某金矿采空区稳定性治理措施分析

张健 詹鹏 哈华林 王立

（1.陕西庞家河金矿有限公司，陕西宝鸡 721708；
2.中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710054）

地采矿山随着开采年限的不断延伸，采空区逐渐增加，已慢慢产生了采空区失稳的安全隐患。由许多因素的共同作用决定了采空区的稳定性，根据现有研究成果，影响采空区稳定性的主要原因有：水文地质、上覆岩层的岩石性质、埋深、矿体倾角、采矿方法、顶板管理方法[1-4]。而采空区治理是为了确保空区不会发生大的变形、不会发生塌陷，保证对应的地表和周边环境不会受到采空区的影响，保证矿区生产安全。

采空区是地下矿山的一个重要的危险源，对其进行治理的意义在于：

（1）控制井下灾害。

（2）改善地表生态环境。

（3）改善通风条件。

（4）控制井下涌水量。

采空区治理措施目前主要有“崩、充、支、封、疏、垫”等方法，其中崩；
就是崩落采空区围岩；
充：就是充填采空区；
支：就是留永久矿柱支撑或支护采空区；
封：就是密闭隔离；
疏：指“开天窗”、沟通泄气通道等；
垫：指形成缓冲垫层。

（1）矿柱支撑法

采用预留永久矿柱或人工构筑石柱来支撑采空区的顶板，是一种比较简单而且有效的治理方法。但是预留矿柱会导致矿体永久损失；
若人工构筑石柱来处理，无论是木支架、混泥土还是金属支架，都很难经受长时间的考验，长久来讲，矿柱会侵蚀或风化而破坏，最终会破坏采空区的稳定性，采空区可能会垮塌。

（2）充填法

处理采空区较为有效的方法就是充填法。理论上来讲，充填法可以处理任何采空区，但是，无论采用干式还是湿式充填都需要有复杂的充填系统，建设、技术、管理的成本都比较高。因此，要采用充填法就要进行技术经济比较，综合考虑。

（3）封闭、隔离疏导法

封闭、隔离疏导法就是采用隔离层（封闭墙）隔绝空区。空区存在时，人员不许进入。此种方法相比其他方法，施工简单，成本低。

（4）崩落法

地表允许陷落、地表没有需要保护的建构筑物或其他设施，地表水量不大，且易于崩落或变形的情况下，可用崩落法治理采空区。崩落法以前矿山中应用较广，但是，如今国家对生态环保的要求非常重视，崩落法处理空区的方法很少用了。

（5）联合处理法

不同采空区的结构形态和所处的环境都不尽相同，对应的处理方法也会不一样。需要根据实际状况进行治理，保证使采空区处于长期稳定状态，或者使采空区围岩的变形破坏在预期的时间和范围内缓慢的进行。

金矿在早年间的开采过程，受产品市场以及矿山开采技术困难等各方面因素的影响，采“富”弃“贫”现象非常严重，留下了很多的空区未处理，对矿山今后的开采产生较大威胁。同时矿山主要采用全面留矿采矿法进行开采，这种方法在开采过程中会留顶柱、底柱还有间柱，矿房与矿柱交错布置，采空区依靠矿柱来支撑。开采后留下的采空区的稳定性主要体现在顶板和矿柱上，当矿柱稳定，采场顶板暴露面积过大时，顶板将会失去稳固性，产生采场冒顶或者整体顶板垮落，引起采空区失去平衡。因此，为防止采空区发生顶板或矿柱失稳，分析研究矿山采空区稳定性，并根据矿山开采技术条件制定合理的采空区处理方案，是当前矿山亟需解决的问题。

根据矿山详细采空区实测图、采空区连通巷道实测图以及采空区分布现状和稳定性分析与安全分级研究等工作，综合分析并应用上述采空区治理措施及治理方法选择原则，对不同的采空区采用顶板支护、废石充填、密闭隔离封堵和加固矿柱等不同的方法进行了综合处理试验，并对井下空区加强了观察和监测，对一些新空区和即将形成的空区提出了针对性治理方案。

4.1 顶板支护处理及其效果

对于深部中段的采空区治理要充分发挥围岩的自稳能力，这类采空区若采空区高度在合理范围内，可采用锚网喷等柔性支护方案。

根据Mathews稳定性图解法，目前金矿采空区顶板均处于支护区以上，顶板合理支护后能够保证顶板稳定性。根据现有的锚杆支护的经验和工程实例，可按以下公式计算锚杆参数。

式中：B——采场跨度；

S——围岩岩体中节理间距；

n——围岩稳定性参数。

当围岩稳定性较好时，取1.0，当围岩稳定性较差时n取1.1，当围岩不稳定时，n取1.2，由工程地质调查与评价可知小板垅工区三种围岩类型（矽卡岩、灰岩、花岗岩）均属Ⅲ级中等质量岩体，因此取n=1.0。

式中：S′——为围岩的裂隙间距；

D——锚杆间距，一般为0.8-1.0m，最大不超过1.5m。

根据以上分析并结合现场采场布置情况，对250m 中段211N3-1、211N4-2、211N6-1、211N7-3 采空区采用了顶板支护处理方案。根据采场结构参数优化研究，采场跨度都控制在20m以内。经计算锚杆参数为长度2m，间距1.0m。这四个采场在采场上采结束，准备大出矿前，全部对采场顶板进行了锚网支护试验。锚网支护后，采场大出矿，顶板支护至今有的一年，有的快三四年了也未发生顶板冒落或垮塌现象。这种支护效果很好，不仅确保了采场出矿安全，还处理了今后空区顶板的变形和垮塌隐患，保证了采空区的稳固性。部分支护效果图如下图所示：

