理采空區(qū)的話，需要遵循以下兩方面原則：第一，需要礦山單體規(guī)模要大，且持續(xù)服務(wù)年限較長(zhǎng)；第二，還需要采空區(qū)圍巖有便利、較強(qiáng)的填充井巷，否則必須建立相應(yīng)穩(wěn)定性好的充填井巷。

廢石充填方案實(shí)施以來，鑫泰公司井下廢石充填系統(tǒng)安全運(yùn)行，目前累計(jì)充填的采空區(qū)分別為-261T3-10采1；采2、484線南北側(cè)空區(qū)及-280T3-2采2、468線與-460線之間空區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前采空區(qū)填充體積已達(dá)到0.78萬(wàn)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(wěn)定性得到顯著提升，同時(shí)采空區(qū)二次應(yīng)力場(chǎng)也得到有效改善，有效控制了采空區(qū)頂板冒落及相關(guān)地壓活動(dòng)。

3.3 封閉采空區(qū)方案

采空區(qū)封閉處理措施是諸多采空區(qū)處理措施中實(shí)用性和有效性較好的處理措施，目前鑫泰公司部分采空區(qū)采用封閉采空區(qū)處理方式后都取得了較好的效果。依據(jù)相關(guān)理論與計(jì)算，鑫泰公司將原-293T3-10采1、492線與500線之間及相鄰空區(qū)進(jìn)行了封閉處理，處理空區(qū)總量為1.2萬(wàn)m3處理后封閉地點(diǎn)見表。

表3 封閉處理采空區(qū)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

綜上所述，礦山采空區(qū)治理方案的實(shí)施，可以有效地防止井下大規(guī)模地壓活動(dòng)，從而保障礦山安全、高效開采。同時(shí)采用廢石充填處理技術(shù)，空區(qū)總量達(dá)到0.8萬(wàn)m3，相當(dāng)于減少了0.3萬(wàn)t井下廢石不出坑，按13元/t的提升過程中所產(chǎn)生的所有費(fèi)用計(jì)算，減少了運(yùn)輸及提升費(fèi)用約3.9萬(wàn)元，礦山每年約有11.5萬(wàn)t井下廢石不用出地面直接輸送到相應(yīng)采空區(qū)，每年可節(jié)約廢石提升與運(yùn)輸費(fèi)用約15萬(wàn)元。不僅實(shí)現(xiàn)了礦山資源的綜合利用，還延長(zhǎng)了礦山服務(wù)年限。