地下礦山采空區安全分析及其處理研究

任春芳 陳俊智

摘要：本文對影響采空區穩定性的空區特征分析，論述了采空區頂板冒落的危害性，以蘭坪跑馬坪礦段采空區為例，對兩種采空區處理方案進行分析比較，提出了比較合理的方案，為礦山的采空區處理及安全生產提供指導。

關鍵詞：采空區，安全，特征分析，危害性，處理方案

1 前言

隨著礦產資源向深部開采的不斷進行，采空區的數量和體積也在不斷地增多和增大，有可能引起大規模的地壓活動，嚴重威脅采空區下部礦體開采的安全。故采空區是影響礦山安全生產最主要的危害源之一，也是安全生產中的重大隱患之一。采空區失穩是一個復雜的力學過程，國內外學者開展了大量相關研究工作[1-4]。

通過文獻資料可知，以往研究成果多側重于在現場分析上，采用經驗的方法提出采空區的處理方法，而對于復雜空區從特征和危害性方面進行多方案對比研究相對較少。

2 影響采空區穩定性的空區特征分析

（1）采空區的形狀

礦體幾何形狀特征的含義是礦體的相對尺寸和形狀，與礦床的地質成因有關，有層狀礦體、脈狀礦體、扁豆狀礦體及塊狀礦體等?？諈^的幾何形狀與礦體的相似，不同形狀的空區，其應力分布狀態不同，容易破壞的部位也不同。按照自然平衡拱理論，拱形空區要比平頂空區穩定。

（2）采空區的傾角

不同傾角的礦體開采后形成的采空區破壞形式也不同，并對地表的影響是不同的。緩傾斜礦體開采空區的中部頂板巖層一般因受壓彎曲下沉，巖體暴露面受拉開裂破壞，并在空區兩翼礦石或圍巖接觸面多受剪切破壞。急傾斜礦體開采空區上盤棱柱體的向下滑移則多為剪切力的作用。

（3）采空區圍巖的性質和地質構造弱面

采空區圍巖性質，特別是物理力學性質是影響采空區穩定和巖移的主要因素之一。巖石性質的特殊性和復雜性是巖體移動問題復雜化的主要原因。

地質構造弱面對空區兩幫圍巖的穩定性有很大影響，如斷層、破碎帶、層理、節理等大的地質構造弱而，將巖體切割成不同的幾何形態，破壞它的連續性，強度大大減低。斷層密集帶，斷層與密集空區交叉處，是巖體強度最低，穩定性最差的部位。

（4）空區周圍的相鄰關系

新、老空區或相鄰空區之間的距離較近，他們之間可相互助長而危害較大。多次形成的空區與一次形成的空區比較，其他條件相同時，前者的空區的冒落可能性大于后者。

3、采空區頂板冒落的危害性

隨著礦山開采深度的增加，空區體積不斷增大，受力隨之增大，當應力集中到空區某一處超過巖石的強度時，會形成連鎖反應，引起大規模的地壓活動。因此生產中若采空區處理不及時或處理措施不當，將會造成資源損失和經濟浪費，而且嚴重威脅采空區下部礦體開采的安全[5]。

一般采空區的冒落面積存在兩個臨界點，冒落面積：是指頂板圍巖的臨界冒落面積，冒落形式以零星冒落為主；大規模冒落面積：是指可能發生批量冒落的面積，批量冒落開始后會瞬間形成大規模冒落。

大面積的空區頂板在極短的時間內冒落下來，其危害不僅是由于重力作用產生的沖擊破壞，而且更嚴重的是把空區內的空氣瞬時排出，產生動力的沖擊和地震波，位于空區中的空氣發生運動，可以形成秒速達千米的壓縮氣流，它的沖量很大，能破壞井下建筑物和傷害人員。如：東川礦務局濫泥坪礦，1980年，采空區頂板發生大規模垮塌，一臺停放在坑道內100多米的電機車，被垮塌時產生的沖擊波推至坑道外數十米。

安全規程規定，人體可以抵抗的風速不超過12-15m/s。單個塊體的零星冒落達不到對人體造成沖擊傷害的程度；但批量冒落則有可能超過人體可以抵抗沖擊的極限。對于批量冒落，由于沖擊氣浪的速度較大，須采取相應的技術措施，以保證生產安全。

