某铁矿采空区处理方案与安全技术措施研究

方 承 杨家冕 刘允秋

(1.马钢(集团)控股有限公司桃冲矿业公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司)

桃冲矿于1956年3月开始生产，设计服务年限48 a，采用平硐+盲竖井+斜坡道开拓方式，主、副井布置在矿体东端，西端设有一条回风井，形成+90 m 平硐，主、副井进风，回风井出风的单翼对角式通风系统。随着采准工作的深入，相邻矿山盗采后所形成的采空区逐步揭露，井下形成了近百万立方的采空区遗留至今。为了保证安全生产，依据国家行业标准规范以及采空区治理相关文件要求对矿山采空区进行调查，并根据矿山实际情况制定采空区安全高效经济的处理方案，消除采空区安全隐患。

1 采空区调查

本矿采空区目前虽处于相对稳定状态，但空区东部地表已累计下沉27.09 mm，地面道路出现两长两短(3～10 m)4条纵向裂纹，分析认为空区岩移活动处于缓慢发展阶段。

随着采空区体积不断增大，受力随之增大，当应力集中达到岩石稳定强度时，就会引起变形破坏而冒落，甚至可能是较大规模的冒落，而且冒落是突发性的。若井下无法形成安全规程所规定的覆盖层厚度，一旦发生大规模冒落，后果非常严重，因此，采空区的治理必要且紧迫。

空区治理前，首先对井下采空区进行逐个调查，利用激光3D扫描系统(CMS)以及全站仪对井下可测采空区进行三维定位扫描和测量，得出现有井下采空区形态、体积等参数：顶部空区长210 m，平均宽21.4 m，面积为0.45万m2；-50 m水平空区长280 m，平均宽51.8 m，面积为1.45万m2；-93 m水平空区长330 m，平均宽70.6 m，面积为2.33万m2；采空区高60～80 m，体积约99.1万m3。其中，-50 m以上约16.7万m3，-50～-100 m为75.4万m3，-100 m以下为7万m3。采空区典型剖面见图1。

2 采空区处理方案

2.1 采空区常规处理方法

空区处理有充填、隔离和疏通空区、永久矿柱支撑、崩落围岩4种方法。

充填法处理空区有尾砂、碎石水力充填，废石干式充填等方法，对本矿来说，前者充填工艺复杂、成本高，后者因废石中含泥多，不能使用。

留永久矿柱(采场中规则或不规则间柱、顶柱、底柱等)支撑空区顶板及两盘围岩，并封闭空区，多适用于开采缓倾斜矿床。本矿-100 m阶段以上用空场法开采留下矿柱，经过近几年的大量回采，已所剩无几。因此，这种处理方法现已无法实施。

对于这样大的采空区可以采用崩落围岩至地表和崩落围岩与隔离疏通相结合的方法。前者是放顶崩落围岩至地表，彻底消除空区，后者是崩落部分围岩充填采空区，保证足够厚度的矿岩垫层[1]。

2.2 采空区处理方案选择

本矿空区围岩属于暂时不能自行冒落的情况，需要强制崩落。东部厚大部位没有达到安全规程所规定的覆盖层厚度，即2倍分段高度25 m，必须进行强制放顶，本次设计了3个方案，并进行技术经济比较。

2.2.1 方案Ⅰ

方案Ⅰ为强制崩落两盘围岩、隔离、疏通处理采空区。

图1 采空区典型剖面

根据空区形态和需要补充覆盖岩石的部位，设计拟在5～7勘探线南北两盘围岩中钻凿倾斜扇形深孔，强制崩落围岩，形成岩石覆盖层。

目前仍在使用的井巷工程，要加以保护，使之不受空气冲击波的影响。为此，要在与空区相通的穿脉巷道中设置密闭墙进行封堵。

除了用深孔爆破强制崩落围岩形成安全规程所要求的覆盖层以外，设计在空区西部选择适当位置与原露天采矿留下的塘口底部贯通，形成“开窗”[2]，以疏通释放围岩突然大规模冒落所产生的气浪。

随着矿山开采深度的增加，采空区体积随之增大，覆盖层也随采矿分段的下降而下降，当空区顶部和两盘围岩受力变形而陆续自然冒落甚至发生大量冒落时，由于有25 m左右厚的覆盖层作缓冲，加上塘口“天窗”疏波和巷道中众多的阻波墙阻波等措施，覆盖层以上岩石冒落产生的冲击波、地震波和气浪不会给生产作业人员和设施造成危害。

