張建文，龔克兵，曲志清

（1.承德市安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，河北 承德 067000；2.承德銅興礦業(yè)有限公司，河北 承德 067200）

壽王墳銅礦采空區(qū)處理技術(shù)實(shí)踐

張建文1，龔克兵1，曲志清2

（1.承德市安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，河北 承德 067000；2.承德銅興礦業(yè)有限公司，河北 承德 067200）

壽王墳銅礦南6號采空區(qū)容積已達(dá)300×104m3，如何處理采空區(qū)一直在進(jìn)行探討和摸索。經(jīng)多年多方案的優(yōu)化，采取了遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測、封閉、足夠厚度的緩沖墊層及崩落處理措施，取得了較好的效果。

較大采空區(qū)；處理技術(shù)；實(shí)踐

1 前言

壽王墳銅礦主要有1、2、N6、S6、32、34、9號等46個礦體，其產(chǎn)狀形態(tài)多受接觸帶的控制。礦體傾角以60°～85°為主，少量10°～45°的緩傾斜礦體。其中，南6號礦體（S6）是主礦體，南6號礦體位于礦區(qū)東部，33～57線間，賦存標(biāo)高500～-200m，下二中段以上向南傾，以下向北傾，傾角70°～85°，東西走向，向西延深。五十多年來，應(yīng)用留礦法、階段礦房深孔采礦法、有底柱分段崩落法采礦，礦井下已形成9個中段（每個中段60m），除南6號等少數(shù)幾個礦體外，其它基本采完。隨著南6號礦體的不斷開采，形成了南6號采空區(qū)，該采空區(qū)位于東部，賦存于海拔500～35m，最大幅寬約100m，延續(xù)數(shù)百米，33～57線間，中間被39線、47線2條10～40m寬的巖枝隔斷，從而形成三個相對獨(dú)立的采空區(qū)，統(tǒng)稱為南6號采空區(qū)，該空區(qū)為盲空區(qū)，上小下大，空區(qū)頂部距地表350～370m。

2 各個時期對采空區(qū)的治理情況

南6號采空區(qū)垂直高度高、跨度長、暴露面積大，可能發(fā)生大規(guī)模的冒落、坍塌等地壓災(zāi)害，直接影響礦井深部開采安全，一旦發(fā)生坍塌，將造成人員和財產(chǎn)的重大損失。多年來，企業(yè)始終致力于南6號采空區(qū)的治理，防止采空區(qū)帶來的危害。

1981年，企業(yè)與東北工學(xué)院合作，對南6號空區(qū)處理項(xiàng)目進(jìn)行了研究，對空區(qū)的應(yīng)力分布用有限元法進(jìn)行計(jì)算，采用預(yù)留階段礦柱，控制空區(qū)狀態(tài)，化大空區(qū)為兩個小空區(qū)，并在井下進(jìn)行了大量的封閉。1984年，通過專家多次論證，確定實(shí)施了在下五以上8m處至下五以下22m處預(yù)留30m厚的永久頂柱的空區(qū)處理方案。1991年以后，該永久頂柱范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了三組斷裂，且十分破碎，相互交叉，滑幫冒頂嚴(yán)重；該頂柱面積達(dá)9 288m2，上小下大呈楔形，預(yù)留的永久頂柱對下部安全生產(chǎn)形成了威脅。隨后，采取強(qiáng)制崩落法，將永久頂柱和部分圍巖強(qiáng)制崩落，其崩落的巖體作為空區(qū)內(nèi)廢石墊層，減少頂板片幫、冒落產(chǎn)生沖擊氣浪、巖爆等現(xiàn)象，對深部開采人員和設(shè)備設(shè)施起到保護(hù)作用。1996年，建立空區(qū)實(shí)時遠(yuǎn)程微震監(jiān)測系統(tǒng)，對空區(qū)上下盤穩(wěn)定情況進(jìn)行監(jiān)控。

3 采空區(qū)對深部開采的影響

3.1 采空區(qū)特點(diǎn)

經(jīng)過長期的自然塌落及治理，該采空區(qū)的形態(tài)發(fā)生了很大變化，2009年9月，分別打開下四、下三41線、43線、45線等位置的密閉墻，進(jìn)行了現(xiàn)場勘查，進(jìn)一步掌握采空區(qū)的變化特點(diǎn)。

（1）南61號采空區(qū)，位于35線西38m至39線東16m，下七中段以上15m至下一以上20m處，空區(qū)下三中段以上15m處被存窿及垮落毛石充填?？諈^(qū)總體積69.587×104m3，其中充填 62.959×104m3，厰空區(qū)約6×104m3。

（2）南62號采空區(qū)，位于41線西23m至47線東30m，下八水平以上15m至下一以上50m處。下三中段以下均被存窿及垮落的毛石充填。空區(qū)總的體積為 204.201×104m3，其中充填165.102×104m3，厰空區(qū)體積有39×104m3。

