某铁矿采空区冒落冲击气浪危害及防护措施

辜志强

(四川省煤炭设计研究院,成都 610000)

0 引言

矿山开采过程中,将地下矿体资源开采完成后将留下采空区[1],当采空区形成一定范围区域时会对矿山的正常生产造成威胁[2-3]。发生顶板冒落事故时,垮落的岩石以极快的速度压缩采空区内的封闭气体,在采空区内及巷道中产生速度极高的冲击气浪,对井下作业人员、设备危害极大[4]。

某铁矿主要采用无底柱分段崩落法与分段空场法开采,生产中段为1318中段与1258中段。1208中段为生产准备中段,1165中段完成部分开拓工程,现主要作为运输、通风、排水中段。其中,1318中段布置有两个装运矿作业点,分别是1318 m中段70线CM3装运矿作业点和1318中段62线-64线CM9装运矿作业点,采矿作业已全面结束,采空区已密闭。1258中段布置有两个作业点,分别是1258 m水平62线～64线采矿作业点与1258 m水平58线～60线装运矿业点。1208中段在1245 m、1230 m两个分段进行掘进作业,作为下一步分段空场采场法采矿作前期准备。

矿井自建成投产,在1550～1610 m区段应用无底柱分段崩落采矿方法,设计的阶段高度为60 m、分段高度为10 m、回采进路间距为10 m。应用崩落法采矿过程中,地表覆盖层经爆破后随矿岩一起崩落,随着放矿形成了地表沿矿体走向的地面崩落区。受矿体条件限制,该矿历史至今应用两种采矿方法开采,均属于有尾开采,使得地表出露4个大小不等的塌陷区,且形成众多大小不等的采空区。通过现场踏勘,矿区现采矿权采动影响范围内共发现地表采空塌陷4处,分别编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号塌陷区。①Ⅰ号塌陷区位于现矿权西侧边界,靠近西北侧拐点,投影面积约164 m2,最高点标高约1574 m,最低点标高约1546 m,近直立式垮落坑。②Ⅱ号塌陷区位于现矿权北侧中部,分为4个独立的区域:Ⅱ-1号区域投影面积约1168 m2,最高点标高约1608 m,最低点标高约1579 m,近直立式垮落坑,坑底垮落岩体坡状堆积;Ⅱ-2号区域投影面积约1708 m2,最高点标高约1647 m,最低点标高约1595 m,北侧近直立式垮落,其余均为坡状堆积;Ⅱ-3号区域投影面积约10 920 m2,最高点标高约1649 m,最低点标高约1489 m,南侧近直立式垮落,北侧中上部近直立式垮落,底部垮落岩体坡状堆积;Ⅱ-4号区域投影面积约2949 m2,最高点标高约1635 m,最低点标高约1566 m,近直立式垮落坑,坑底垮落岩体坡状堆积。③Ⅲ号塌陷区位于现矿权北侧东部,分2个独立的区域:Ⅲ-1号区域投影面积约5854 m2,最高点标高约1586 m,最低点标高约1503 m,北侧和东南侧近直立式垮落,南侧为斜坡,未见明显垮落特征,坑底垮落岩体坡状堆积;Ⅲ-2号区域投影面积约7018 m2,最高点标高约1588 m,最低点标高约1458 m,近直立式垮落坑,坑底垮落岩体坡状堆积。④Ⅳ号塌陷区靠近现矿权西南侧,投影面积约1123 m2,最高点标高约1580 m,最低点标高约1536 m,南侧近直立式垮落,北侧和坑底垮落岩体坡状堆积。

该矿岩体赋存情况较为复杂,地下多表现为夹石分割矿体,破坏了矿体的完整性及连续性,使得开采条件较差,导致矿块开挖形成的采空区分布规律性较差。

1 持续开采条件下采空区围岩稳定性分析

该矿地下采空区分布众多,主要因矿体开挖形成,上部采空区对下部矿体的持续开挖可能造成一定的影响,因此在利用数值计算评估该矿地下采空区现状稳定性时,需结合采空区现状,模拟下部矿体持续开采作用下采空区的稳定性。在现状采空区开挖的基础上,通过数值模拟方法模拟1318中段及以下矿体开采时采空区稳定性。共设计两种方案:

方案一:1318中段残留矿体、1258中段残留矿体及1165中段矿体全部开采。方案二:1318中段残留矿体不开采、1258中段直接面临采空区的残留水平矿柱不开采及1165中段矿体全部开采。通过两种方案的对比,梳理1318中段与1258中段可开采的区域。

由现状采空区稳定性分析可知,1318中段以上区域垂直位移明显大于1318中段以下区域,这与下部矿体的开采扰动作用及上部矿体的自重应力相关。目前该矿1318中段矿体基本回采结束,剩余部分残矿未回采,伴随矿体持续向下开采,采至1165 m水平时,其与1381中段高差约为153 m,这对1318中段区域采空区围岩稳定性将造成一定的影响。通过对比方案一与方案二,分析1318中段采空区围岩稳定性。

