寿王坟铜矿采空区处理技术实践

张建文，龚克兵，曲志清

（1.承德市安全生产技术服务中心，河北 承德 067000；2.承德铜兴矿业有限公司，河北 承德 067200）

寿王坟铜矿采空区处理技术实践

张建文1，龚克兵1，曲志清2

（1.承德市安全生产技术服务中心，河北 承德 067000；2.承德铜兴矿业有限公司，河北 承德 067200）

寿王坟铜矿南6号采空区容积已达300×104m3，如何处理采空区一直在进行探讨和摸索。经多年多方案的优化，采取了远程实时监测、封闭、足够厚度的缓冲垫层及崩落处理措施，取得了较好的效果。

较大采空区；处理技术；实践

1 前言

寿王坟铜矿主要有1、2、N6、S6、32、34、9号等46个矿体，其产状形态多受接触带的控制。矿体倾角以60°～85°为主，少量10°～45°的缓倾斜矿体。其中，南6号矿体（S6）是主矿体，南6号矿体位于矿区东部，33～57线间，赋存标高500～-200m，下二中段以上向南倾，以下向北倾，倾角70°～85°，东西走向，向西延深。五十多年来，应用留矿法、阶段矿房深孔采矿法、有底柱分段崩落法采矿，矿井下已形成9个中段（每个中段60m），除南6号等少数几个矿体外，其它基本采完。随着南6号矿体的不断开采，形成了南6号采空区，该采空区位于东部，赋存于海拔500～35m，最大幅宽约100m，延续数百米，33～57线间，中间被39线、47线2条10～40m宽的岩枝隔断，从而形成三个相对独立的采空区，统称为南6号采空区，该空区为盲空区，上小下大，空区顶部距地表350～370m。

2 各个时期对采空区的治理情况

南6号采空区垂直高度高、跨度长、暴露面积大，可能发生大规模的冒落、坍塌等地压灾害，直接影响矿井深部开采安全，一旦发生坍塌，将造成人员和财产的重大损失。多年来，企业始终致力于南6号采空区的治理，防止采空区带来的危害。

1981年，企业与东北工学院合作，对南6号空区处理项目进行了研究，对空区的应力分布用有限元法进行计算，采用预留阶段矿柱，控制空区状态，化大空区为两个小空区，并在井下进行了大量的封闭。1984年，通过专家多次论证，确定实施了在下五以上8m处至下五以下22m处预留30m厚的永久顶柱的空区处理方案。1991年以后，该永久顶柱范围内发现了三组断裂，且十分破碎，相互交叉，滑帮冒顶严重；该顶柱面积达9 288m2，上小下大呈楔形，预留的永久顶柱对下部安全生产形成了威胁。随后，采取强制崩落法，将永久顶柱和部分围岩强制崩落，其崩落的岩体作为空区内废石垫层，减少顶板片帮、冒落产生冲击气浪、岩爆等现象，对深部开采人员和设备设施起到保护作用。1996年，建立空区实时远程微震监测系统，对空区上下盘稳定情况进行监控。

3 采空区对深部开采的影响

3.1 采空区特点

经过长期的自然塌落及治理，该采空区的形态发生了很大变化，2009年9月，分别打开下四、下三41线、43线、45线等位置的密闭墙，进行了现场勘查，进一步掌握采空区的变化特点。

（1）南61号采空区，位于35线西38m至39线东16m，下七中段以上15m至下一以上20m处，空区下三中段以上15m处被存窿及垮落毛石充填。空区总体积69.587×104m3，其中充填 62.959×104m3，厰空区约6×104m3。

（2）南62号采空区，位于41线西23m至47线东30m，下八水平以上15m至下一以上50m处。下三中段以下均被存窿及垮落的毛石充填。空区总的体积为 204.201×104m3，其中充填165.102×104m3，厰空区体积有39×104m3。

（3）南63号采空区，位于49线西22m至55线东22m，下七中段以上15m至下四以上15m处。下四中段以下20m被充填。空区总体积31.336×104m3，其中充填30.454×104m3，厰空区体积约1×104m3。

因此，南6号空区总体积305.124×104m3，其中已充填258.505×104m3，厰空区体积为46.609×104m3，充填占84.72%，非充填占13.28%。

