采空区处理与卸压开采回顾与展望

李俊平，张幼振，王海泉

(1.西安建筑科技大学 资源工程学院，西安 710055；2.中煤科工集团 西安研究院有限公司，西安 710077)

采空区处理是我国及采矿不发达国家普遍存在的地下开采的重大安全生产难题。深部开采是国内外采矿业发展的必然趋势。无论是大面积采空区存在，还是深部开采，都必然诱发高地压。高地压超过岩体单轴抗压强度时，将诱发分区破裂化灾害；高地压不超过岩体单轴抗压强度，对非岩爆倾向性岩体则产生变形破坏，对岩爆倾向性岩体，小空间将发生岩爆灾害，大型未处理坚硬顶板采空区将发生顶板冲击地压灾难。开采(挖)灾害演变见图1。

图1 开采(挖)灾害演变Fig.1 Evolution of mining(excavation)disasters

2000年以来，我国几乎一半的矿山都存在大量未处理的采空区，常诱发顶板局部冒落事故或顶板冲击地压灾难。而且随着矿山逐步向深部开采，越来越多的矿山在采空区和采深增加的共同作用下，常发生高地压的变形垮塌、岩爆及分区破裂化等灾难。为了消除大量未处理的采空区，并兼顾卸压开采，2000年开始启动了采空区处理与卸压开采研究。

2000年之前，采空区处理方法只有支撑法、封闭隔离法、充填法、崩落法等4种基本方法，以及崩落隔离、支撑充填、矿房崩落充填、支撑片落等4种简单联合法[1]。除矿房崩落充填和支撑片落外，都写进了采空区处理领域的第一部专著：1989年周崇仁教授著《矿柱回收与采空区处理》。这些传统采空区处理方法既不能定量设计，也不能兼顾卸压开采，而且施工经费少则千万元人民币，多则超亿元。

2000年之前，传统的卸压开采理论只有压力拱、支承压力、最大水平地应力、板&梁理论、卸压支护和轴变论等，而且压力拱理论无拱高、拱宽的设计公式，支承压力、板理论无明确表述[2]。

本文回顾了切顶卸压理论及其指导下创新采空区处理与卸压开采方法的历程。

1 切顶卸压理论

传统采空区处理方法既不能定量设计，也不能兼顾卸压开采，施工经费还昂贵。与采空区处理和卸压开采紧密相关的传统卸压开采理论存在缺陷，急需集成切槽放顶方法、控制爆破等钻孔爆破工艺，突破传统采空区处理与卸压开采的理论瓶颈。因此，2001年创新出采空区处理与卸压开采领域的切顶卸压理论[3-4]。

切顶卸压理论的技术要点就是应用控制爆破手段，分别在顶板拉应力最大的地段沿采空区走向全长实施一定深度、一定宽度的控制爆破切槽，诱使顶板最先在该地段冒落，并尽可能使冒落接顶，从而实现采空区小型化及其与深部开采系统的隔离，并将开采废石有计划地简易排入处理过的采空区，削弱可能发生的自然冒落所激起的空气冲击波，最终消除冲击地压隐患，并使顶板应力向有利于安全开采的方向重分布，确保安全生产[3-4]。根据技术要点及原理图2，不仅推导出了切槽放顶的合理位置、引起冒落体及时筑坝隔离采空区的切槽放顶的钻孔深度、及避免冒落空气冲击波伤害作业面员工的筑坝隔离体宽度等理论设计公式[4]，而且切槽放顶的合理位置还可借助采空区顶底板闭合观测或顶板应力监测确定[5]。

图2 切顶卸压原理Fig.2 Principle of top cutting and pressure relief

从技术要点中可见，切顶卸压理论不仅可借助控制爆破产生的堆石坝，将特大型采空区分隔成若干个小单元，从而避免处理过的采空区冒落诱发的空气冲击波危害作业面员工，也可借助堆石坝这个类似弹簧的结构避免采空区产生不均匀沉降，而且还可借助切断顶板释放部分地压及堆石坝向采空区底板转移部分地压，从而实现卸压开采。从技术要点中还可见，切顶卸压理论为实现无废开采提供了经济、有效途径，可以将开采废石、选矿尾砂或全尾砂胶结充填体就地排放到切顶卸压后的采空区。

