山东鑫泰缓倾斜矿体采空区处理技术研究

刘伟明

（山东烟台鑫泰黄金矿业有限责任公司，山东 烟台 265147）

鑫泰公司矿体均采用地下开采方式，单个采场生产能力约为60t/d～70t/d，矿体为缓倾斜薄至中厚矿体以及少部分极薄矿体（厚度为0.2m～0.8m）。平均厚度3.5m～4m，倾角约15°～30°，矿岩中等以上稳固，硬度系数f=7～9。采矿方法主要为全面采矿法。土堆矿区目前开采中段为-10m～-280m，由于前期的开采，部分中段已形成一定数量形状不明的采空区，成为矿山开采的重大安全隐患。据统计：近五年形成的空区总量约50万m³（采空区概况如表4-2所示）。例如：-250m～-280m中段463～504线之间存在长约110m，宽约20m的大采空区，现在-250m水平该采空区已有局部冒落，采空区体积估计约10万m3。所以，加强对矿井采空区的处理技术的深入研究，对保障矿井安全生产具有重要意义。

1 鑫泰公司采空区现状调查

1.1 采空区总体概况

通过对中段空区的现场调查及分析可知，鑫泰公司井下空区概况如下：

（1）采空区处理情况。鑫泰公司自地下开采以来未对采空区进行过妥善处理，基本上以局部不稳定区域增大矿柱、矿壁，回采结束后用木栅、预制混凝土砌块封闭空区入口等方式处理。

（2）采空区影响范围。采空区处于山区，地表主要为植被覆盖，有部分农田。空区距离地表最近距离约为200m，由于最大冒落高度H取决于回采高度h和碎涨系数进行分析，可以认为顶板岩石只会在一定范围内发生变形和破坏，形成裂隙带，不会发展至地表水平，采空区现状如表1所示。

表1 采空区现状概况

（3）近年来采空区地压活动情况。近年来，未产生过大规模的地压活动，地表塌陷事故和人员安全事故也从未发生，其中矿柱开裂和局部岩层顶板冒落是地压活动的主要现象。局部小规模地压活动表现为：①T3-2-4采场回采后封闭，空区高度达8m～10m，发生过顶板局部垮落现象，但未造成地表塌陷及人员伤亡事故；②446线附近T-2-1采场的部分采空区内有局部小规模的顶板冒落、矿柱开裂现象；③T3-1号残采采场在放炮结束后的通风时间段内，出现部分顶板冒落情况[1]。其他地压显现出矿柱开裂和少部分老采空内少量顶板冒落等现象，对公司的安全生产不会产生严重危害。

1.2 采空区初步调查结果

目前开采中段为-10m～-280m，由于前期的开采，部分中段已形成一定数量形状不明的采空区，成为矿山开采的重大安全隐患[2]。据统计：近五年形成的空区总量约50万m³。同样对拟开展科研工作的土堆矿区部分空区形态特征进行了详细的调查，见表2。

表2 土堆矿区代表性空区统计表

2 采空区冒落机理分析

2.1 主要因素分析

通过对国内外研究成果的分析，可总结出采空区岩体冒落的规律：采空区出现后，顶板暴露面积随着开采深度的增加而不断扩大，会改变原岩应力的平衡状态，在上覆岩体的作用下，空区顶板岩体发生变形，并随之产生向下弯曲和移动，当顶板围岩所受拉力大于岩体自身的抗拉强度时，会产生断裂、破碎等现象，导致冒落。其中坚硬顶板冒落机理主要分为拉断破坏和剪切破坏两种[3]。综合岩体冒落机理的实践经验分析，影响空区顶板岩体冒落的主要因素包括以下几点：第一，地质水文的影响，当出现断层、节理、裂缝现象后水文地质越是复杂越容易发生冒落；第二，岩体结构面的影响，发生冒落是因为岩体软弱结构面和岩体完整性差；第三，岩体物理力学的影响，发生冒落主要是因为岩体的抵抗破坏能力较差；第四，暴露面积和时间的影响，顶板的暴露面积越大其跨度越大，所需时间也越长，发生冒落。第五，埋藏深度的影响，上覆岩体重力载荷随着埋藏深度的增加，而不断增大，进而发生冒落。