图1为方案一中1318与1258中段采空区围岩垂直位移云图,以1330 m水平作为1318中段采空区的典型剖面,结果显示,在自重应力与采动应力作用下,伴随矿体逐步向下开采,该矿1330 m水平开采界限范围内采空区围岩垂直位移逐步增大,开采界限范围内采空区围岩垂直位移平均增大约0.01 m,说明下部矿体开采对1318中段采空区围岩垂直位移存在一定的影响,但影响并不是很大。

图1 方案一采空区围岩垂直位移云图Fig.1 Scheme 1: vertical displacement cloud map of goaf surrounding rock

图2为方案二中1318与1258中段采空区围岩垂直位移云图。同样以1330 m水平作为1318中段采空区的典型剖面,结果显示,在自重应力与采动应力作用下,伴随矿体逐步向下开采,该矿1330 m水平开采界限范围内采空区围岩垂直位移逐步增大,开采界限范围内采空区围岩垂直位移略有减少,但在矿柱处的垂直位移达到0.1 m,这与该处矿柱承受上方岩体的自重应力有关。由此可见,方案二相较方案一而言有利于减小采空区周边围岩垂直位移,但若矿柱一旦失稳,将引起顶板垮塌,严重威胁作业安全。

图2 方案二采空区围岩垂直位移云图Fig.2 Scheme 2: vertical displacement cloud map of goaf surrounding rock

2 中段采空区冒落气浪防护区域划定及防护措施

采空区上覆岩体冒落将造成大量气体被迅速压缩后又膨胀的结果,产生冲击气浪[5]。冲击气浪的冲量较大,不仅会破坏井下的建筑物,对作业人员及设备的危害也极大[6]。该矿下部矿体主要集中在1318中段、1258中段、1208中段及1165中段,其中1318中段矿体基本接近尾声,为保障下部矿体开采,1318中段宜停止爆破落矿,主要集中于采场内部矿石散体的回收。1318中段采空区数量与体积均较大,1258及以下中段开采有必要按1318中段采空区可能的冒落范围进行防护。

1318中段采空区冒落气浪防护区域如图3所示。红色线条圈定的是该中段空区群冒落贯穿易发区域,该区域内采空区全部处于亚稳定状态,且在纵向上与横向上都与其他空区相邻,是采空区冒落区域防范的重点区域;蓝色线条圈定的是该中段空区群较大冒落易发区域,该区域以小体积空区群与大体积采空区居多,是采空区冒落区域防范的次要区域。伴随该矿持续向下开采,地下采空区冒落气浪防护应主要针对1318中段防护区域开展。该区域封堵的目的在于避免空区冒落时提供气体补给,造成下部采场承受的冒落气浪危害加剧,因此1318中段与采空区相通的通口应尽早封堵。

图3 采空区冒落防护区域Fig.3 Gob caving protection area

1258中段、1208中段及1165中段划分的防护区域是基于1318中段防护区域划分的,因为1318中段对下部矿体持续开采影响最大,所以这三个中段的防护区域与1318中段一致。但1258中段、1208中段及1165中段划分的防护区域主要用于警示矿山工作人员,一旦1318中段发生较大冒落气浪时,下部中段应当注意的区域并不是目前需要封堵的区域,其原因在于1258中段以下这些区域内并不一定会形成较大空区,因此可将1258中段、1208中段及1165中段划分的防护区域定性为警示区域。在中段矿体开采完毕后,及时封堵与采空区的通口,可在沿脉巷道或穿脉巷道集中封堵,其原因在于该矿矿岩均为硬岩,此类矿岩不易冒落,但由于时间迁移、裂隙发育及地压增大等因素,极易发生较大规模的突然冒落。

由冒落气流冲击流速及避免冒落冲击的安全距离计算可知,零星冒落或批量冒落均超出安全规程,需保持足够的安全距离避免此危害[7],因此防护工作的重点应围绕扰流冲击模式进行,在各中段水平的防护区域外围,及时封堵与各类采空区的通口,避免采空区发生批量冒落时危及井下作业人员安全。其中,1318中段回采工作已接近尾声,其防护区域内宜尽早利用封堵墙封堵,1258中段、1208中段及1165中段警示区域内,在矿体回采完毕后宜尽早封堵。

3 结论和建议

该矿岩石抗压强度较高,硬度较好,但矿岩开挖形成空区后采空区暴露面积较大,加之围岩次生节理裂隙发育与风化作用等使得采空区围岩强度弱化。采空区在纵向上和横向上盘根错杂,伴随1318中段以下矿体开采,采空区群间的矿岩柱易失稳破坏,可能引起采空区群的失稳破坏。以数值模拟结果为基础,考虑采空区空间位置、规模、形成时间及后续生产爆破等因素,划分该矿采空区稳定性结果为稳定、亚稳定及基本稳定3种状态,其中亚稳定与基本稳定两种状态居多。

持续开采条件下,1318中段和1258中段矿体全部开采时,采空区群间的矿岩柱以失稳破坏,可在两个中段保留部分垂直矿柱和中段水平保安矿柱,避免相邻采空区过早贯穿,有利于采空区冒落气浪的防护。下部矿体开采时,无论是老采空区还是新采空区,空区的冒落防护应以1318中段冒落气浪防护重点区域和次要区域为参考,矿块回采完毕后,尽早利用封堵墙隔绝防护区域与外界的一切通过,以此减缓采空区围岩零星冒落与批量冒落冲击力度,同时保持一定的安全距离。