地下矿山采空区安全分析及其处理研究

任春芳 陈俊智

摘要：本文对影响采空区稳定性的空区特征分析，论述了采空区顶板冒落的危害性，以兰坪跑马坪矿段采空区为例，对两种采空区处理方案进行分析比较，提出了比较合理的方案，为矿山的采空区处理及安全生产提供指导。

关键词：采空区，安全，特征分析，危害性，处理方案

1 前言

随着矿产资源向深部开采的不断进行，采空区的数量和体积也在不断地增多和增大，有可能引起大规模的地压活动，严重威胁采空区下部矿体开采的安全。故采空区是影响矿山安全生产最主要的危害源之一，也是安全生产中的重大隐患之一。采空区失稳是一个复杂的力学过程，国内外学者开展了大量相关研究工作[1-4]。

通过文献资料可知，以往研究成果多侧重于在现场分析上，采用经验的方法提出采空区的处理方法，而对于复杂空区从特征和危害性方面进行多方案对比研究相对较少。

2 影响采空区稳定性的空区特征分析

（1）采空区的形状

矿体几何形状特征的含义是矿体的相对尺寸和形状，与矿床的地质成因有关，有层状矿体、脉状矿体、扁豆状矿体及块状矿体等。空区的几何形状与矿体的相似，不同形状的空区，其应力分布状态不同，容易破坏的部位也不同。按照自然平衡拱理论，拱形空区要比平顶空区稳定。

（2）采空区的倾角

不同倾角的矿体开采后形成的采空区破坏形式也不同，并对地表的影响是不同的。缓倾斜矿体开采空区的中部顶板岩层一般因受压弯曲下沉，岩体暴露面受拉开裂破坏，并在空区两翼矿石或围岩接触面多受剪切破坏。急倾斜矿体开采空区上盘棱柱体的向下滑移则多为剪切力的作用。

（3）采空区围岩的性质和地质构造弱面

采空区围岩性质，特别是物理力学性质是影响采空区稳定和岩移的主要因素之一。岩石性质的特殊性和复杂性是岩体移动问题复杂化的主要原因。

地质构造弱面对空区两帮围岩的稳定性有很大影响，如断层、破碎带、层理、节理等大的地质构造弱而，将岩体切割成不同的几何形态，破坏它的连续性，强度大大减低。断层密集带，断层与密集空区交叉处，是岩体强度最低，稳定性最差的部位。

（4）空区周围的相邻关系

新、老空区或相邻空区之间的距离较近，他们之间可相互助长而危害较大。多次形成的空区与一次形成的空区比较，其他条件相同时，前者的空区的冒落可能性大于后者。

3、采空区顶板冒落的危害性

随着矿山开采深度的增加，空区体积不断增大，受力随之增大，当应力集中到空区某一处超过岩石的强度时，会形成连锁反应，引起大规模的地压活动。因此生产中若采空区处理不及时或处理措施不当，将会造成资源损失和经济浪费，而且严重威胁采空区下部矿体开采的安全[5]。

一般采空区的冒落面积存在两个临界点，冒落面积：是指顶板围岩的临界冒落面积，冒落形式以零星冒落为主；大规模冒落面积：是指可能发生批量冒落的面积，批量冒落开始后会瞬间形成大规模冒落。

大面积的空区顶板在极短的时间内冒落下来，其危害不仅是由于重力作用产生的冲击破坏，而且更严重的是把空区内的空气瞬时排出，产生动力的冲击和地震波，位于空区中的空气发生运动，可以形成秒速达千米的压缩气流，它的冲量很大，能破坏井下建筑物和伤害人员。如：东川矿务局滥泥坪矿，1980年，采空区顶板发生大规模垮塌，一台停放在坑道内100多米的电机车，被垮塌时产生的冲击波推至坑道外数十米。

安全规程规定，人体可以抵抗的风速不超过12-15m/s。单个块体的零星冒落达不到对人体造成冲击伤害的程度；但批量冒落则有可能超过人体可以抵抗冲击的极限。对于批量冒落，由于冲击气浪的速度较大，须采取相应的技术措施，以保证生产安全。

