地下矿山人工控制采空区处理方法探讨

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(太原西山石膏矿，山西 太原 030027)

引言

地下矿山开采工作一般要经历勘察、开拓、采准、回采和采空区的处理等5个阶段。为了满足生产的需要，前4个阶段容易引起重视，而回采后的采空区处理则往往被忽视，严重制约到矿山持续稳定、高产的发展条件。因此，合理均衡地处理地下矿山采矿与采空区二者之间的关系，是确保矿山生产连续正常与发展的关键因素之一。特别是在当今时代，随着科学技术的发展，创新驱动能力增强，新技术、新设备、新材料、新工艺等接连不断地装备矿山，使得矿山的生产能力得到了进一步提升。生产装备的提高，规模化的生产，给企业的发展空间创造了有利条件，但随之也不可避免地带来严重的负面效应，特别是地下矿山企业尤为严重；机械化程度的提高，生产能力的提升，开采范围的不断扩大，反而使得采空区遗留暴露的面积越来越大，加快了矿山原地压应力平衡的破坏，加之原已开采过遗留的大面积采空区的地压应力，二者互相叠加、相互影响，使得矿山地压应力处在一个活动异常活跃期，暴露的采空区随时可能发生大面积坍塌冒顶，其后果可能摧毁整个矿山的生产系统，甚至造成严重的人员伤亡。因此，如何处理好开采与采空区的关系，采用什么方法进行采空区处理，消除生产过程中的重大安全隐患，是目前地下矿山企业面临的重大技术课题。

1 采空区处理方法的分类

目前，国内地下矿山企业对采空区的处理方法大致可分为两大类：一类是采空区顶板岩性松软，处理比较简单，随采随落，上部的直接顶、老顶直接充填到采空区，起到支撑采空区的作用，不需要再进行处理。另一类是开采后采空区顶板的岩性稳定、坚硬，不易冒落，在一定范围、时间内采空区比较稳定，地压应力处于一个相对稳定的平衡状态。但是，这个相对稳定的平衡状态随着时间的延长，开采范围的不断扩大，采空区面积达到一定程度时，矿柱支撑失稳，在地压应力作用下自身就可能发生冒顶坍塌。为了防止此类情况的发生，目前有两种处理方法：一是开采后直接进行采空区的充填，充填后材料起到支撑采空区的作用，以缓解地压应力对后期开采的影响。此种处理比较复杂、充填成本高，条件是采空区上部有含水层、地表有重要建筑物，不允许地表山体位移下沉。二是开采到一定范围后，对采空区的直接顶、老顶进行人工控制爆破，爆破后的围岩直接充填到采空区，起到支撑采空区的作用。此种方法处理一般成本低、危险性大，条件是采空区上部无含水层、地表没有重要建筑物，允许地表山体位移下沉。

采空区的处理是一种系统复杂、技术性很强、操作危险性大的工程，涉及到地质、水文、工程力学、爆破安全等诸多学科，如果设计合理、方法得当，一次性处理到位，可为后续的开采创造有利条件；如果一次性处理不到位，后期处理就相当困难，危险性大。本文以太原西山石膏矿放顶为例，对地下矿山采空区的处理进行介绍，供参考。

2 西山石膏矿的开采现状

2.1 地质情况

西山石膏矿位于中朝地台华北地块，山西台背斜北部吕梁山、五台山之古老窿起之间的汾河地堑边沿，也即吕梁山古老窿起之东沿，汾河地堑之边沿，故受地堑影响而生成断层颇多，对矿体影响较大。该区域水文地质比较简单，开采的层位上部无含水隔离层，大部分山体地表被植被覆盖。

2.2 开采层位及开采方法

开采膏组为奥陶系中统峰峰组，为湖泊相沉积矿床。在含膏岩段中以中间灰岩相隔，划分为上、下两个含膏岩带。上石膏岩带又可分为3个矿组，3个矿组根据不同水平分别进行开采。其中上石膏带1矿组石膏质量好，单矿组厚度平均为11 m左右，矿体呈层状，上下围岩以白云岩、白云质泥灰岩为主，岩性力学强度为中等；开采中采用平硐开拓、房柱式开采，并采用二次分层开采，先拉底再挑顶，一次拉底开采后，护顶矿以白云质石膏作为顶板，厚度为0.3～0.5 m，底板是泥灰岩；挑顶后护顶矿是以第2层石膏作为护顶，厚度为0.5～1.0 m。开采中如无构造变化一般是采10留8；如果地质发生变化或层位缺失，应根据构造岩性变化情况及时进行调整。主运输巷、盘区运输巷两旁留有10 m保安矿柱，盘区内的房间、矿柱为间隔排列；每间隔5个矿房留设10 m的连续矿柱，以免影响其他采区的开采安全，同时为后续采空区放顶和下部的开采创造有利条件。

2.3 采空区处理的迫性切

西山石膏矿人工放顶可追溯到20世纪80年代初期，当时西山石膏矿成立之时接管了日本在侵华战争时期开采过的矿山，该矿遗弃着大量的采空区，采空区的存在严重影响着矿山职工的生命安全和矿山的正常生产秩序。70年代末，该矿曾发生过大面积采空区顶板冒落事故，冒落面积大约3万m2，因冒顶发生在夜间，未造成人员伤亡，只是对一些生产设施造成了一定损失。

