河北大白阳金矿采空区处理综合技术研究

李 闯，唐 涛

（1.长春黄金研究院有限公司，吉林 长春 130000；2.河北大白阳金矿有限公司，河北 张家口 075100）

1 工程概况

目前矿山1765及上部中段形成了60余个采空区，由于当时的开采经济技术条件，采用房柱法、全面法进行开采，存有大量矿柱未有回收，大部分空区只通过封堵进入采场的通道进行处理，随着空区暴露时间的增加，上部中段和相邻采场的地压发生了明显的变化，个别地段变形尤为严重，存在着极大的安全隐患。

2 采空区调查与评价

2.1 采空区调查

采空区调查内容主要包括：采空区的空间位置；形状与大小；采空区破坏与垮塌情况；采空区的联通情况；残留矿柱（矿石）情况等。大白阳金矿采空区主要分布在1725中段、1765中段及其上部中段，到目前为止1725中段形成采空区1个，1765中段及以上共形成采空区40余个，采空区总体积达到1292738m3，单个最大采空区体积105101m3，单个最大暴露面积22848m2。

2.2 采空区现状评价

采空区现状评价是对采区范围内的采空区稳定性进行系统的分析，主要从采空区是否会引起地表塌陷、是否冒落、是否会发生冲击地压、矿柱的完整性方面进行评价，见表1所示。

根据空区评价表1可知，1792、1813水平空区出现了明显的塌陷，空区内矿柱已经回收。

1725、1737、1765、1776水平水平空区未出现明显塌陷，空区内还留存有未回收的矿柱。

3 采空区分类

采空区的分类方法，有多种多样。如以采空区大小及形态进行分类、以采空区垮塌或稳定状态分类、以采空区形成原因分类、以采空区处理难易程度分类等多种方式[1，2]。

针对大白阳金矿采空区的特点，根据空区调查的结果并结合矿山现场实际情况提出以下几种分类方式：

表1 大白阳金矿空区现状评价表

第一大类：多年来形成的老旧空区，采空区内留存矿柱已回收且出现局部塌落的空区。空区主要分布在1792水平南北横2线～横8线，东西纵1～纵11线之间，空区面积约25628.7m2。

第二大类：矿块回采之后采空区内留存房间矿柱未回收且未出现塌落的空区。这种形式的空区根据回采高度分为5m以下和5m以上两种形式。回采高度5m以下形成的空区主要分布在1725南北横13线～横14线，东西纵6线～纵7线之间，空区面积2000m2左右。回采高度5m以上形成的空区主要分布在1745水平南北横15线～横16线，东西纵5线～纵6线和1765水平南北横16线～横17线，东西纵3线～纵5线之间，空区面积11000m2左右。1725水平主要集中在南北横14线半～横15线半，东西纵6线～纵7线之间，空区面积6200m2左右。

第三大类：目前矿块正在回采形成的能及时处理的空区。这种方式形成的空区根据回采高度分为5m以下和5m以上两种形式。回采高度5m以上空区主要分布在1725中段东西纵6～纵8线、南北横15线～横16.5线范围内，空区面积1430m2左右。回采高度5m以下空区主要分布在1725中段东西纵6～纵7线、南北横13线半～横14线半范围内，空区面积6000m2左右。

4 采空区治理方案

根据采空区现场调查与评价以及提出的空区分类对采空区提出综合治理方案。采空区治理方案主要包括封闭+废石充填法、切槽放顶法、矿柱崩落+自然冒落法及矿柱支撑+顶板维护法。

4.1 封闭+废石充填法

该方法主要是针对孤立、较小的空区采取封闭和局部废石充填的方式进行空区处理。封堵的对象主要是原采场的联络道等出口。主要处理第一类空区。

4.2 切槽放顶法

该方法主要是针对缓倾斜薄矿脉开采后形成的采空区，利用控制爆破手段在空区顶板拉应力最大的地段实施爆破切槽，诱使顶板在该地段最先冒落并接顶，从而改善顶板崩落效果及受力状态，达到处理空区的目的。该方法主要是应用了材料力学、爆炸力学和断裂损伤力学及井下空气动力学原理，研究出了切槽位置、深度及宽度的设计方法[3，4]。主要处理第二类空区。

切槽放顶凿岩的炮孔设计深度：

式中：k：岩体松散系数。N：采空区顶底板垂直高度，m。r：炮孔半径，m。S：声阻抗，z/kg（m2.s）-1。

切槽宽度W为：

式中：W为阻隔飓风的切槽宽度，m。C为阻力系数，一般为1.1～1.7。N为采空区断面高度，m/s。V为W宽的石渣堆可承受的气流速度，m/s。ρ空气为空气密度。f为松散岩块间的摩擦系数，为了安全可靠一般取最小值0.25。L为切槽深度，m。ρ为松散岩块密度，kg/m3。g为重力加速度，m/s2。б为采空区倾角，（°）。

切槽位置：按照材料力学及顶板极限悬臂跨度理论，在顶板极限跨度的1/2处顶板所受拉应力最大，此处也是顶板切槽的最佳位置。

4.3 矿柱支撑+自然冒落法

该方法主要是靠矿块回采结束后采场内留有的自然矿柱来维护空区顶板的稳定，而矿柱的跨度是影响空区顶板稳定的主要因素。

矿柱跨度的确定主要是从影响采场顶板稳定方面进行验算和确定的。对于由薄层状岩石构成的采场顶板，随着矿柱跨度的逐渐增大，顶板岩层弯曲也随之增大，当矿柱跨度增大到某一数值和顶板岩层的抗拉强度大于其极限抗拉强度时，顶板岩层将发生折断和塌落。弯曲问题可用梁理论作简单描述，视采场顶板为两端固定、载荷均布并等于自重的梁，由材料力学可知，最大拉应力出现在梁的两端上边缘点上，其值为：

式中：δmax—岩层（梁）所受最大拉应力，t/m2。h——松脱岩层高度，取h=1.0m。r——顶板岩层单位体积重力，r=2.5t/m3。L——梁（分条）跨度，m。

一旦δmax大于岩石的抗拉强度，岩石就会发生破坏，若要满足顶板岩层的稳定性，则必须满足：

式中：δt——顶板岩层岩石的抗拉强度，δt=377t/m2。

将上述公式整理得：

根据公式5计算矿柱的极限跨度。空区处理主要是采用空区内留存的矿柱对顶板进行支撑，矿柱回收结束后对空区进行封闭处理。由于回采矿柱使其达到了极限跨度，矿柱回采结束后由于矿柱结构弱面等因素的影响顶板局部有可能发生冒落，局部冒落会使顶板应力重新分布，降低空区高度，且不会形成大的冲击地压，矿柱回采后对空区进行封闭处理。

4.4 矿柱支撑+顶板维护法

该方法主要是针对缓倾斜中厚矿体在开采过程中，通过加固矿柱和维护空区顶板的方式保证空区的稳定，从而达到治理空区的目的。主要处理低三类空区。

5 结论

在采空区治理过程中采用钻孔应力计和顶板位移水准点来监测其变化，用来评价采空区治理的安全、稳定程度，同时在矿柱崩落和顶板切槽过程中，紧随工作面埋设压力盒和设置位移水准点，监测施工过程中顶板应力及位移变化，用于指导安全生产。

通过上述手段及采空区治理方案对空区进行综合治理，改善了人员作业环境，达到了确保井下作业人员的人身安全，降低生产成本，保障矿山安全生产的目的。