3.2 采空区对深部开采的影响

通过现场勘查，该空区均被大量矿石或毛石充填，充填量达80%以上，形成垫层厚度一般在100～200m，该垫层起到良好的缓冲减震作用。对深部开采主要有以下影响。

（1）在矿房矿石回收期间，崩落顶柱之前，由于应力集中在采场的两端，如果采场顶板有大的构造，矿房岩体的自重，加上上部有100～200m厚的覆盖岩，可能造成局部塌落。为避免发生类似的事故，在采场设计时，减小了采场矿房的暴露面积，当矿体厚度过大，中间预留矿壁，矿房回收完毕后，与顶柱一起崩落。

（2）矿房矿石回收完毕，顶柱崩落后，大量的矿废石涌入采场中，就像充填体一样，其对采场的围岩和矿壁起到稳定支护作用。上部空区对深部生产的影响主要体现在回收矿石时的贫化上。

（3）深部生产时，覆盖岩上部的厰空区可能不稳定，发生大面积、大范围岩体滑帮、坍塌或发生岩爆时，产生较强的地震波和空气冲击波，危及深部作业的人员和设备设施的安全。

4 远程实时监测技术

随着科技不断进步，采空区检测监控技术日益成熟，在多年远程微震检测基础上，企业与研究院合作，研制开发并应用了AM485型岩体声发射监测系统，对南6号采空区变化实施远程监控。岩体声发射传感器共布置16个，分布于下三、下四两个中段37～47线的脉外平巷，其数量分别为10个和6个，测试通道编号分别对应1#～10#和11#～16#。

4.1 监测原理

材料在破坏之前，由于变形和断裂，以瞬态弹性波的形式释放能量，这种现象称之为声发射现象。岩体工程结构在受力破坏之前，必然持续一段时间以声波的形式释放局部积蓄的能量，其能量释放的强度随着结构面的稳定状态而不断变化，每一个声发射与微震事件都包含岩体内部变化状态的丰富信息，对接收到的声发射信号进行分析和处理，可作为评价岩体稳定状况的依据。因此可利用岩体声发射与微震这一特性对岩体的稳定性进行监测，从而判断和预测岩体塌方、冒顶、片邦、滑坡等地压现象。

对于声发射监测，主要记录一些具有特性的量，包括：①事件率（频度），即单位时间内记录收到的声发射与微震事件数。②振幅分布，即单位时间内声发射与微震事件的振幅分布，该参数可用于分析声发射与微震源的信息。③能率，即单位时间内声发射与微震事件的能量之和，它可以反映一段时间内岩体释放能量的强度。④事件变化率和能率变化，反映了岩体状态变化的快慢。⑤频率分布（频谱分析），即分析声发射与微震信号在频域中的特点。除上述统计外，一般还进行震源定位，从而对岩体受破坏的部位进行判断。

4.2 岩体破坏过程中的声发射事件规律

从监测实践来看，将声发射技术应用于岩体稳定性监测领域，岩体的稳定性与声发射现象呈现以下规律。

（1）岩体在稳定期和相对稳定期，声发射事件很少，事件频度维持在低水平。

（2）岩石在超过其极限强度的应力作用下，产生微破裂，并以高频声发射形式释放能量。随着压力的增大，微破裂会继续扩张和发展，产生低频声发射与微震现象。

（3）当岩体内部出现大规模破坏或者不连续面发生剪断滑动时，低频声发射与微震现象表现突出，同时也伴有高频声发射。大规模的岩体断裂与滑移具有很大的能量，可加剧其影响范围内原有结构弱面的破坏，改变应力分布，诱发新的破坏。

（4）失稳岩体在垮落之前，出现间歇性破坏，微震活动频繁，且事件频度逐渐增大，在临近垮落时，事件频数反而减少，即为发生冲击地压的前兆。当一次大的地压发生之后，岩体局部的集中应力有可能未完全消除，产生余震及局部塌落，使事件频度总体维持在较低水平。

4.3 监测数据分析

通过对远程实时监控系统收集的监测数据分析，能够及时发现岩体的变化情况。对2008年1～12月监测数据分析，发现以下变化特点。

（1）1～3月，在43～47线尤其是43～45线下三中段巷道附近岩体局部产生间歇声发射现象，且较为密集，虽事件数较大，但能量不大，影响范围小，表明该监测区域处于小规模地压活动期。3月7～18日，监测系统多通道甚至所有通道均能接收到信号，各通道事件数不大，多在20以内，且事件发生的频繁程度不高。基于各通道事件数差别不大乃至多个数据一致的同步测试结果，推断在43～45线岩体出现了较大规模的断裂，随后进入暂时平衡阶段。

