某鐵礦采空區(qū)冒落沖擊氣浪危害及防護措施

辜志強

(四川省煤炭設(shè)計研究院,成都 610000)

0 引言

礦山開采過程中,將地下礦體資源開采完成后將留下采空區(qū)[1],當(dāng)采空區(qū)形成一定范圍區(qū)域時會對礦山的正常生產(chǎn)造成威脅[2-3]。發(fā)生頂板冒落事故時,垮落的巖石以極快的速度壓縮采空區(qū)內(nèi)的封閉氣體,在采空區(qū)內(nèi)及巷道中產(chǎn)生速度極高的沖擊氣浪,對井下作業(yè)人員、設(shè)備危害極大[4]。

某鐵礦主要采用無底柱分段崩落法與分段空場法開采,生產(chǎn)中段為1318中段與1258中段。1208中段為生產(chǎn)準備中段,1165中段完成部分開拓工程,現(xiàn)主要作為運輸、通風(fēng)、排水中段。其中,1318中段布置有兩個裝運礦作業(yè)點,分別是1318 m中段70線CM3裝運礦作業(yè)點和1318中段62線-64線CM9裝運礦作業(yè)點,采礦作業(yè)已全面結(jié)束,采空區(qū)已密閉。1258中段布置有兩個作業(yè)點,分別是1258 m水平62線～64線采礦作業(yè)點與1258 m水平58線～60線裝運礦業(yè)點。1208中段在1245 m、1230 m兩個分段進行掘進作業(yè),作為下一步分段空場采場法采礦作前期準備。

礦井自建成投產(chǎn),在1550～1610 m區(qū)段應(yīng)用無底柱分段崩落采礦方法,設(shè)計的階段高度為60 m、分段高度為10 m、回采進路間距為10 m。應(yīng)用崩落法采礦過程中,地表覆蓋層經(jīng)爆破后隨礦巖一起崩落,隨著放礦形成了地表沿礦體走向的地面崩落區(qū)。受礦體條件限制,該礦歷史至今應(yīng)用兩種采礦方法開采,均屬于有尾開采,使得地表出露4個大小不等的塌陷區(qū),且形成眾多大小不等的采空區(qū)。通過現(xiàn)場踏勘,礦區(qū)現(xiàn)采礦權(quán)采動影響范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)地表采空塌陷4處,分別編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號塌陷區(qū)。①Ⅰ號塌陷區(qū)位于現(xiàn)礦權(quán)西側(cè)邊界,靠近西北側(cè)拐點,投影面積約164 m2,最高點標高約1574 m,最低點標高約1546 m,近直立式垮落坑。②Ⅱ號塌陷區(qū)位于現(xiàn)礦權(quán)北側(cè)中部,分為4個獨立的區(qū)域:Ⅱ-1號區(qū)域投影面積約1168 m2,最高點標高約1608 m,最低點標高約1579 m,近直立式垮落坑,坑底垮落巖體坡狀堆積;Ⅱ-2號區(qū)域投影面積約1708 m2,最高點標高約1647 m,最低點標高約1595 m,北側(cè)近直立式垮落,其余均為坡狀堆積;Ⅱ-3號區(qū)域投影面積約10 920 m2,最高點標高約1649 m,最低點標高約1489 m,南側(cè)近直立式垮落,北側(cè)中上部近直立式垮落,底部垮落巖體坡狀堆積;Ⅱ-4號區(qū)域投影面積約2949 m2,最高點標高約1635 m,最低點標高約1566 m,近直立式垮落坑,坑底垮落巖體坡狀堆積。③Ⅲ號塌陷區(qū)位于現(xiàn)礦權(quán)北側(cè)東部,分2個獨立的區(qū)域:Ⅲ-1號區(qū)域投影面積約5854 m2,最高點標高約1586 m,最低點標高約1503 m,北側(cè)和東南側(cè)近直立式垮落,南側(cè)為斜坡,未見明顯垮落特征,坑底垮落巖體坡狀堆積;Ⅲ-2號區(qū)域投影面積約7018 m2,最高點標高約1588 m,最低點標高約1458 m,近直立式垮落坑,坑底垮落巖體坡狀堆積。④Ⅳ號塌陷區(qū)靠近現(xiàn)礦權(quán)西南側(cè),投影面積約1123 m2,最高點標高約1580 m,最低點標高約1536 m,南側(cè)近直立式垮落,北側(cè)和坑底垮落巖體坡狀堆積。

