邢周石膏礦區(qū)采空區(qū)處理方法研究

姚 清

（河北地礦局第十一地質(zhì)大隊(duì)， 河北邢臺(tái)市 054001）

邢周石膏礦區(qū)采空區(qū)處理方法研究

姚 清

（河北地礦局第十一地質(zhì)大隊(duì)， 河北邢臺(tái)市 054001）

在分析各類采空區(qū)處理方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)邢周石膏礦現(xiàn)狀，提出了采用爆破法強(qiáng)制崩落礦柱充填空區(qū)，并預(yù)留“瓶頸”礦柱延緩頂板垮落時(shí)間。實(shí)踐證明，該處理方法技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理，取得了較好的效果。

石膏礦；采空區(qū)；崩落礦柱；預(yù)留礦柱尺寸；地面塌陷；穩(wěn)定性

在當(dāng)前我國地下石膏礦多采用房柱采礦法開采，因此形成了一定的采空區(qū)，如不及時(shí)處理則會(huì)造成重大安全隱患。比較典型的有：2003年11月10日晚9時(shí)左右，河北隆堯縣邢隆石膏礦發(fā)生采空區(qū)塌陷事故，地表塌陷面積估算約6萬m2，導(dǎo)致5人被埋；2005年11月6日19時(shí)40分，河北邢臺(tái)縣會(huì)寧鎮(zhèn)尚汪莊康立石膏礦發(fā)生采空區(qū)坍塌事故，直接塌陷區(qū)直徑約60m，波及范圍約600m×800m，造成33人死亡，4人失蹤的特大事故。

可見，石膏礦采空區(qū)的安全處理是目前亟需解決的一個(gè)重大安全問題，直接關(guān)系到礦山安全生產(chǎn)，對(duì)石膏礦山預(yù)防和減少事故具有非常重要的意義。

1 采空區(qū)處理方法分析

（1）崩落圍巖處理采空區(qū)。該方法是用崩落圍巖充填采空區(qū)，并形成緩沖保護(hù)墊層，避免采空區(qū)大量巖層突然冒落所產(chǎn)生的沖擊波的危害。其適用條件是：采空區(qū)上方設(shè)計(jì)崩落的范圍內(nèi)的礦柱已回采完畢，井巷設(shè)施也不再使用；地表允許下沉，圍巖穩(wěn)定性差。現(xiàn)階段石膏礦由于受市場因素的影響，利潤空間較小，還處于以礦養(yǎng)礦、邊掘邊采的生產(chǎn)模式，所以雖然地表允許下沉，但采空區(qū)相鄰的井巷設(shè)施還在使用，圍巖較穩(wěn)定，若采用崩落圍巖處理采空區(qū)的方法，則施工量大、成本高，影響企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo)。

（2）填料充填處理空區(qū)。該法是從礦內(nèi)外通過車輛運(yùn)輸或管道輸送方式將廢石或濕式充填料送入采空區(qū)，把采空區(qū)充填密實(shí)以消除空區(qū)的一種方法。在雙碑石膏礦區(qū)，由于附近都是耕地，可用于充填的原料不充足，而從外界通過汽車運(yùn)輸充填原料則會(huì)大大提高生產(chǎn)成本，所以，充填法不適用于該石膏礦的空區(qū)處理。

（3）用礦體支撐采空區(qū)。該方法關(guān)鍵是礦巖條件好，礦柱選留恰當(dāng)，連續(xù)的空區(qū)面積不太大。而石膏礦的硬度系數(shù)f＝2.5～3.5，頂板容易垮落，且為了提高回采率，回采空區(qū)的礦柱不能受應(yīng)力重新分布影響，不能永久地支撐空區(qū)覆巖層，因此，不宜采用礦柱支撐采空區(qū)。