图1 与图2 250中段采空区支护

4.2 废石充填措施及其效果

采空区采用废石充填法进行处理，具体方案可在采空区顶部掘进废石充填天井，分别取地表和井下废石经由充填天井或与采空区相通的巷道充填采空区。

为了保证充填效率，可在地表废石堆场取废石运至充填井倒入空区；
也可以保证井下废石不出窿，用于充填空区。充填废石尽可能充填至空区顶板，总充填量不能小于采空区总容积的3/4。充填前先要做好密闭工作，预防冲击气浪和滚石造成伤害。

这种方法对于多中段且上下有对应巷道的采场比较适用。例如310中段的211N2-1采空区，这个采空区的上方附近有340中段的一条出矿巷道，由于这个采空区比较大，且空区顶板超过了340m 标高5m，顶板标高345m，工区把这个采场空区做了一个废石充填试验。从340 中段的出矿巷道施工了一条平巷到达211N2-1 采空区旁，并扩帮辟漏形成一个V 型喇叭口与采空区贯通，铺设轨道做好防坠措施。从此310 中段的掘进废石全部通过这个V 型喇叭口倒入211N2-1 采空区。从211N2-1 采用废石充填以来，已使用一年多时间，310 中段的全部废石都没有出窿，全部充入了这个采空区。这个试验很成功，既降低了整个中段废石提升出窿成本，又解决了采空区今后地压失稳带来隐患的问题。充填效果图如图3、4所示：

图3 340中段倒矿V型喇叭口

图4 310中段211N2-1采空区

4.3 密闭隔离封堵措施及其效果

该矿采空区为相互不连通的孤立采空区。为了隔离采空区与生产区，防止采空区顶板围岩崩落所产生的冲击气浪危害，在通往采空区的横巷设置密闭墙，考虑到采空区可能积水，在密闭墙的底部中央预留宽30cm，高20cm的泄水孔，如下图5所示。

密闭墙采用砖混结构，墙体内布置单层钢筋网，网间距0.5m×0.5m，钢筋φ12，现场绑扎。钢筋与密闭墙两侧的砂浆锚杆焊接，锚杆用φ18 的圆钢，长度不小于1.5m，锚杆间距0.5m，锚杆布置形式如图5 所示。密闭墙的厚度根据采空区顶板冒落可能产生的空气气浪对密闭墙的作用力来确定。

图5 井下巷道密闭图

采空区密闭墙的厚度计算依据《采矿设计手册》中的“井巷工程卷”楔形防水层闸门计算法。按抗压强度计算公式如下：

式中：B——密闭墙厚度，m；

a——密闭墙所在巷道净宽度，m；

b——密闭墙所在巷道净高度，m；

P——密闭墙承受的荷载；

fc——密闭墙所用材料的抗压强度；

α——楔形密闭墙侧边与巷道中心线的夹角，取30°。

若密闭墙被破坏，主要是压力作用于墙体沿巷道周边而将墙剪断，因此还应该对初选设计的墙体厚度进行抗剪强度校核，即：

其中τ（MPa）为密闭墙材料的容许剪切应力，一般取密闭墙材料最大抗压强度的10～15%。

根据巷道断面，利用以上公式可大致确定密闭墙的厚度，但从安全的角度出发应选取较大值，再考虑2倍的安全系数，得出最终的密闭墙厚度。

由于340中段是主要运输中段，采空区分布在主运输巷两侧，而此中段对应上部没有巷道，充填成本又太高，综合考虑，工区采用了密闭隔离封堵措施处理空区。有的采空区较小，对连通采空区的巷道直接采用了38cm 厚红砖墙砌筑密闭；
有的采用了砖混结构密闭，锚杆用φ18 的圆钢，长度于1.5m，锚杆间距0.5m，墙厚按以上公式计算，再增加了10cm。部分密闭墙如下图：

图6 211N1-1采空区红砖墙密闭

图7 211N4-2采红砖墙混泥土密闭

图8 211N6-1采砖混结构密闭

图9 211N7-3采砖混结构密闭

4.4 加固矿柱措施及效果

矿柱的破坏有可能导致大规模地压灾害的发生，必须引起足够的重视。矿柱破坏是由于矿柱自身节理裂隙过多，尤其是陡倾节理过多或者采场结构参数不合理，矿柱的尺寸过小，在开采应力的转移过程中，不能承受相应的载荷导致的。从矿柱的片帮基本上沿着原有的节理裂隙面发生，且其多数开裂现象也是原有的节理裂隙面的进一步延伸和发展。

目前用于矿柱加固的主要方法有锚杆加固、高水固结材料墙加固、注浆加固、充填加固等。根据矿柱破坏原因的分析，通常矿柱加固补强方案按经验设计为混凝土加锚杆的形式。其中207 中段的211N9-2 采场的南部边柱与主运输巷毗邻，由于矿柱开裂，且发生小面积片帮，严重影响了运输巷的正常通行，影响了中段的正常出矿。针对此种情况，我们决定对矿柱采取了混泥土加锚杆的加固措施。加固后，矿柱旁的运输巷已恢复使用，解决了207 中段的出矿问题。

减少和消除采空区安全隐患，需要对井下不稳定采空区进行综合治理。本文对采空区和矿柱稳定性提出了采空区治理的意义和必要性，同时对采空区治理方案进行了概述，并提供了采空区治理方案选择原则，之后对金矿的采空区提出了综合治理措施，针对不同的采空区采用了顶板支护、废石充填、密闭隔离封堵和加固矿柱等不同的方法进行综合处理试验，并取得了较好的试验效果。