（3）南63號采空區(qū)，位于49線西22m至55線東22m，下七中段以上15m至下四以上15m處。下四中段以下20m被充填?？諈^(qū)總體積31.336×104m3，其中充填30.454×104m3，厰空區(qū)體積約1×104m3。

因此，南6號空區(qū)總體積305.124×104m3，其中已充填258.505×104m3，厰空區(qū)體積為46.609×104m3，充填占84.72%，非充填占13.28%。

3.2 采空區(qū)對深部開采的影響

通過現(xiàn)場勘查，該空區(qū)均被大量礦石或毛石充填，充填量達(dá)80%以上，形成墊層厚度一般在100～200m，該墊層起到良好的緩沖減震作用。對深部開采主要有以下影響。

（1）在礦房礦石回收期間，崩落頂柱之前，由于應(yīng)力集中在采場的兩端，如果采場頂板有大的構(gòu)造，礦房巖體的自重，加上上部有100～200m厚的覆蓋巖，可能造成局部塌落。為避免發(fā)生類似的事故，在采場設(shè)計(jì)時，減小了采場礦房的暴露面積，當(dāng)?shù)V體厚度過大，中間預(yù)留礦壁，礦房回收完畢后，與頂柱一起崩落。

（2）礦房礦石回收完畢，頂柱崩落后，大量的礦廢石涌入采場中，就像充填體一樣，其對采場的圍巖和礦壁起到穩(wěn)定支護(hù)作用。上部空區(qū)對深部生產(chǎn)的影響主要體現(xiàn)在回收礦石時的貧化上。

（3）深部生產(chǎn)時，覆蓋巖上部的厰空區(qū)可能不穩(wěn)定，發(fā)生大面積、大范圍巖體滑幫、坍塌或發(fā)生巖爆時，產(chǎn)生較強(qiáng)的地震波和空氣沖擊波，危及深部作業(yè)的人員和設(shè)備設(shè)施的安全。

4 遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測技術(shù)

隨著科技不斷進(jìn)步，采空區(qū)檢測監(jiān)控技術(shù)日益成熟，在多年遠(yuǎn)程微震檢測基礎(chǔ)上，企業(yè)與研究院合作，研制開發(fā)并應(yīng)用了AM485型巖體聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，對南6號采空區(qū)變化實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。巖體聲發(fā)射傳感器共布置16個，分布于下三、下四兩個中段37～47線的脈外平巷，其數(shù)量分別為10個和6個，測試通道編號分別對應(yīng)1#～10#和11#～16#。

4.1 監(jiān)測原理

材料在破壞之前，由于變形和斷裂，以瞬態(tài)彈性波的形式釋放能量，這種現(xiàn)象稱之為聲發(fā)射現(xiàn)象。巖體工程結(jié)構(gòu)在受力破壞之前，必然持續(xù)一段時間以聲波的形式釋放局部積蓄的能量，其能量釋放的強(qiáng)度隨著結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定狀態(tài)而不斷變化，每一個聲發(fā)射與微震事件都包含巖體內(nèi)部變化狀態(tài)的豐富信息，對接收到的聲發(fā)射信號進(jìn)行分析和處理，可作為評價巖體穩(wěn)定狀況的依據(jù)。因此可利用巖體聲發(fā)射與微震這一特性對巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測，從而判斷和預(yù)測巖體塌方、冒頂、片邦、滑坡等地壓現(xiàn)象。

對于聲發(fā)射監(jiān)測，主要記錄一些具有特性的量，包括：①事件率（頻度），即單位時間內(nèi)記錄收到的聲發(fā)射與微震事件數(shù)。②振幅分布，即單位時間內(nèi)聲發(fā)射與微震事件的振幅分布，該參數(shù)可用于分析聲發(fā)射與微震源的信息。③能率，即單位時間內(nèi)聲發(fā)射與微震事件的能量之和，它可以反映一段時間內(nèi)巖體釋放能量的強(qiáng)度。④事件變化率和能率變化，反映了巖體狀態(tài)變化的快慢。⑤頻率分布（頻譜分析），即分析聲發(fā)射與微震信號在頻域中的特點(diǎn)。除上述統(tǒng)計(jì)外，一般還進(jìn)行震源定位，從而對巖體受破壞的部位進(jìn)行判斷。

4.2 巖體破壞過程中的聲發(fā)射事件規(guī)律

從監(jiān)測實(shí)踐來看，將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于巖體穩(wěn)定性監(jiān)測領(lǐng)域，巖體的穩(wěn)定性與聲發(fā)射現(xiàn)象呈現(xiàn)以下規(guī)律。

（1）巖體在穩(wěn)定期和相對穩(wěn)定期，聲發(fā)射事件很少，事件頻度維持在低水平。

（2）巖石在超過其極限強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，產(chǎn)生微破裂，并以高頻聲發(fā)射形式釋放能量。隨著壓力的增大，微破裂會繼續(xù)擴(kuò)張和發(fā)展，產(chǎn)生低頻聲發(fā)射與微震現(xiàn)象。