2.2 采空区岩体冒落模拟分析

依据每次冒落量大小情况进行划分，可以将采空区冒落形式分为零星冒落、批量冒落以及大规模冒落等三种形式。通常情况下在初始阶段零星冒落发展到大规模冒落是在不知不觉中形成的，大规模冒落的危害较大，会导致采场坍塌危害矿工的生命安全，因此需要加强对采空区岩体冒落的控制。采空区冒落与顶板上部岩层的冒落能量的积蓄条件有直接关系，在具备冒落面积的采空区中当无矿柱进行支撑时顶板会发生形变，当表层岩体的自重力超出岩块间内聚力时，岩体就会发生自燃掉落出现零星冒落现象，当采空区有矿柱支撑作用的情况下，顶板围岩的形变以及冒落将会受到一定的阻力作用，但矿柱的支撑强度却无法完全限制顶板围岩微裂纹的产生及扩展。在这种情况下，顶板上部的冒落能量会逐渐积蓄增大，一旦去掉矿柱的支撑力顶板围岩冒落能量就会突然释放进而发生大规模冒落的形式。

我国发生大规模冒落的矿山大多是因为矿柱积蓄了大量冒落能量所导致的。以往矿山开采过程中都会预留不规则矿柱，由于矿柱支撑的作用顶板随着时间的积累会积蓄大量的冒落能量，最后当矿柱强度无法支撑时就会突然释放冒落能量造成大规模的冒落。所以为了避免采空区产生大规模的冒落，必须在采空区发生初始冒落过程中按零星冒落形式进行岩体的自然冒落，消除采空区矿柱释放顶板围岩的冒落能量。

图1 矿柱支撑使顶板积蓄冒落能量

当消除采空区矿柱后，采空区顶板围岩的冒落主要以岩体结构性能、强度及应力条件有直接关系。鑫泰公司矿井采空区顶板围岩主要以花岗闪长岩及大理岩为主，抗压强度在54.21MPa～72.69MPa范围内围岩稳定级别偏向Ⅱ级稳定岩体，当采空区埋深在70m以上时可参照拱形冒落机理来分析顶板围岩应力情况：假如采空区上覆岩层垂直应力q均匀分布，此时在应力平衡拱上，顶板围岩受到水平压力T和垂直压力R的作用。根据力系平衡原理，可得如下关系式：

整理得：

式中：q—垂直压力，q=γh；γ-上覆岩层容重，t/m3；H-空区顶板埋深；

图2 平衡拱受力分析图

通过对上式的分析可知顶板围岩的水平压力T与跨度的平方成正比关系，当采空区跨度越大则T就会越来越大，当采空区跨度增大到一定值时，临空面的岩体将会发生横向形变产生一定拉应力，在拉应力与岩体自重力的共同作用下采空区表面的岩体会发生裂缝与贯通最后会失去约束力，受重力作用自然冒落。

2.3 临界跨度与临界冒落面积计算

2.3.1 临界冒落跨度计算

为了改变采空区初始冒落的形式削弱采空区顶板冒落的能量，需要将采空区发展成为一个较大跨度的连续采空区。临界冒落跨度是指采空区上覆岩体自然冒落产生的最小跨度，其所产生的自然冒落面积即为临界冒落面积。从采空区的产生规模看，浅埋深中型采空区主要是长60m～100m、宽40m～50m、中段间高30m～60m的采空区（1～2个中段），埋深为60m～100m之间。从顶板的围岩的硬度与结构面的情况以及采空区的形态来看，冒落线的形态趋近于拱形，因此依据拱形冒落的方式对顶板围岩受力情况进行分析，可以计算出临界冒落跨度，计算公式如下式：

式中：Tc-岩体极限抗拉强度，t/m3；γ-上覆岩层容重，t/m3；H-采空区顶板的埋深，m；h-采空区高度，m；

经实际计算可得出采空区顶板岩体临界的冒落跨度大约在43m～62m之间，如持续冒落跨度为临界冒落跨度的1.25倍计算的话可以得出持续冒落的跨度大约在54m～79m之间。通过以上的计算分析可知，目前采空区的跨度（约35m～40m）尚未达到临界冒落跨度的数值，所以在不受开采爆破等相关震动干扰的状况下，围岩相对稳定不会发生冒落现象，随着矿柱的回采当采空区的跨度在55m～56m时候，围岩不稳定区域则会发生冒落现象。

