采空区安全处理的对策措施研究

2010-04-03罗毅莎姚振巩

采矿技术 2010年4期

关键词：顶柱矿带空区

罗毅莎,姚振巩

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

采空区安全处理的对策措施研究

罗毅莎,姚振巩

(长沙矿山研究院, 湖南长沙 410012)

在论述了国内采空区的处理技术方法的基础上,结合湖北某金属矿采空区安全论证与处理措施,提出在采空区稳定性安全论证之后的采空区危害分析下的安全对策措施,为矿山安全开采服务。

采空区;安全论证;处理措施;危害分析

采用空场法、崩落法开采的地下矿山,往往会形成巨大的地下采空区和崩落空区,而当采空区面积达到一定数量时,就有可能发生大规模突然冒落等地压灾害,造成人员和财产的重大损失。大量的矿山事故经验表明:采空区的处理不及时、采矿方法选择不当与同一矿体多种采矿方法混用、矿柱留的不够、顶板崩落不充分等,是造成矿山大面积地压灾害的根源。采空区处理的实质是分散或转移应力集中部位,降低岩体的应力集中程度,使应力重新达到相对平衡,以此控制和管理地压,保证矿山安全生产。

恰当选择采空区处理方法,应考虑矿山具体情况,如地质赋存条件、采矿方法、空区性态、地压显现特征等因素,经严密论证分析后,有针对性地提出安全对策。本文以湖北某地下矿山处理采空区的措施为例来说明。

1 国内采空区处理技术方法

国内矿山对采空区处理技术方法归纳起来有:崩落围岩处理空区、充填料充填空区、矿柱支撑空区、封闭和隔离处理空区和联合法处理空区[1]。

1.1 崩落围岩处理空区

崩落围岩处理空区的特点是用中深孔、深孔或药室爆破方法,将空区围岩大量崩落以形成缓冲保护垫层,同时充填空区,从而防止因空区内岩石突然冒落而造成危害。采用崩落围岩处理空区,能及时消除空场,缓解应力过分集中和避免大规模的地压活动,且处理工艺相对简单,可有效提高劳动生产率。该方法在国内矿山中使用广泛。

1.2 充填料充填处理空区

利用碎石、尾矿砂、水砂、混凝土等充填料充填空区,让充填体支撑空区,控制地压活动。该方法可减少矿体上部地表下沉量、防止矿岩内因火灾、减少损失贫化。

1.3 留永久矿柱或构筑人工石柱处理空区

留永久矿柱或构筑人工石柱处理采空区,一般用于缓倾斜薄至中厚以下的矿体,以及用房柱法、全面法回采,顶板相当稳定,地表允许冒落的矿山。我国有色矿山的生产实践表明,一些缓倾斜矿体,尤其是矿岩条件好,矿柱选留恰当的矿体,连续的空区面积均不太大。

1.4 封闭和隔离处理空区

封闭和隔离处理采空区是一种经济、简单的方法。封闭这类采空区的目的主要是防止围岩突然冒落时空气冲击波对人员和设备的危害。封闭隔离法的主要措施:

(1)封闭空区与外界相通的巷道。方法有:在巷道中构筑1～2.5m厚的钢筋混凝土墙,作封闭墙;在巷道中挑顶板,使顶板爆下一层岩石堵塞巷道,堵塞长度约15m。

(2)设隔离层使上部空区与下部作业区隔开。

(3)在密闭隔离的空区上部开通往地表的“天窗”,然后用坚实密闭墙封闭通向生产区域和主要坑道的一切通道,这样,围岩冒落时,空区的空气由“天窗”流向地表,不至于成为高压气流危害生产人员与设备的安全。

1.5 联合法处理空区

联合法处理空区是指在一个采空区内同时采用两种方法处理采空区,其方法有:矿柱支撑与充填法联合、封闭隔离与崩落围岩联合等。

2 湖北某矿采空区安全论证后的危害分析

湖北某矿一直采用无底柱浅孔留矿法开采,留有6～8m的顶底柱,经多年开采,井下已形成约66.8×104m3的采空区,采空区离地面的最浅部位约50m,目前地面尚未有垮塌的迹象。矿区分为Ⅰ矿带和Ⅱ矿带,目前主采的是矿区的II矿带。Ⅱ矿带包括Ⅵ号、Ⅶ号、Ⅷ号等3个矿体,现井下已形成的中段有:+50,0,-50,-100,-150,-225,-250,-280和-320m,目前主要生产中段为-280,-320m正在进行开拓。

根据该矿的赋存特点,在现场工程地质调查、室内岩石力学试验、岩体质量评价、岩体力学参数确定的基础上,采用Mathews稳定图方法、有限元分析方法、缓冲层厚度分析、防顶板突发冒落空气冲击波危害的封闭墙稳定性校核等技术方法,对该矿的采空区进行了较为全面的安全论证[2～5]。

2.1 采空区地面塌陷

根据对采空区稳定性的有限元分析,顶柱在剪应力、拉应力的作用下,特别是在顶柱的跨度较大时,有可能从局部垮塌开始。若顶柱破坏垮通,采空区又未进行充填处理,则采空区上下盘失去支撑,将引起地面较大的塌陷。参照类似生产矿山,对矿体的上、下盘的移动错动角选取为65°,以此圈定开采时的错动范围。

2.2 采空区上下盘与顶柱的破坏

根据对采空区稳定性分析研究,其基本结论为:

(1)矿山开采现状的稳定性较好,开采影响的范围限在采空区周边3～15m的范围,目前不会发生大的地压灾害。

(2)该矿顶柱矿石的跨度在10m以下时(矿体平均厚度为6.33m),顶柱安全;但当矿体的跨度达15m以上时,暴露面积的稳定范围控制在600～900 m2内,若暴露面积超出此控制范围,顶板将逐渐自然冒落;大理岩、闪长岩稳定的允许暴露面积较大,一般情况下不会发生大面积的片帮冒落。

(3)Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ号矿体间相互的影响不大。

(4)对于主开采的Ⅵ号矿体,开采扰动形成的应力集中区一般是在采空区的顶端和底端,随深度的增加应力集中的程度也将加大。开采的同时,在采空区上下盘的3～15m范围内形成了剪破坏区,1～3m范围内形成拉破坏区,所留顶柱内形成应力集中区,开采扰动形成的位移也指向采空区。因此,目前该矿采空区的稳定性整体较好,部分跨度较大的顶柱部位(跨度＞10m)存在拉、剪破坏,特别是在靠下盘位置。

2.3 空气冲击波危害

该矿为防治岩层的突然塌陷,在井下的+50,0,-100,-150,-200m中段与采空区联通的巷道处,用C25混凝土或红砖加钢板进行了封堵。C25混凝土封堵墙的厚度大于1m以上,对防止空气冲击波的危害起到了一定的作用,且在-200mⅥ号矿体接近正中偏东处,用废石充填,最高处达到-150m。

2.4 突水与淹井危害

该矿目前主采的是矿区的II矿带Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ号矿体,矿区北部Ⅰ矿带溶洞较多且大,与附近青山水库下游的赵家港连通,但在Ⅱ矿带与Ⅰ矿带之间有一隔水层,将两矿带安全隔开。Ⅱ矿带处在一个东西向长条状水文地质单元中。该水文地质单元有志留系页岩、未风化的岩浆岩体隔水,大气降水范围和强度不很大,地下水排泄较畅通,地下涌水量极小。虽然本矿的水文地质条件应属简单类型,但若在开采作业的过程中,使Ⅰ矿带与Ⅱ矿带之间的隔水层遭受破坏,必将导致井下的突然溃水,使矿山遭受巨大的损失。加之本矿上部存在老窿,空区面积较大,各地段积水情况不清,因此在开采过程中应采取防止老窿、采空区突水的措施。

3 安全技术对策措施

3.1 采空区地面塌陷的安全对策措施

(1)地表设施和建筑物均布置在开采错动界线以外。

(2)加强塌陷区的管理,尽可能准确的标出塌陷区域的边界线,并设立明显的标志。

(3)及时掌握采空区的变化情况,及时编制塌陷区井下、地面对照图。

(4)应在地表塌陷区周围埋设必要的观测点,并进行定期观测,为塌陷区的安全管理、周边道路改造和塌陷区提前征地提供科学依据。

(5)地表塌陷、裂缝区的周围,必须设置截水沟或挡水墙,防止大气降水渗入井下。

(6)应做好塌陷区水文地质(防洪排水)技术管理工作。

(7)应专人负责,定期书面通知毗邻乡村,对塌陷区提出注意事项,防止人、畜事故发生。

(8)安全生产管理部门要定期组织有关人员对塌陷区的安全管理工作和安全情况进行监督检查,并提出整改意见。

3.2 采空区处理的安全技术措施

(1)利用废石或尾矿及时充填处理空区:采用井下开采的废石或尾矿作为充填料,对采空区进行处理。废石层的厚度要满足冲击气浪缓冲层厚度的要求。大量的工程实践证明,采用充填处理采空区是控制采空区稳定性最好的方法。该方法为该矿采空区处理的首选方案。

(2)主动崩落围岩,形成缓冲岩石垫层,处理采空区:该法是在围岩稳固、整体性好、不能自然崩落情况下,用爆破手段强制崩落围岩,使围岩充填空区或形成缓冲岩石垫层,以控制压力转移或缓和顶板应力集中,防止围岩大面积突然崩落,产生的气浪对生产区巷道、设备和人身造成危害。与充填处理采空区比较,本法简单易行,成本一般较低。采空区围岩上盘的崩落工作选择在采场大量放矿之后进行,可减少矿石损失贫化。但崩落放顶时,应采取微差爆破技术,尽量减小爆破冲击波对上部顶柱的破坏。放顶形成的缓冲层的厚度应在10m以上,若顶柱垮塌,应视垮塌中段的个数适当增加缓冲层的厚度,即增加一个中段高度要多增10m的缓冲层。该方法在局部地段选择采用。

(3)严格采用所选用的浅孔留矿采矿法的采场结构参数,留足和维护好足够尺寸的顶柱与间柱,坚持合理的开采顺序,并且合理确定巷道断面形状和大小。

(4)根据井巷和采场所处的围岩稳固程度,对井巷与顶柱采取锚杆支护等措施,特别是采空区的跨度大于10m后的顶柱,一是采用锚杆加固,二是在其下部应留足对其的支撑矿柱。

(5)建立采场地压监测观测点(网),随时掌握采场地压变化情况。

(6)加强人员的现场巡视,及时了解采空区的安全状态。

(7)加强顶板管理,做好浮石的检查和处理工作,及时撬毛。

(8)建立安全技术操作规程和作业制度,加强安全技术培训,提高职工的技术素质。

(9)经常行人的巷道,每天要有人巡回检查,对顶、帮有松动的地段,要及时敲帮问顶并予以处理;危险场所设立警告标志,严禁人员进入。