該礦巖體賦存情況較為復(fù)雜,地下多表現(xiàn)為夾石分割礦體,破壞了礦體的完整性及連續(xù)性,使得開采條件較差,導(dǎo)致礦塊開挖形成的采空區(qū)分布規(guī)律性較差。

1 持續(xù)開采條件下采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性分析

該礦地下采空區(qū)分布眾多,主要因礦體開挖形成,上部采空區(qū)對下部礦體的持續(xù)開挖可能造成一定的影響,因此在利用數(shù)值計算評估該礦地下采空區(qū)現(xiàn)狀穩(wěn)定性時,需結(jié)合采空區(qū)現(xiàn)狀,模擬下部礦體持續(xù)開采作用下采空區(qū)的穩(wěn)定性。在現(xiàn)狀采空區(qū)開挖的基礎(chǔ)上,通過數(shù)值模擬方法模擬1318中段及以下礦體開采時采空區(qū)穩(wěn)定性。共設(shè)計兩種方案:

方案一:1318中段殘留礦體、1258中段殘留礦體及1165中段礦體全部開采。方案二:1318中段殘留礦體不開采、1258中段直接面臨采空區(qū)的殘留水平礦柱不開采及1165中段礦體全部開采。通過兩種方案的對比,梳理1318中段與1258中段可開采的區(qū)域。

由現(xiàn)狀采空區(qū)穩(wěn)定性分析可知,1318中段以上區(qū)域垂直位移明顯大于1318中段以下區(qū)域,這與下部礦體的開采擾動作用及上部礦體的自重應(yīng)力相關(guān)。目前該礦1318中段礦體基本回采結(jié)束,剩余部分殘礦未回采,伴隨礦體持續(xù)向下開采,采至1165 m水平時,其與1381中段高差約為153 m,這對1318中段區(qū)域采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性將造成一定的影響。通過對比方案一與方案二,分析1318中段采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性。

圖1為方案一中1318與1258中段采空區(qū)圍巖垂直位移云圖,以1330 m水平作為1318中段采空區(qū)的典型剖面,結(jié)果顯示,在自重應(yīng)力與采動應(yīng)力作用下,伴隨礦體逐步向下開采,該礦1330 m水平開采界限范圍內(nèi)采空區(qū)圍巖垂直位移逐步增大,開采界限范圍內(nèi)采空區(qū)圍巖垂直位移平均增大約0.01 m,說明下部礦體開采對1318中段采空區(qū)圍巖垂直位移存在一定的影響,但影響并不是很大。

圖1 方案一采空區(qū)圍巖垂直位移云圖Fig.1 Scheme 1: vertical displacement cloud map of goaf surrounding rock

圖2為方案二中1318與1258中段采空區(qū)圍巖垂直位移云圖。同樣以1330 m水平作為1318中段采空區(qū)的典型剖面,結(jié)果顯示,在自重應(yīng)力與采動應(yīng)力作用下,伴隨礦體逐步向下開采,該礦1330 m水平開采界限范圍內(nèi)采空區(qū)圍巖垂直位移逐步增大,開采界限范圍內(nèi)采空區(qū)圍巖垂直位移略有減少,但在礦柱處的垂直位移達到0.1 m,這與該處礦柱承受上方巖體的自重應(yīng)力有關(guān)。由此可見,方案二相較方案一而言有利于減小采空區(qū)周邊圍巖垂直位移,但若礦柱一旦失穩(wěn),將引起頂板垮塌,嚴重威脅作業(yè)安全。

圖2 方案二采空區(qū)圍巖垂直位移云圖Fig.2 Scheme 2: vertical displacement cloud map of goaf surrounding rock

2 中段采空區(qū)冒落氣浪防護區(qū)域劃定及防護措施

采空區(qū)上覆巖體冒落將造成大量氣體被迅速壓縮后又膨脹的結(jié)果,產(chǎn)生沖擊氣浪[5]。沖擊氣浪的沖量較大,不僅會破壞井下的建筑物,對作業(yè)人員及設(shè)備的危害也極大[6]。該礦下部礦體主要集中在1318中段、1258中段、1208中段及1165中段,其中1318中段礦體基本接近尾聲,為保障下部礦體開采,1318中段宜停止爆破落礦,主要集中于采場內(nèi)部礦石散體的回收。1318中段采空區(qū)數(shù)量與體積均較大,1258及以下中段開采有必要按1318中段采空區(qū)可能的冒落范圍進行防護。

