誘導(dǎo)冒落法處理時(shí)采空區(qū)散體墊層的安全厚度*

曹建立 任鳳玉

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院)

誘導(dǎo)冒落技術(shù)是一種應(yīng)用于崩落法開(kāi)采的地下礦山的新型開(kāi)采技術(shù)。該技術(shù)是通過(guò)崩落采空區(qū)內(nèi)部的支撐物，擴(kuò)展采空區(qū)有效暴露面積，及時(shí)釋放采空區(qū)頂板的變形能，使頂板圍巖的初始冒落形式呈零星冒落［1］。但頂板的冒落形式往往難以控制，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大規(guī)模冒落，形成的沖擊氣浪嚴(yán)重威脅井下的作業(yè)安全［2］。為消除沖擊氣浪的威脅，多采用留設(shè)散體墊層的措施［3］。散體墊層的作用主要是防止空區(qū)冒落氣浪的沖擊，有效降低沖擊氣浪對(duì)出礦口工作人員、設(shè)備的危害，而散體墊層厚度成為降低沖擊氣浪速度至安全范圍的關(guān)鍵。

1 概采空區(qū)概況

書(shū)記溝鐵礦為沉積變質(zhì)型磁鐵礦床，前期用階段礦房法和淺孔留礦法開(kāi)采，形成了5個(gè)規(guī)模較大形狀不規(guī)則的采空區(qū)，其中2#井田201#、206#、208－1#和208－2#4個(gè)中型采空區(qū)總體積406 557 m3(圖1)，這些采空區(qū)嚴(yán)重威脅著空區(qū)下部采礦生產(chǎn)的安全。曾設(shè)計(jì)從地表崩落頂蓋和在井下放頂形成安全墊層2種處理方案，但由于施工安全無(wú)保障、處理費(fèi)用高等原因未能實(shí)施;后提出誘導(dǎo)冒落與工作面散體防護(hù)相結(jié)合的處理方案。無(wú)論何種方案，均需形成一定厚度的散體安全墊層，而如何確定散體安全墊層厚度成為確保安全生產(chǎn)與方案成功實(shí)施的前提保障。筆者針對(duì)各采空區(qū)的不同現(xiàn)狀，提出了相對(duì)應(yīng)的散體安全墊層厚度確定方法，保證了誘導(dǎo)冒落與工作面散體防護(hù)相結(jié)合的處理方案得以安全實(shí)施，使該礦2#井田4個(gè)采空區(qū)在沒(méi)有影響正常生產(chǎn)的情況下得以安全冒落。

圖1 2#井田采空區(qū)位置與編號(hào)

2 散體安全墊層厚度的確定

2.1 201#采空區(qū)

201#采空區(qū)由于空區(qū)頂板距離地表約68.43 m，且地表軟弱巖體厚度較大(圖2)，有可能突然冒透地表，使冒落氣浪服從打氣筒模型［4］。采空區(qū)冒落產(chǎn)生的氣流向聯(lián)通口奔突，直至在出口排出多余的空氣體積量為止。一定厚度的散體墊層將對(duì)冒落引起的空氣沖擊波起濾波、消波作用，尤其對(duì)氣浪起到阻隔與減速作用。當(dāng)氣浪通過(guò)散體墊層后，其沖擊力與速度均得以降低。

圖2 2#井田201#采空區(qū)剖面

銅陵有色金屬公司獅子山銅礦對(duì)此所做的工作很有借鑒意義［5-6］。該礦頂板圍巖穩(wěn)固性較好，采用有底柱崩落法開(kāi)采，因頂板滯后冒落形成了137.82萬(wàn)m3的巨大采空區(qū)。為保證空區(qū)下部采場(chǎng)作業(yè)人員與設(shè)備的安全，在采場(chǎng)內(nèi)預(yù)留一層由崩落礦石形成的散體墊層。為定量研究散體墊層的安全保護(hù)作用，該礦與中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司聯(lián)合委托解放軍89002部隊(duì)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究［7］。模擬實(shí)驗(yàn)的原始條件為直徑70 m、厚70 m、密度γ= 3.3 t/m3的頂板巖體，突然下落140 m，沖擊在孔隙度為48.5%的散體上。實(shí)驗(yàn)得出的氣浪通過(guò)墊層后的風(fēng)速v與墊層厚度δ的函數(shù)關(guān)系為

安全規(guī)程中人員可以承受的極限風(fēng)速為12 m/s。將其代入式(1)計(jì)算，得出與該氣流速度相對(duì)應(yīng)的散體墊層厚度δ≥5.8 m。

書(shū)記溝鐵礦2#井田201#采空區(qū)的冒落載荷，來(lái)自上覆的玄武巖體與第四系沖積層，最大可能的冒落散體體積與冒落高度遠(yuǎn)小于獅子山銅礦，而且無(wú)底柱分段崩落法為端部放礦，采空區(qū)頂板的冒落巖體，直接沖擊在巷道底板的殘留散體上，使沖擊力度與沖擊氣浪的強(qiáng)度都可得到一定的緩解。由此可見(jiàn)，散體安全墊層所需的最大厚度不會(huì)超過(guò)5.34 m。