从切顶卸压原理图2可见，切顶卸压理论既不同于自然崩落法利用拉底、切割引起作业面顶板应力集中的应力转移路径，也比长壁后退采矿法在金属矿山的应用、暨诱导崩落无间柱连续采矿法转移或释放应力更彻底，因为长壁后退采矿法不顾冒落岩石是否接顶及是否筑坝隔离。

2001—2007年李俊平等应用切顶卸压理论处理了东桐峪等采空区，2006—2007年还将切顶卸压理论应用到煤矿，借助控制爆破切槽放顶筑坝替代砌毛石墙沿空留巷，成功解决了沿空留巷的大变形等地压显现问题(见图3)[6]，并清晰阐述了板理论[2，6]；2008年还总结出采空区的安全评价理论并评价了不同类型采空区及其处理的安全可靠性[7]。何满潮等2011年报道110工法[8]，2017年报道切顶短壁梁理论及其110工法[9]。

图3 切顶卸压沿空留巷施工示意图Fig.3 Schematic diagram of roof cutting and pressure relief for gob-side entry retaining construction

总之，切顶卸压理论是采空区处理与卸压开采领域的原创性理论。切槽放顶沿空留巷、110工法、切顶短壁梁理论实质上都是切顶卸压理论在煤矿沿空留巷中的应用，自然崩落法、无间柱连续采矿法本质上与切顶卸压理论是不相同的。

2 采空区处理与卸压开采新方法

克服传统采空区处理与卸压开采方法的弱点，在切顶卸压理论指导下，发明了如下一系列新的采空区处理与卸压开采方法及其理论设计方法和施工工艺。

2.1 控制爆破局部切槽放顶技术(切槽放顶法)

切槽放顶法是切顶卸压理论在采空区处理与卸压开采中的具体应用。该方法适合处理缓倾斜至水平的厚覆岩采空区，2001年处理陕西东桐峪金矿43万m3采空区的施工成本不超过60万元[4，10-11]。古德生学科组2007提出的顶板诱导崩落机制处理采空区或诱导崩落实现无间柱连续采矿[12]，实质就是应用切槽放顶诱使顶板边采边冒落，但不强调冒落及时接顶和筑坝隔离，因此，与切顶卸压理论有本质差异，改善顶板受力状态的效果及封闭隔离采空区的效果都远不如切顶卸压理论指导下的改进：切槽放顶法。

2.2 切顶与矿柱崩落法

在切槽放顶法基础上发展的该方法，其目的是利用天然断层等大型弱面或爆破切顶，并崩倒极限悬臂跨度内的矿柱，或者没有弱面也不切顶弱化而直接崩倒极限跨度内的矿柱，使顶板自然冒落，既处理了采空区，也回收了矿柱，还从技术上避免了非法开采。应用相似模拟或充分考虑层里面的数值模拟，可以准确设计崩倒矿柱的极限(悬臂极限)跨度及切断顶板的钻孔爆破深度[10-11]。该方法适合处理缓倾斜至水平薄覆岩采空区，2004年处理湖北荆襄磷矿大峪口矿段37.5万m3采空区，成本不超过120万元[10-11，13]。周宗红等[14]成功应用矿柱崩落的思想处理了桃冲铁矿的采空区。

2.3 硐室&深孔爆破法

V型切槽上盘闭合法是切顶卸压理论在急倾斜薄脉采空区的卸压开采与采空区处理中的再创新，即在一定深度处V型钻孔而将上盘顶板爆破出一个V型槽，从而引起上部顶板倾倒、闭合，同时爆破V型槽产生的松石充填其下部采空区。硐室&深孔爆破法是V型切槽上盘闭合法在急倾斜厚大采空区的卸压开采与采空区处理中的再创新，即在采空区上盘近地表段爆破一定方量的三棱柱体，既卸载引起上盘顶板下沉的荷载，也压脚充填采空区一定高度，从而避免上盘及抽采后的保留矿柱发生岩移破坏。前者2012年处理锡林浩特萤石矿20～30万m3采空区，成本不超过80万元，而且可以彻底消除采空区危害，一次性清除地表沉陷；后者2013年处理肃北博伦矿业七角井铁矿长93 m、宽11.98 m的采空区，若要限制上盘岩移，采空区至地表的深度为150～190 m时需充填爆破松石约62.5 m高，需爆破约4.3万m3的上部三棱柱体，但可同时残采矿柱并回采约9.38万t矿石，矿柱回收率高达75%以上[11]。