4跑馬坪礦段采空區處理

4.1跑馬坪礦段概述

跑馬坪礦段主要是鉛鋅礦體，呈似層狀-透鏡狀，分布在2030～2440m標高，為埋深200～500米的隱伏礦體，走向80°，平均傾角22°，長約500～700米，寬200～300米，厚50～13.94米，Zn的品位7.72%，pb品位0.60%。屬于較規則至不規則。礦體穩固性中等，上盤巖體的穩定性較好，下盤巖體較穩固，水文地質條件簡單。

由于過去群采的原因，采場上下重疊、左右交叉嚴重，采空區交錯重疊，使得頂板圍巖滯后冒落而形成非常復雜的采空區，對下部礦體開采的安全構成極大威脅。

4.2采空區處理方案

通過對跑馬坪礦段空區的現場的反復調查，提出了兩空區處理方案：自然-強制崩落采空區處理法和充填空區處理法。

（1）方案一：強制崩落采空區方案

依據跑馬坪礦段采空區的處理總方案的思路及跑馬坪礦段采空區地壓規律研究，將跑馬坪礦段采空區在水平方向分三個區，垂直方向上按2-3個中段留一隔層，每隔層均留不小于20米厚的墊層來保護下部礦體的開采的安全。

當空區高度小于3～4米，可直接從采空礦塊向頂板布置束狀扇形深孔將頂板崩落。當空區高度大于3～4 米，可通過礦柱在頂板中布置處理硐室，打水平或束狀扇形深孔將頂板崩落。

這種方法的優點是：按計劃控制頂板崩落，有利于頂板管理與壓力控制，作業靈活方便。缺點是：因緩傾斜礦床空區水平面積范圍大，正常條件下，如果將所有空區頂板崩落，需掘進較多的處理巷道與深孔爆破工程，工藝較復雜，費用增加，處理費時等。

（2）方案二：充填采空區方案

根據國內外長期生產實踐證明，充填可以有效地控制圍巖大面積、塌落，且對提高間柱的穩定性起到了很好作用。充填可減少圍巖和礦柱中的應力值，增加穩固性。但是不能改變其受力性質。充填可以減緩和控制巖層移動，從而減少對生產的人力安全的危害作用。

充填料來源于架崖山露天采場所剝離的廢石，經過現場實際調查充填料來源很充足。因此，將廢石充填到跑馬坪采空區無疑是一個較為理想的措施。既很好地處理了采空區，又很好地解決了該露天采場廢石排放問題。

綜上所述，根據國內外長期生產實踐證明，充填可以有效地控制圍巖大面積、塌落，且對提高間柱的穩定性起到了很好作用。充填可減少圍巖和礦柱中的應力值，增加穩固性，可以減緩和控制巖層移動，從而減少對生產的人力安全的危害作用。通過對兩種方案的比較分析，結合跑馬坪礦段空區的實際情況，考慮到將所有空區頂板崩落，需掘進較多的處理巷道與深孔爆破工程，工藝較復雜，費用增加，處理費時等。最終選擇了技術可行、經濟合理的充填采空區處理方案。

5結論

（1）通過對采空區特征的分析，探討了影響采空區穩定性的主要影響因素。

（2）對采空區的危害性進行分析，若空區處理不及時或處理措施不當時將會造成資源損失和經濟浪費，而且嚴重威脅采空區下部礦體開采的安全。

（3）以跑馬坪礦段空區處理為例，通過方案比較分析，采用廢石充填對空區自身穩定性影響較小，建議采用搬運廢石充填處理采空區。

參考文獻：

1、周宗紅，侯克鵬，任鳳玉，跑馬坪鉛鋅礦采空區穩定性分析及控制方法，采礦與安全工程學報，2013.11，V30（6）：P863-867.

2、張敏思，朱萬成，侯召松，空區頂板安全厚度和臨界跨度確定的數值模擬，采礦與安全工程學報，2012.7，29（4），P543-548.

3、尤仁鋒，徐榮軍等，極復雜多層采空區處理的分析與思考，露天采礦技，2011年第3期，P7-8，13

4、曾新枝，劉成鋒等，信宜銀巖錫礦采空區處理實踐，金屬礦山，2011年第5期，P28-31

5、陶峰，陳俊智，急傾斜礦體持續開采對空區上覆巖層的影響，價值工程，2014（2），P292-294.

任春芳（1979-），女，陜西乾縣人，助理實驗師，主要從事礦山巖土工程方面的研究

基金項目：金川預研基金（課題編號：kkz4201121018）。