上式分析計(jì)算結(jié)果偏于保守，根據(jù)西石門(mén)鐵礦、桃沖鐵礦用散體墊層成功防治采空區(qū)大規(guī)模冒落氣浪沖擊危害的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出散體安全墊層最小厚度的估算式為

式中，δ為散體安全墊層最小厚度，m;d為冒落巖體等價(jià)圓直徑，m;h為冒落高度，m;δ0為散體墊層基礎(chǔ)穩(wěn)固性補(bǔ)償量，對(duì)于井、巷封堵條件，可取δ0=1.5～2.0 m，對(duì)于出礦進(jìn)路端部口封堵條件，可取δ0= 0。

根據(jù)書(shū)記溝鐵礦2#井田201#采空區(qū)的圍巖穩(wěn)定性估計(jì)，冒落巖體的規(guī)?？煽刂圃谥睆?0 m，最大下落高度可控制在66 m。將d=30 m，h=66 m，δ0=0代入式(2)，計(jì)算得散體安全墊層的厚度為

可見(jiàn)，控制冒落規(guī)模后，在出礦口部位留不小于3.2 m厚的散體墊層，即可保障2#井田201#采場(chǎng)進(jìn)路回采作業(yè)的安全。

2.2 206#采空區(qū)

206#采空區(qū)在礦體厚度較大的部位，現(xiàn)今采空區(qū)的等價(jià)圓面積超過(guò)其臨界冒落面積，預(yù)計(jì)可控制在下一分段按零星冒落形式冒落形成足夠厚度的散體墊層，空區(qū)的最大高度不超過(guò)50 m。

206#采空區(qū)的北端，空區(qū)的寬度小且高度低，勢(shì)必滯后冒透地表，形成的空區(qū)有可能成為大冒落時(shí)沖擊氣浪的通道。但因整體上空區(qū)寬度較小，一次冒落量較小，氣浪的沖擊力度較小。與201#采空區(qū)比較，206#采空區(qū)無(wú)論在冒落高度還是冒落面積上均較小，因此，最大散體墊層厚度可確定為3 m。實(shí)際生產(chǎn)中，可按空區(qū)的規(guī)模確定散體墊層的厚度，當(dāng)采空區(qū)的空間較大時(shí)，就要在端部口的上方留厚度不小于3 m的散體墊層;當(dāng)空間較小時(shí)，估計(jì)大冒落時(shí)能夠很快被冒落散體堵塞，可按出礦口不敞空的原則控制放礦。用適當(dāng)?shù)纳Ⅲw將空區(qū)與進(jìn)路作業(yè)點(diǎn)隔離開(kāi)來(lái)，即可防止沖擊氣浪傷人事故的發(fā)生。

2.3 208－1#與208－2#采空區(qū)

208－1#與208－1#2個(gè)采空區(qū)的單個(gè)跨度都小于臨界冒落跨度，而208－1#采空區(qū)必須在巖石里布置誘導(dǎo)工程才能使其自然冒落，經(jīng)多方案分析比較，確定采用在1 195 m分段208－1#與208－2#采空區(qū)之間增開(kāi)3條巖石巷道，崩落其間部分巖柱，使2空區(qū)連為一體的方法誘導(dǎo)冒落。但在崩落2空區(qū)之間的部分巖柱時(shí)，可能引起批量冒落或大規(guī)模冒落，為此要做好工作面防護(hù)工作。根據(jù)空區(qū)形態(tài)與頂板圍巖穩(wěn)定性，估計(jì)一次冒落的冒落體直徑不會(huì)超過(guò)72 m，冒落高度不會(huì)超過(guò)65 m，代入式(2)，得

所需散體安全墊層的厚度為4.82 m，為此設(shè)計(jì)采用在端部口上方留下5 m散體墊層的方法，防止冒落氣浪危害。

3 方案實(shí)施效果

201#采空區(qū)頂板圍巖為比較軟弱的玄武巖層，可冒性較好，有突然冒透地表的可能性，為此須控制頂板圍巖的冒落形式，并做好大冒落的防護(hù)工作。生產(chǎn)中采取了如下技術(shù)措施。

(1)對(duì)1 220 m水平北側(cè)尚未回采的礦柱，組織施工進(jìn)行強(qiáng)采，礦柱高度無(wú)論大小、無(wú)論是否礦石，都100%崩落，使頂板不積畜冒落能量，促使其零星冒落;鏟運(yùn)機(jī)出礦時(shí)出礦口微露空區(qū)為止，嚴(yán)禁出空端部口，以防冒落氣浪沖擊。