2.4 急倾斜矿体开采的采空区处理与卸压开采方法

矿山进入深部开采后，往往上部开采形成了需要处理的大面积采空区，深部矿岩上却集中了诱发岩爆或变形事故的高地压。利用钻孔爆破卸压的施工灵活性，在硐室&深孔爆破法的基础上，2013年发明了急倾斜矿体开采的采空区处理与卸压开采方法；借助下盘运输巷道及上盘脉外凿岩施工巷道同时向采空区V型切槽，并在上盘巷道底板实施一定深度的隔断开采，既能全面处理浅部采空区，还能对其深部一个中段实现卸压开采[15]。应用FLAC3D仿真采空区处理与卸压开采过程，能方便地确定上盘施工巷道距采空区的距离、上盘巷道底板实施隔断开采的下向垂直钻孔的深度及隔断开采的爆破方式。结合V型切槽钻孔爆破卸压，还清晰阐述了支承压力理论[2]。

一般f系数超过8的完整硬岩，上盘巷道离采空区的距离取20 m，隔断开采的深度取20 m，采纳松动爆破即可；f系数介于4～7的硬岩，为了避免施工过程中出现上盘巷道底板下陷，上盘巷道离采空区的距离一般取25 m，隔断开采的深度也取20 m，但必须抛掷爆破形成隔断开采。

各方法的应用情况见表1。

表1 采空区处理与卸压开采新方法应用效果Table 1 Application effect of new method for abandoned stope disposal and pressure relief mining

代表性的工程，如辛文彬等实施的某铅锌矿采空区处理与矿柱爆破[16]、湖南柿竹园多金属矿的采空区处理[17]等，都是采空区处理的崩落法的具体应用，只是有的采纳深孔爆破、有的采纳药室爆破或应用的炸药量级实现了突破；香炉山钨矿的高大采空区充填回采[18]，实质是利用胶结充填体先形成人工矿柱，然后回采采空区中的高大矿柱。总之，未见能兼顾卸压的采空区处理新方法的报道，结合2020年6月19日教育部科技查新工作站Z08的检索及蔡美峰、杨仁树等专家鉴定，认为作者原创了切顶卸压理论，其他相关理论不仅切入点不同且比作者报道的成果晚6～10年。

检索采空区处理的相关专著，仅见的文献[19]只涉及采空区探测及稳定性分析、文献[20]只涉及采空区探测及全尾砂充填采空区群后如何复采残余矿体，都不是采空区处理与卸压开采领域的专著。可见，文献[10]、[11]、[15]分别是继周崇仁教授的《矿柱回收与采空区处理》之后在采空区处理与卸压开采领域出版的第2、第3、第4部专著。

3 结论与展望

1)切顶卸压理论是采空区处理与卸压开采领域的原创性理论。利用其指导创新的采空区处理与卸压开采方法既可处理采空区，消除或减小深部开采地压，还可避免顶板产生不均匀沉降，又可避免一定规模的冒落空气冲击波伤害作业面员工。

2)钻爆法是实现采空区处理与卸压开采有机结合的灵活作业手段，可以根据不同的矿体赋存条件并结合力学分析，灵活创新采空区处理与卸压开采方法，并变更施工参数。

3)采空区处理与卸压开采有机结合是未来深部开采中实现无废开采、矿柱全采及绿色开采的必由之路。采空区处理与卸压开采中形成的爆破堆石坝既可隔离水平至缓倾斜采空区，配合使用矿房崩落充填或施工底板抗滑键，也可隔离急倾斜采空区，并作为采空区充填作业的挡墙，从而实现深部卸压开采、无废开采。将胶结充填与切顶卸压的堆石坝有机结合，走矿房崩落充填之路，既可节省大量充填成本，也可实现卸压开采，还可实现矿柱全采。