（4）封閉隔離處理空區(qū)是在采空區(qū)附近通往生產(chǎn)區(qū)的巷道中，構(gòu)筑一定厚度的隔墻，使采空區(qū)中圍巖崩落所產(chǎn)生的沖擊氣浪不至造成危害。但這種方法中已封閉的采空區(qū)后期情況不明，對(duì)周圍采區(qū)的開采有影響，構(gòu)筑的隔離墻強(qiáng)度要求高，后期施工難度大，同樣不適合石膏礦采空區(qū)的處理。

2 邢周礦采空區(qū)處理方法

邢周石膏礦在并購原北新集團(tuán)的北新石膏礦（現(xiàn)稱北副井），采用房柱法開采，其在西南角存在一個(gè)約80m×200m、高10～15m的大面積采空區(qū)，直接影響到北副井的安全開采。邢周礦根據(jù)采空區(qū)的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際，采用強(qiáng)制崩落礦柱法，預(yù)留“瓶頸”礦柱，有針對(duì)性的對(duì)該采空區(qū)進(jìn)行安全處理。

2.1 采空區(qū)地質(zhì)條件

該采空區(qū)主要分布在第三系地層，上部多被第四系覆蓋，其下不整合于二疊系上石盒子組之上。采空區(qū)位于7＃礦體，底板標(biāo)高－128.5m，埋深179.3m，礦體頂板巖性主要為含泥灰?guī)r及粉砂質(zhì)泥巖，其次為含膏灰質(zhì)泥巖；礦體底板主要為含膏泥巖及少量粉砂質(zhì)泥巖，次為含膏灰質(zhì)泥巖及含膏泥質(zhì)粉砂巖。礦石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造主要為微粒、細(xì)粒－中粗粒狀結(jié)構(gòu)，致密塊狀構(gòu)造，條帶狀構(gòu)造，紋層狀構(gòu)造，有的呈網(wǎng)脈狀結(jié)構(gòu)，礫狀構(gòu)造。

采空區(qū)地面是曠地，種植楊樹林，沒有建構(gòu)筑物或重要交通設(shè)施，沉降對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)沒有嚴(yán)重影響。

2.2 崩落礦柱技術(shù)參數(shù)的選取

由于采用房柱法開采，留下的礦柱現(xiàn)支撐頂板，形成空?qǐng)?。為了保證施工人員的作業(yè)安全，避免在處理過程中空區(qū)突然下沉產(chǎn)生沖擊波造成事故，在崩礦柱時(shí)，要預(yù)留一定的承載面積，使得崩落礦柱后，在上覆巖層地壓力下，預(yù)留礦柱間斷的碎裂破壞，以達(dá)到空區(qū)緩慢下沉的目的。所以，必須合理確定礦柱最小支撐斷面尺寸和崩落高度。

根據(jù)面積承載理論，礦柱最小支撐斷面尺寸與頂板暴露跨距有如下關(guān)系：

式中：a——礦柱橫斷面邊長，m；

L——頂板暴露跨距，m；

Sc——礦柱抗壓強(qiáng)度，MPa；

ΣrH——礦柱負(fù)擔(dān)的上覆巖層壓力，kN／m2；

K——載荷系數(shù)。

礦柱的抗壓強(qiáng)度，經(jīng)推算為15～50MPa，載荷系數(shù)K取1.2，則a＝（0.15～0.54）L，按護(hù)頂層極限暴露跨距8m考慮，礦柱最小邊長取2m。

由于采用人工鉆眼爆破，最小抵抗線為1.0～2.0m。由于是孤立柱，自由面多，所以按最小抵抗線1.5～2.0m布置炮眼。在每個(gè)礦柱的每面，從地面起2m范圍內(nèi)為礦柱崩落的高度，布置上、下兩層炮孔，孔深根據(jù)礦柱大小不同程度布置，一般為2～3m。設(shè)計(jì)爆破后，礦柱在地面以上2m段，形成面積為2m×2m的“瓶頸”，如圖1所示。