(2)先回采1 220 m水平的礦柱與邊角礦體，之后再回采1 208 m分段進(jìn)路，以遲滯1 208m分段的回采時(shí)間，等待空區(qū)頂板及四周圍巖冒落形成足夠厚度的散體安全墊層。

(3)在1 208 m分段回采過(guò)程中，放出崩礦量的80%左右，以便在端部口上方留下不小于3.2m厚的散體墊層，隔斷工作面與空區(qū)的通道。

201#采空區(qū)從2011年3月進(jìn)入1 195m分段回采，試用截止品位放礦方式，結(jié)果達(dá)到了出礦口放不空的程度。從覆蓋層散體的出露情況估計(jì)，覆蓋層厚度已不小于15 m，完全滿足安全墊層的要求。

206#采空區(qū)平面呈長(zhǎng)條形，由于空區(qū)長(zhǎng)度大且上盤(pán)傾角較小，利用上盤(pán)圍巖的有效暴露面積誘導(dǎo)采空區(qū)自然冒落。為此，從1 208 m分段開(kāi)始調(diào)整回采順序，由原來(lái)從兩端向中間回采調(diào)整為從礦體中間向兩端退采，并保持向兩端均衡推進(jìn)。同時(shí)，無(wú)論是垂直走向進(jìn)路還是沿走向進(jìn)路，每一步距都100%崩落，形成連續(xù)采空區(qū)。在礦體厚度較大或不少于2個(gè)分段回采的部位，出礦時(shí)不出空端部口;在用空?qǐng)龇ɑ夭蛇吔堑V時(shí)，在與大空區(qū)聯(lián)通部位，工作地點(diǎn)與塊體崩落地點(diǎn)保持6 m以上的安全距離。目前206#采空區(qū)已經(jīng)回采到1 195 m分段，采用截止品位放礦，端部口已經(jīng)達(dá)到出不空的程度，表明由冒落圍巖形成的散體安全墊層已經(jīng)形成。

在1 195 m分段，在208－1#與208－2#2個(gè)采空區(qū)之間的巖柱位置，補(bǔ)加了3條巖石進(jìn)路?；夭蓵r(shí)，1 195 m分段采用從里向外齊頭并進(jìn)的回采順序，對(duì)前端邊角礦體的單分段進(jìn)路，爆破后允許出空端部口，但嚴(yán)禁鏟運(yùn)機(jī)司機(jī)的頭部進(jìn)入空?qǐng)鲎鳂I(yè)，以防落塊傷人;當(dāng)回采工作面臨近第二分段回采邊界時(shí)，采用端部口不出空的控制出礦方式，放礦到微露空區(qū)為止;當(dāng)工作面進(jìn)入巖柱部位回采時(shí)，按崩礦量控制放出，每步距放出崩礦量的70%左右，保證出礦口上方留下不小于5 m的礦石散體墊層;巖石每步距放出崩落量的25%左右，至滿足松散要求為止，以嚴(yán)防冒落氣浪的沖擊。隨著巖柱進(jìn)路的回采，2個(gè)空區(qū)連成一體，形成一個(gè)跨度達(dá)96 m的大空區(qū)(稱為208#采空區(qū))。

隨著空區(qū)跨度的快速增大，空區(qū)頂板發(fā)生了快速冒落。2010年6月7日下午5時(shí)，回采工作面剛剛越過(guò)巖柱部位，208#采空區(qū)就發(fā)生了通達(dá)地表的大冒落，在地表形成一個(gè)東西長(zhǎng)約100 m、南北寬約80 m的橢圓形塌陷坑(圖3)。

圖3 208#空區(qū)地表塌陷坑照片

冒落時(shí)在地表向上沖出一股巨大粉塵柱，隨后向四周迅速飄散。冒落后在塌陷坑周圍粉塵散落范圍達(dá)100～120 m，可見(jiàn)大冒落沖擊力度之大。而工作面未見(jiàn)到明顯的冒落沖擊粉塵，也沒(méi)有設(shè)備被沖擊的任何痕跡，表明工作面未受到有害沖擊，由此表明，所留散體墊層的厚度完全滿足防止采空區(qū)大冒落沖擊危害的要求。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)西石門(mén)鐵礦、桃沖鐵礦用散體墊層成功防治采空區(qū)大規(guī)模冒落氣浪沖擊危害的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出散體安全墊層最小厚度的估算公式。

(2)應(yīng)用散體安全墊層最小厚度的估算公式對(duì)書(shū)記溝鐵礦各空區(qū)散體墊層安全厚度分別進(jìn)行了計(jì)算，制定了具體的安全防護(hù)措施，使各空區(qū)得以安全冒落。

書(shū)記溝鐵礦空區(qū)發(fā)生大冒落而工作面人員設(shè)備均未受到損害的事實(shí)說(shuō)明，按研究在各空區(qū)留出的散體安全墊層完全可起到防治空區(qū)冒落產(chǎn)生的氣浪沖擊危害的作用。

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