2.3.2 临界冒落面积计算

由上式得到临界冒落跨度为43m～62m，持续冒落跨度应为54m～79m。选取临界冒落跨度值43m进行计算，可以得出相应的临界冒落最小等价圆面积约为：

选取持续冒落跨度值79m进行计算，可得出相应的最小等价圆面积为：

根据上述理论分析计算及现场实际调查可知，目前鑫泰公司部分矿井采空区跨度围岩的稳定性已趋于临界冒落跨度状态，随着部分矿柱的回采，采空区跨度值将超过不稳定围岩临界冒落跨度值的24%。另外，随着采空区顶板的日久衰落，顶板表面的强度逐渐弱化，受开采爆破的震动影响较大，这样将会大大降低不稳定围岩的临界冒落跨度状况，伴随着矿柱的逐渐开采，采空区顶板一定会产生冒落现象。

3 采空区处理技术方案

3.1 崩落法处理采空区

在应用崩落法进行采空区处理过程中，通常要与残留矿柱的回收协同进行。当采取崩落后冒落下来的岩体将直接填充到采空区的下段覆岩，可增加岩体约30%～50%。伴随着冒落的不断进行冒落下来的岩体将逐步填充并压实采空区，这时采空区顶板将会收到相应的支撑力而停止垮塌。填充完毕后采空区顶板围岩只会在受到其他外力的情况下产生部分范围的形变破坏，产生的裂隙带将逐步稳定。

依据公式可知采空区顶板岩石产生的最大冒落高度H主要与回采的高度h以及碎胀系数k有关。

式中：h为回采高度，m；α为矿体倾角，°；k为岩体碎胀系数。

由以上分析及计算依据可以得知鑫泰公司采空区现状调查结果：崩落处理了-250T3-1采1、476线北侧、-235T3-1采1、476线南侧采空区。空区体积约8842m3。

3.2 废石充填处理空区

矿山采空区具有数量多、分布广、形态各异等特点，在常规的封、崩、充、支四种处理方式中，我公司提出了充填法中的废石充填来处理部分空区。废石充填不仅能够提升采空区的安全稳定性，而且还是实现了残石的回收利用并节省了废石的运输成本为企业节约生产成本。利用废石充填处理采空区的话，需要遵循以下两方面原则：第一，需要矿山单体规模要大，且持续服务年限较长；第二，还需要采空区围岩有便利、较强的填充井巷，否则必须建立相应稳定性好的充填井巷。

废石充填方案实施以来，鑫泰公司井下废石充填系统安全运行，目前累计充填的采空区分别为-261T3-10采1；采2、484线南北侧空区及-280T3-2采2、468线与-460线之间空区。据统计目前采空区填充体积已达到0.78万m3，在充填体及矿柱的共同作用情况下上盘围岩及间柱的稳定性得到显著提升，同时采空区二次应力场也得到有效改善，有效控制了采空区顶板冒落及相关地压活动。

3.3 封闭采空区方案

采空区封闭处理措施是诸多采空区处理措施中实用性和有效性较好的处理措施，目前鑫泰公司部分采空区采用封闭采空区处理方式后都取得了较好的效果。依据相关理论与计算，鑫泰公司将原-293T3-10采1、492线与500线之间及相邻空区进行了封闭处理，处理空区总量为1.2万m3处理后封闭地点见表。

表3 封闭处理采空区统计

4 结论

综上所述，矿山采空区治理方案的实施，可以有效地防止井下大规模地压活动，从而保障矿山安全、高效开采。同时采用废石充填处理技术，空区总量达到0.8万m3，相当于减少了0.3万t井下废石不出坑，按13元/t的提升过程中所产生的所有费用计算，减少了运输及提升费用约3.9万元，矿山每年约有11.5万t井下废石不用出地面直接输送到相应采空区，每年可节约废石提升与运输费用约15万元。不仅实现了矿山资源的综合利用，还延长了矿山服务年限。