4跑馬坪矿段采空区处理

4.1跑马坪矿段概述

跑马坪矿段主要是铅锌矿体，呈似层状-透镜状，分布在2030～2440m标高，为埋深200～500米的隐伏矿体，走向80°，平均倾角22°，长约500～700米，宽200～300米，厚50～13.94米，Zn的品位7.72%，pb品位0.60%。属于较规则至不规则。矿体稳固性中等，上盘岩体的稳定性较好，下盘岩体较稳固，水文地质条件简单。

由于过去群采的原因，采场上下重叠、左右交叉严重，采空区交错重叠，使得顶板围岩滞后冒落而形成非常复杂的采空区，对下部矿体开采的安全构成极大威胁。

4.2采空区处理方案

通过对跑马坪矿段空区的现场的反复调查，提出了两空区处理方案：自然-强制崩落采空区处理法和充填空区处理法。

（1）方案一：强制崩落采空区方案

依据跑马坪矿段采空区的处理总方案的思路及跑马坪矿段采空区地压规律研究，将跑马坪矿段采空区在水平方向分三个区，垂直方向上按2-3个中段留一隔层，每隔层均留不小于20米厚的垫层来保护下部矿体的开采的安全。

当空区高度小于3～4米，可直接从采空矿块向顶板布置束状扇形深孔将顶板崩落。当空区高度大于3～4 米，可通过矿柱在顶板中布置处理硐室，打水平或束状扇形深孔将顶板崩落。

这种方法的优点是：按计划控制顶板崩落，有利于顶板管理与压力控制，作业灵活方便。缺点是：因缓倾斜矿床空区水平面积范围大，正常条件下，如果将所有空区顶板崩落，需掘进较多的处理巷道与深孔爆破工程，工艺较复杂，费用增加，处理费时等。

（2）方案二：充填采空区方案

根据国内外长期生产实践证明，充填可以有效地控制围岩大面积、塌落，且对提高间柱的稳定性起到了很好作用。充填可减少围岩和矿柱中的应力值，增加稳固性。但是不能改变其受力性质。充填可以减缓和控制岩层移动，从而减少对生产的人力安全的危害作用。

充填料来源于架崖山露天采场所剥离的废石，经过现场实际调查充填料来源很充足。因此，将废石充填到跑马坪采空区无疑是一个较为理想的措施。既很好地处理了采空区，又很好地解决了该露天采场废石排放问题。

综上所述，根据国内外长期生产实践证明，充填可以有效地控制围岩大面积、塌落，且对提高间柱的稳定性起到了很好作用。充填可减少围岩和矿柱中的应力值，增加稳固性，可以减缓和控制岩层移动，从而减少对生产的人力安全的危害作用。通过对两种方案的比较分析，结合跑马坪矿段空区的实际情况，考虑到将所有空区顶板崩落，需掘进较多的处理巷道与深孔爆破工程，工艺较复杂，费用增加，处理费时等。最终选择了技术可行、经济合理的充填采空区处理方案。

5结论

（1）通过对采空区特征的分析，探讨了影响采空区稳定性的主要影响因素。

（2）对采空区的危害性进行分析，若空区处理不及时或处理措施不当时将会造成资源损失和经济浪费，而且严重威胁采空区下部矿体开采的安全。

（3）以跑马坪矿段空区处理为例，通过方案比较分析，采用废石充填对空区自身稳定性影响较小，建议采用搬运废石充填处理采空区。

参考文献：

1、周宗红，侯克鹏，任凤玉，跑马坪铅锌矿采空区稳定性分析及控制方法，采矿与安全工程学报，2013.11，V30（6）：P863-867.

2、张敏思，朱万成，侯召松，空区顶板安全厚度和临界跨度确定的数值模拟，采矿与安全工程学报，2012.7，29（4），P543-548.

3、尤仁锋，徐荣军等，极复杂多层采空区处理的分析与思考，露天采矿技，2011年第3期，P7-8，13

4、曾新枝，刘成锋等，信宜银岩锡矿采空区处理实践，金属矿山，2011年第5期，P28-31

5、陶峰，陈俊智，急倾斜矿体持续开采对空区上覆岩层的影响，价值工程，2014（2），P292-294.

任春芳（1979-），女，陕西乾县人，助理实验师，主要从事矿山岩土工程方面的研究

基金项目：金川预研基金（课题编号：kkz4201121018）。