圖1 礦柱“瓶頸”示意

爆破采用由遠(yuǎn)到近的起爆順序，以充分利用爆破的礦塊來充填空區(qū)做為墊層。

3 空區(qū)處理結(jié)果分析

3.1 頂板冒落時(shí)間

放炮作業(yè)完成后，頂板未立即大面積地突然冒落，而是在1～6d內(nèi)，有零星的局部冒落現(xiàn)象。34 d后，出現(xiàn)大面積、大規(guī)模的垮落，井口馬頭門處有明顯的風(fēng)流從采空區(qū)吹出，說明采空區(qū)也被冒落的巖石充填。

3.2 地面顯現(xiàn)情況

在地面空區(qū)陷落范圍內(nèi)，設(shè)置6個(gè)觀測點(diǎn)，通過觀測，空區(qū)中心最大下沉量為20cm，邊緣下沉量為1～3cm，呈長條帶下沉。

綜合頂板開始冒落到地面顯現(xiàn)沉降的時(shí)間與巖層垮落高度可知：在放炮作業(yè)的1～6d內(nèi)的冒落，是12.7m護(hù)頂層的垮落，巖石松散和碎脹充填空區(qū)，可暫時(shí)緩沖上覆巖層，但不能完全支撐上覆巖層的載荷；第三系地層上部第四系覆蓋的含泥灰?guī)r及粉砂質(zhì)泥巖不穩(wěn)定，抗剪切能力極弱，在空區(qū)內(nèi)的碎脹巖層壓實(shí)縮小的同時(shí)，上覆巖層整體下降而不破碎，隔水層沒有破壞，因此表現(xiàn)出地面經(jīng)過較長時(shí)間才沉降，又沒有與第四系的含水層導(dǎo)通發(fā)生次生的透水。這與相鄰的東良鄉(xiāng)礦、雙碑鄉(xiāng)礦、邢隆礦采空區(qū)塌陷的現(xiàn)象吻合，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3.3 對(duì)臨近采區(qū)穩(wěn)定性的影響

如果頂板垮落未達(dá)地表或充填不實(shí)時(shí)，頂板會(huì)形成新自然平衡拱，其拱腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而引起相鄰采區(qū)壓力增大，可能導(dǎo)致礦柱及頂板變形加大，使臨近采區(qū)造成新的頂板問題。邢周礦通過放柱的“瓶頸”處理礦柱后，空區(qū)沉降平穩(wěn)不會(huì)產(chǎn)生上述應(yīng)力重新集中的問題，對(duì)相鄰采區(qū)更安全，沒有影響。

4 結(jié) 論

邢周礦的成功實(shí)踐表明，采用房柱法形成的采空區(qū)，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，采用爆破法強(qiáng)制崩柱放頂處理是可行的，且在經(jīng)濟(jì)上是合理的。利用預(yù)留“瓶頸”礦柱延緩頂板的垮落時(shí)間；利用崩落礦柱充填采空區(qū)，逐步減少采空區(qū)空間，有效避免沖擊波的嚴(yán)重危害，有利于石膏礦安全生產(chǎn)，為礦山的可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

［1］張 健，張世雄.石膏礦床沖擊地壓災(zāi)害形成原因及其防范［J］.新型建筑材料，2005（6）：9－11.

［2］秦豫輝，程秀升，李春曉，等.三道莊礦區(qū)不規(guī)則空區(qū)的處理［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2004，24（1）：27－29.

［3］魏軍才.邵東縣城石膏礦老采空區(qū)地面變形原因及防治對(duì)策［J］.湖南地質(zhì)，2001，20（1）：47－52.

［4］李增學(xué).礦井地質(zhì)與資源環(huán)境［M］.北京：地質(zhì)出版社，2004.

［5］張吉龍，童 輝.夾溝礦不同跨度采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性分析研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2007，27（2）：32－34.

［6］徐必根，黃英華，劉小林.護(hù)頂層對(duì)石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性影響研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2007，27（5）：20－22.

［7］繆協(xié)興，錢鳴高.采動(dòng)巖體的關(guān)鍵層理論研究新進(jìn)展［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，29（1）.

2012－02－10）

姚 清（1977－），男，貴州大方縣人，工程師，從事地下礦山開采技術(shù)研究。