1318中段采空區(qū)冒落氣浪防護區(qū)域如圖3所示。紅色線條圈定的是該中段空區(qū)群冒落貫穿易發(fā)區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)采空區(qū)全部處于亞穩(wěn)定狀態(tài),且在縱向上與橫向上都與其他空區(qū)相鄰,是采空區(qū)冒落區(qū)域防范的重點區(qū)域;藍色線條圈定的是該中段空區(qū)群較大冒落易發(fā)區(qū)域,該區(qū)域以小體積空區(qū)群與大體積采空區(qū)居多,是采空區(qū)冒落區(qū)域防范的次要區(qū)域。伴隨該礦持續(xù)向下開采,地下采空區(qū)冒落氣浪防護應(yīng)主要針對1318中段防護區(qū)域開展。該區(qū)域封堵的目的在于避免空區(qū)冒落時提供氣體補給,造成下部采場承受的冒落氣浪危害加劇,因此1318中段與采空區(qū)相通的通口應(yīng)盡早封堵。

圖3 采空區(qū)冒落防護區(qū)域Fig.3 Gob caving protection area

1258中段、1208中段及1165中段劃分的防護區(qū)域是基于1318中段防護區(qū)域劃分的,因為1318中段對下部礦體持續(xù)開采影響最大,所以這三個中段的防護區(qū)域與1318中段一致。但1258中段、1208中段及1165中段劃分的防護區(qū)域主要用于警示礦山工作人員,一旦1318中段發(fā)生較大冒落氣浪時,下部中段應(yīng)當(dāng)注意的區(qū)域并不是目前需要封堵的區(qū)域,其原因在于1258中段以下這些區(qū)域內(nèi)并不一定會形成較大空區(qū),因此可將1258中段、1208中段及1165中段劃分的防護區(qū)域定性為警示區(qū)域。在中段礦體開采完畢后,及時封堵與采空區(qū)的通口,可在沿脈巷道或穿脈巷道集中封堵,其原因在于該礦礦巖均為硬巖,此類礦巖不易冒落,但由于時間遷移、裂隙發(fā)育及地壓增大等因素,極易發(fā)生較大規(guī)模的突然冒落。

由冒落氣流沖擊流速及避免冒落沖擊的安全距離計算可知,零星冒落或批量冒落均超出安全規(guī)程,需保持足夠的安全距離避免此危害[7],因此防護工作的重點應(yīng)圍繞擾流沖擊模式進行,在各中段水平的防護區(qū)域外圍,及時封堵與各類采空區(qū)的通口,避免采空區(qū)發(fā)生批量冒落時危及井下作業(yè)人員安全。其中,1318中段回采工作已接近尾聲,其防護區(qū)域內(nèi)宜盡早利用封堵墻封堵,1258中段、1208中段及1165中段警示區(qū)域內(nèi),在礦體回采完畢后宜盡早封堵。

3 結(jié)論和建議

該礦巖石抗壓強度較高,硬度較好,但礦巖開挖形成空區(qū)后采空區(qū)暴露面積較大,加之圍巖次生節(jié)理裂隙發(fā)育與風(fēng)化作用等使得采空區(qū)圍巖強度弱化。采空區(qū)在縱向上和橫向上盤根錯雜,伴隨1318中段以下礦體開采,采空區(qū)群間的礦巖柱易失穩(wěn)破壞,可能引起采空區(qū)群的失穩(wěn)破壞。以數(shù)值模擬結(jié)果為基礎(chǔ),考慮采空區(qū)空間位置、規(guī)模、形成時間及后續(xù)生產(chǎn)爆破等因素,劃分該礦采空區(qū)穩(wěn)定性結(jié)果為穩(wěn)定、亞穩(wěn)定及基本穩(wěn)定3種狀態(tài),其中亞穩(wěn)定與基本穩(wěn)定兩種狀態(tài)居多。

持續(xù)開采條件下,1318中段和1258中段礦體全部開采時,采空區(qū)群間的礦巖柱以失穩(wěn)破壞,可在兩個中段保留部分垂直礦柱和中段水平保安礦柱,避免相鄰采空區(qū)過早貫穿,有利于采空區(qū)冒落氣浪的防護。下部礦體開采時,無論是老采空區(qū)還是新采空區(qū),空區(qū)的冒落防護應(yīng)以1318中段冒落氣浪防護重點區(qū)域和次要區(qū)域為參考,礦塊回采完畢后,盡早利用封堵墻隔絕防護區(qū)域與外界的一切通過,以此減緩采空區(qū)圍巖零星冒落與批量冒落沖擊力度,同時保持一定的安全距離。