邢周石膏矿区采空区处理方法研究

姚 清

（河北地矿局第十一地质大队， 河北邢台市 054001）

邢周石膏矿区采空区处理方法研究

姚 清

（河北地矿局第十一地质大队， 河北邢台市 054001）

在分析各类采空区处理方法的基础上，针对邢周石膏矿现状，提出了采用爆破法强制崩落矿柱充填空区，并预留“瓶颈”矿柱延缓顶板垮落时间。实践证明，该处理方法技术可行、经济合理，取得了较好的效果。

石膏矿；采空区；崩落矿柱；预留矿柱尺寸；地面塌陷；稳定性

在当前我国地下石膏矿多采用房柱采矿法开采，因此形成了一定的采空区，如不及时处理则会造成重大安全隐患。比较典型的有：2003年11月10日晚9时左右，河北隆尧县邢隆石膏矿发生采空区塌陷事故，地表塌陷面积估算约6万m2，导致5人被埋；2005年11月6日19时40分，河北邢台县会宁镇尚汪庄康立石膏矿发生采空区坍塌事故，直接塌陷区直径约60m，波及范围约600m×800m，造成33人死亡，4人失踪的特大事故。

可见，石膏矿采空区的安全处理是目前亟需解决的一个重大安全问题，直接关系到矿山安全生产，对石膏矿山预防和减少事故具有非常重要的意义。

1 采空区处理方法分析

（1）崩落围岩处理采空区。该方法是用崩落围岩充填采空区，并形成缓冲保护垫层，避免采空区大量岩层突然冒落所产生的冲击波的危害。其适用条件是：采空区上方设计崩落的范围内的矿柱已回采完毕，井巷设施也不再使用；地表允许下沉，围岩稳定性差。现阶段石膏矿由于受市场因素的影响，利润空间较小，还处于以矿养矿、边掘边采的生产模式，所以虽然地表允许下沉，但采空区相邻的井巷设施还在使用，围岩较稳定，若采用崩落围岩处理采空区的方法，则施工量大、成本高，影响企业的生产经营目标。

（2）填料充填处理空区。该法是从矿内外通过车辆运输或管道输送方式将废石或湿式充填料送入采空区，把采空区充填密实以消除空区的一种方法。在双碑石膏矿区，由于附近都是耕地，可用于充填的原料不充足，而从外界通过汽车运输充填原料则会大大提高生产成本，所以，充填法不适用于该石膏矿的空区处理。

（3）用矿体支撑采空区。该方法关键是矿岩条件好，矿柱选留恰当，连续的空区面积不太大。而石膏矿的硬度系数f＝2.5～3.5，顶板容易垮落，且为了提高回采率，回采空区的矿柱不能受应力重新分布影响，不能永久地支撑空区覆岩层，因此，不宜采用矿柱支撑采空区。

（4）封闭隔离处理空区是在采空区附近通往生产区的巷道中，构筑一定厚度的隔墙，使采空区中围岩崩落所产生的冲击气浪不至造成危害。但这种方法中已封闭的采空区后期情况不明，对周围采区的开采有影响，构筑的隔离墙强度要求高，后期施工难度大，同样不适合石膏矿采空区的处理。

2 邢周矿采空区处理方法

邢周石膏矿在并购原北新集团的北新石膏矿（现称北副井），采用房柱法开采，其在西南角存在一个约80m×200m、高10～15m的大面积采空区，直接影响到北副井的安全开采。邢周矿根据采空区的特点，结合实际，采用强制崩落矿柱法，预留“瓶颈”矿柱，有针对性的对该采空区进行安全处理。

2.1 采空区地质条件

该采空区主要分布在第三系地层，上部多被第四系覆盖，其下不整合于二叠系上石盒子组之上。采空区位于7＃矿体，底板标高－128.5m，埋深179.3m，矿体顶板岩性主要为含泥灰岩及粉砂质泥岩，其次为含膏灰质泥岩；矿体底板主要为含膏泥岩及少量粉砂质泥岩，次为含膏灰质泥岩及含膏泥质粉砂岩。矿石的结构构造主要为微粒、细粒－中粗粒状结构，致密块状构造，条带状构造，纹层状构造，有的呈网脉状结构，砾状构造。