2.2.2 方案Ⅱ

方案Ⅱ为强制崩落顶板和两盘围岩处理采空区。

采空区规模大，其顶板距地表较近，一般为10～50 m；顶板及围岩不能自行冒落。因此，采用强制崩落顶板和围岩充填采空区，使之与地表联通，在较大程度上减少了空区顶板岩石较大规模的突然冒落。崩落岩石、残留矿柱与存窿矿石一起形成25 m以上厚度的矿岩覆盖层。崩落顶板岩石充填空区，减少了崩落两盘围岩量，有利于空区的稳定。

本方案密闭空区工程布置、密闭方法等基本同方案Ⅰ。由于空区顶板岩石已崩落，预计空区围岩突然大规模冒落产生的空气冲击波强度较方案Ⅰ要小，因此，阻波墙由每处2道改为1道。

2.2.3 方案Ⅲ

方案Ⅲ为西区开“天窗”，东区强制崩落顶板和两盘围岩处理采空区。

为了减少崩落岩石的工程量，同时减少顶板岩石较大规模的突然冒落，该方案为方案Ⅰ的西部开天窗工程与方案Ⅱ的东部强制崩落顶板与两盘围岩的组合，即崩落-87 m以上的矿柱和存窿矿石作为矿石覆盖层；西区在原504采场顶板开“天窗”，减少了空区顶板岩石较大规模的突然冒落；东区崩落顶板岩石与地表联通，并崩落围岩充填空区，形成25 m左右厚的矿石覆盖层。

3个方案的经济技术比较见表1。

由表1可见，方案Ⅰ投资最少，实施较容易，施工周期最短，能比较好地解决矿山安全与生产问题。而方案Ⅱ、Ⅲ虽较大程度上减少了顶板大规模的冒落，但对今后井下生产造成影响，甚至出现新的安全隐患。因此，推荐方案Ⅰ。

表1 3种方案技术经济比较

3 安全技术措施

(1)在靠近空区巷道中钻凿深孔时，要时刻注意空区动静，发现异常，作业人员应立即撤离。打孔前，在作业点与空区相通的一端，要用石块垒一座临时阻波墙，以保证安全，亦可防止人员误入空区。

(2)经过近几年多次深孔爆破，证明最大一段装药量控制在1.6 t以内，爆破震动对附近建构筑物的安全没有影响。排孔装药量超过1.6 t时，增加雷管段数，加以控制。

(3)在井下深孔爆破中采取一些措施防御爆破冲击波，包括作业人员全部撤至地表，副井罐笼落到-200 m中段，副井-100 m井底车场和运输巷道不存放运输车辆，-50，-100 m平巷风门和东西风井风道门开启疏波等，避免爆破冲击波对井下作业人员和生产设施造成危害。

(4)井下深孔大爆破后，大量有毒有害气体聚积在空区以及相通的井巷中，须加强通风，将有毒有害气体抽出地表，通风时间不得少于8 h。经安全检查确认无危险，才允许工人下井作业。

(5)大爆破通风后必须对矿山井巷及回采工作面进行安全检查，特别要及时处理浮石，经安全检查确认后方可恢复井下生产。

(6)回采工作面中深孔爆破很频繁，要采取微差爆破技术和控制药量等减震措施，以减轻频繁爆破对空区稳定性的影响。

(7)建立较完善的采空区岩移监控机构和观测系统，补充岩移监测仪器，以健全采空区岩石移动监控体系；定期汇总观测数据进行分析，以掌握采空区地表和顶板围岩移动状态和规律；如果发现岩移变化异常，要增加观测频率，并及时报告有关领导，以便处置[3]。

(8)塌陷区要保持警戒，警示标志醒目，禁止人、畜、车辆进入圈定界线内；坚持日常巡视和检查。

(9)确保河沟的过水断面有足够的泄洪排水能力，防止洪水进入采空区陷落带内。

(10)在雨季时，含水泥土易形成泥石流，有可能突入回采工作面，要做好应急预案，并定期演练。

4 结 语

(1)通过对采空区处理方案的经济技术比较分析，最终选择强制崩落两盘围岩、隔离、疏通处理采空区，强制崩落围岩，形成岩石覆盖层，为下部采场安全生产提供保障。

(2)通过对采空区进行处理，上覆可形成25 m厚的岩石覆盖层，加上塘口“天窗”疏波和巷道中众多的阻波墙阻波等措施，即使覆盖层以上岩石冒落，所产生的冲击波、地震波也不会给生产作业人员和设施造成危害。

(3)项目完成后，基本消除了采空区相关隐患,保证深部采矿作业安全。该民采空区隐患治理项目的成功实施，产生了较好的社会效益、安全效益和环境效益，对矿山企业有较好的示范作用。