为消除采空区对生产安全的威胁，提高矿产资源开采回收率以及为采空区下部矿组资源的开发创造条件，西山石膏矿进行了人工控制采空区放顶试验。

3 放顶区基本状况

放顶区为房柱法采空区，底板标高变化在1 086～1 091 m之间，波状起伏，矿柱支撑比22%～30%，最大采高11 m，最小7 m。北邻矿区开采边界；西北与放顶区相邻；南邻原109运输大巷，其保安矿柱(无轨运输大巷)进行过回收采动，隔109运输大巷与一自然垮落相连；西邻3万m2的自然垮落区；东邻采高为2.5～5 m巷柱法采空区的双层采空区，面积约2万余m2。在此范围内CK147钻孔周围近1 000 m2范围内，有5个矿柱于1987年9月2日及之前倒塌，悬顶面积达500 m2。还有七、八个矿柱扭破碎失去支撑力，顶板脱层400 m2，脱层厚度1.5 m左右。全区顶板均发生过不同程度的脱层掉块现象。1985年人工加固的矿柱也已被严重压裂、垮塌、危在旦夕，所以对该区进行处理已刻不容缓。

区内展布着一个复式背斜，背斜轴呈NW-SE向，脊部较平缓而宽阔，褶皱幅度在10 m左右，两翼产状分别为：东翼91°25'，两翼268°13'30"。这种构造对顶板的起伏变化和稳定性具有一定的控制作用。位于主背斜东翼，区内顶板有一条长50 m、宽约5 cm的断裂裂隙，无相对位移，其走向为291°。区内东南各有一条无明显错动的小断层，对顶板的稳定性无明显影响。放顶区现状及垮落范围见图1。

4 放顶设计与施工

从采空区的基本状况可以看出，其最小跨距远大于试验区36～40 m的跨距。若按试验区跨距作为此区处理的跨距，无可供选取的隔离矿柱。因此，处理这部分采空区只能根据此区的情况，参照试验方法的基本原则，合理圈定一次处理范围，选定隔离控制矿柱，方可安全有效地达到处理的目的。但是，在100 m左右的跨距，对面积达1.5万m2的范围一次性进行处理，落顶震动、空区冲击对周围空区的影响如何，是一个无法预料的问题。若分区处理，其垮落范围的控制就需认真研究探索，但鉴于该区可能随时垮落的情况又不太现实。

我矿根据试验放顶控制条件，分析了该放顶区的实际情况，北侧面临矿区开采边界，可以控制。南侧为109运输巷的保护矿柱，采用切割分离顶板，不可完全加以控制，因为保安矿柱已不很完美，部分矿柱尺寸较小，且局部地段仅隔运输巷就与原来的老垮落区相连，其控制是否可靠尚有疑虑。东侧距矿区开采边界约120 m，此距离内的采空区中矿柱较大，刚性较好。但是，双层空区其隔层厚2～5 m，即使控制不准，引起这样的老采空区垮落，也不能造成大的损失。西侧虽有较大的矿柱，但有的已有开裂现象，不能成为一个连续的隔离矿柱带，其顶板垮落时，很有可能与3万m2垮落区连通。

这次放顶是太原西山石膏矿人工放顶的第一次，从一定意义上讲，无疑是对采空区处理方法以及我矿的考验。基于以上设想和分析，我矿通过精心组织设计、施工和爆破，使采空区放顶达到了预期的效果。

5 放顶效果及评述

5.1 放顶效果

这次放顶的设计工程量为4 950 m2，顶板实际垮落面积为15 050.18 m2。顶板一直垮至地表，地表形成塌陷盆地，陷盆中心垂直位移为3.84 m。地表沉降等距图见图2，地表垂直岩移剖面图见图3。

5.2 效果评述

(1)从形成的地表塌陷盆地垂直位移3.84 m分析，顶板完全垮落，地压得以释放。

(2)采取控制-自然放顶的方法是可行的，隔离矿柱和预切工程(包括浅眼、深孔)可以达到控制作用和目的。在无隔离矿柱可选取时，可结合褶皱及其他地质构造制定具体的控制措施。

(3)从设计、施工和顶板实际垮落面积分析，只要对空区进行认真分析，可以在一次处理范围内达到处理要求，还可降低放顶工程成本，提高经济效益。

图2 地表沉降等距图(1∶1 000)

图3 地表垂直岩移剖面图(1∶1 000)

(4)在原保安矿柱很小或已缺失处，由于受原老垮落区的影响，此处109运输大巷垮落并被封堵。在这种情况下，采用浅眼切顶意义不大，今后应慎用。

(5)采掘工程应严格遵守设计，保证保安矿柱的完整性，杜绝回采保安矿柱的违章作业。采空区资源二次回收应与放顶处理空区紧密配合，有目的、有计划、有步骤地进行，并应重视采空区的处理。