采空区地面是旷地，种植杨树林，没有建构筑物或重要交通设施，沉降对农业生产没有严重影响。

2.2 崩落矿柱技术参数的选取

由于采用房柱法开采，留下的矿柱现支撑顶板，形成空场。为了保证施工人员的作业安全，避免在处理过程中空区突然下沉产生冲击波造成事故，在崩矿柱时，要预留一定的承载面积，使得崩落矿柱后，在上覆岩层地压力下，预留矿柱间断的碎裂破坏，以达到空区缓慢下沉的目的。所以，必须合理确定矿柱最小支撑断面尺寸和崩落高度。

根据面积承载理论，矿柱最小支撑断面尺寸与顶板暴露跨距有如下关系：

式中：a——矿柱横断面边长，m；

L——顶板暴露跨距，m；

Sc——矿柱抗压强度，MPa；

ΣrH——矿柱负担的上覆岩层压力，kN／m2；

K——载荷系数。

矿柱的抗压强度，经推算为15～50MPa，载荷系数K取1.2，则a＝（0.15～0.54）L，按护顶层极限暴露跨距8m考虑，矿柱最小边长取2m。

由于采用人工钻眼爆破，最小抵抗线为1.0～2.0m。由于是孤立柱，自由面多，所以按最小抵抗线1.5～2.0m布置炮眼。在每个矿柱的每面，从地面起2m范围内为矿柱崩落的高度，布置上、下两层炮孔，孔深根据矿柱大小不同程度布置，一般为2～3m。设计爆破后，矿柱在地面以上2m段，形成面积为2m×2m的“瓶颈”，如图1所示。

图1 矿柱“瓶颈”示意

爆破采用由远到近的起爆顺序，以充分利用爆破的矿块来充填空区做为垫层。

3 空区处理结果分析

3.1 顶板冒落时间

放炮作业完成后，顶板未立即大面积地突然冒落，而是在1～6d内，有零星的局部冒落现象。34 d后，出现大面积、大规模的垮落，井口马头门处有明显的风流从采空区吹出，说明采空区也被冒落的岩石充填。

3.2 地面显现情况

在地面空区陷落范围内，设置6个观测点，通过观测，空区中心最大下沉量为20cm，边缘下沉量为1～3cm，呈长条带下沉。

综合顶板开始冒落到地面显现沉降的时间与岩层垮落高度可知：在放炮作业的1～6d内的冒落，是12.7m护顶层的垮落，岩石松散和碎胀充填空区，可暂时缓冲上覆岩层，但不能完全支撑上覆岩层的载荷；第三系地层上部第四系覆盖的含泥灰岩及粉砂质泥岩不稳定，抗剪切能力极弱，在空区内的碎胀岩层压实缩小的同时，上覆岩层整体下降而不破碎，隔水层没有破坏，因此表现出地面经过较长时间才沉降，又没有与第四系的含水层导通发生次生的透水。这与相邻的东良乡矿、双碑乡矿、邢隆矿采空区塌陷的现象吻合，达到了预期的效果。

3.3 对临近采区稳定性的影响

如果顶板垮落未达地表或充填不实时，顶板会形成新自然平衡拱，其拱脚处产生应力集中，因而引起相邻采区压力增大，可能导致矿柱及顶板变形加大，使临近采区造成新的顶板问题。邢周矿通过放柱的“瓶颈”处理矿柱后，空区沉降平稳不会产生上述应力重新集中的问题，对相邻采区更安全，没有影响。

4 结 论

邢周矿的成功实践表明，采用房柱法形成的采空区，在当前技术经济条件下，采用爆破法强制崩柱放顶处理是可行的，且在经济上是合理的。利用预留“瓶颈”矿柱延缓顶板的垮落时间；利用崩落矿柱充填采空区，逐步减少采空区空间，有效避免冲击波的严重危害，有利于石膏矿安全生产，为矿山的可持续发展打下坚实基础。

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2012－02－10）

姚 清（1977－），男，贵州大方县人，工程师，从事地下矿山开采技术研究。