（2）8～9月，1#传感器频繁接收到了来自下三中段平巷37线附近的声发射信号，接着在8月31日1天内多测点相继发生声发射现象，而1#、2#、3#测点事件的发生则基本是顺序进行的，表明下三中段37～41线发生的微断裂打破了暂时的应力平衡，致使断层与采空区间的岩体应力重新分布进而在多处产生破裂，最强烈处位于下四39～41线。10月12日至12月16日，声发射事件仅在个别地点发生，且事件数较小，处于相对稳定阶段。

（3）12月17～20日，仅16#测点频繁接收到声发射信号，即在下四中段平巷43线附近多次出现较为强烈的岩体微破坏过程，每一过程的持续时间在1小时以内。

由此可见，监测区域岩体内的断层是影响岩体稳定性的重要因素，下三中段平巷顶板断层在地压作用下有所张裂，局部不稳定部位主要在下三中段巷道43～47线，其次是37～41线。局部岩体微破裂可导致一定规模的岩体断裂，地压活动频繁可加剧岩体破坏程度。

2010年以后，南6号采空区的滑坡体远程监控数据不断显示变化，尤其是3月后，南6号空区岩体活动频繁，下六391顶板大面积下沉。6月监测数据变化异常频繁，且数值较大，呈连续性变化，特别是6月16日有几次数值几乎接近峰值，发出了预警警报。经过现场检查发现下三、下四39～45线（F1断层）顶板及底板开裂，裂缝宽度每天都在变大，由最初的20mm发展到450mm，上盘下滑300～350mm。

监测数据表明南6号采空区的滑坡体处于活跃的高峰期，如不及时处理，将对井下作业的人员和设备设施构成威胁。

5 滑坡体处理

5.1 滑坡体位置及形态判断

滑坡体位于南6号采空区下盘39～47线，由于在39～47线之间空区底部废石垫层已填充至下四附近，因此滑坡体具有垮落危险的部位主要在下四至下二水平之间，滑坡体由F1、F2、F3三条断层构造切割所形成，F1、F2断层在平面图上呈雁行排列，在41线较破碎。三组断层构成的断裂带总体上向北倾斜，上陡下缓，下部倾角70°左右，呈弧形的走向近于东西与主岩体接触线近于平行，产状一致，断层被后期侵入的脉岩充填，主要充填物为大理石、糜棱岩、绢云母矽卡岩等。滑坡体的主要成分为含遂石白云灰质岩和大理石，硬度较大。根据圈定情况，滑坡体的总体积约20.3×104m3。

5.2 滑坡体诱导崩落处理技术与效果

由于滑坡体主要是由断层构造切割所形成的，岩层较破碎，仅需要将滑坡体关键部位崩透，剩余部分则在爆破的扰动下自行跨落。采取硐室爆破方式进行诱导崩落处理，即利用原下三中段41线川脉巷道（构造在该处较破碎，为结构弱面）作为药室，实施硐室爆破。

在硐室爆破的抛掷作用下，下三水平上、下约20～30m范围的滑坡体将被抛掷至空区。下三以上未被抛掷的滑坡体将在爆破松动和自身重力作用下自行垮落。下三以下未被抛掷的滑坡体，由于垂直高度仅剩几十米，其侧向（空区内）有新崩落的垫层作为支撑，因此不会构成安全威胁。现场观测，下四中段以上滑坡体得到完全处理，南6号采空区最大的安全隐患已消除。

6 结语

通过南6#采空区的治理实践证明，几十年来，随着缓慢有序的自然垮落，空区逐渐被废石充填，足够厚度矿废石垫层具备良好的缓冲减震作用，采空区岩体即使出现坍塌、滑落，对深部作业人员和设备也不会构成太大的威胁。加之适当的封堵和隔离，将更有效降低和控制其垮落对采空区周围的人员、设备、设施造成的冲击与震动危害。

多年的远程检测监控，有效地掌握了采空区形态变化特点、规律，通过监测仪器的数据分析，能够及时发现空区的变化情况，为采空区的治理提供了可靠的依据，有效遏制采空区坍塌等引起的灾害，在矿山生产实践中具有较好的实践指导价值。

Practice of treatment technique for underground southern No.6 goaf in Shouwangfen Copper Mine

The volume of southern No.6 goaf in Shouwangfen Copper Mine has reached 300×104m3,and how to deal with the goaf has been approaching and groping.After many years schemes optimization,the remote real-time monitoring,sealing,thick buffer cushion and caving treatment were adopted,and which were safe,economic and easy operation.

large goaf;treatment technique;practice

1672-609X（2010）05-0030-03

TD853.391＋.2

B

2010-08-05

张建文（1960-），男，河北承德人，采矿工程师，从事矿山开采技术与安全管理工作。