（3）當(dāng)巖體內(nèi)部出現(xiàn)大規(guī)模破壞或者不連續(xù)面發(fā)生剪斷滑動時，低頻聲發(fā)射與微震現(xiàn)象表現(xiàn)突出，同時也伴有高頻聲發(fā)射。大規(guī)模的巖體斷裂與滑移具有很大的能量，可加劇其影響范圍內(nèi)原有結(jié)構(gòu)弱面的破壞，改變應(yīng)力分布，誘發(fā)新的破壞。

（4）失穩(wěn)巖體在垮落之前，出現(xiàn)間歇性破壞，微震活動頻繁，且事件頻度逐漸增大，在臨近垮落時，事件頻數(shù)反而減少，即為發(fā)生沖擊地壓的前兆。當(dāng)一次大的地壓發(fā)生之后，巖體局部的集中應(yīng)力有可能未完全消除，產(chǎn)生余震及局部塌落，使事件頻度總體維持在較低水平。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過對遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)巖體的變化情況。對2008年1～12月監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)以下變化特點(diǎn)。

（1）1～3月，在43～47線尤其是43～45線下三中段巷道附近巖體局部產(chǎn)生間歇聲發(fā)射現(xiàn)象，且較為密集，雖事件數(shù)較大，但能量不大，影響范圍小，表明該監(jiān)測區(qū)域處于小規(guī)模地壓活動期。3月7～18日，監(jiān)測系統(tǒng)多通道甚至所有通道均能接收到信號，各通道事件數(shù)不大，多在20以內(nèi)，且事件發(fā)生的頻繁程度不高?；诟魍ǖ朗录?shù)差別不大乃至多個數(shù)據(jù)一致的同步測試結(jié)果，推斷在43～45線巖體出現(xiàn)了較大規(guī)模的斷裂，隨后進(jìn)入暫時平衡階段。

（2）8～9月，1#傳感器頻繁接收到了來自下三中段平巷37線附近的聲發(fā)射信號，接著在8月31日1天內(nèi)多測點(diǎn)相繼發(fā)生聲發(fā)射現(xiàn)象，而1#、2#、3#測點(diǎn)事件的發(fā)生則基本是順序進(jìn)行的，表明下三中段37～41線發(fā)生的微斷裂打破了暫時的應(yīng)力平衡，致使斷層與采空區(qū)間的巖體應(yīng)力重新分布進(jìn)而在多處產(chǎn)生破裂，最強(qiáng)烈處位于下四39～41線。10月12日至12月16日，聲發(fā)射事件僅在個別地點(diǎn)發(fā)生，且事件數(shù)較小，處于相對穩(wěn)定階段。

（3）12月17～20日，僅16#測點(diǎn)頻繁接收到聲發(fā)射信號，即在下四中段平巷43線附近多次出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的巖體微破壞過程，每一過程的持續(xù)時間在1小時以內(nèi)。

由此可見，監(jiān)測區(qū)域巖體內(nèi)的斷層是影響巖體穩(wěn)定性的重要因素，下三中段平巷頂板斷層在地壓作用下有所張裂，局部不穩(wěn)定部位主要在下三中段巷道43～47線，其次是37～41線。局部巖體微破裂可導(dǎo)致一定規(guī)模的巖體斷裂，地壓活動頻繁可加劇巖體破壞程度。

2010年以后，南6號采空區(qū)的滑坡體遠(yuǎn)程監(jiān)控數(shù)據(jù)不斷顯示變化，尤其是3月后，南6號空區(qū)巖體活動頻繁，下六391頂板大面積下沉。6月監(jiān)測數(shù)據(jù)變化異常頻繁，且數(shù)值較大，呈連續(xù)性變化，特別是6月16日有幾次數(shù)值幾乎接近峰值，發(fā)出了預(yù)警警報。經(jīng)過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)下三、下四39～45線（F1斷層）頂板及底板開裂，裂縫寬度每天都在變大，由最初的20mm發(fā)展到450mm，上盤下滑300～350mm。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明南6號采空區(qū)的滑坡體處于活躍的高峰期，如不及時處理，將對井下作業(yè)的人員和設(shè)備設(shè)施構(gòu)成威脅。

5 滑坡體處理

5.1 滑坡體位置及形態(tài)判斷

滑坡體位于南6號采空區(qū)下盤39～47線，由于在39～47線之間空區(qū)底部廢石墊層已填充至下四附近，因此滑坡體具有垮落危險的部位主要在下四至下二水平之間，滑坡體由F1、F2、F3三條斷層構(gòu)造切割所形成，F(xiàn)1、F2斷層在平面圖上呈雁行排列，在41線較破碎。三組斷層構(gòu)成的斷裂帶總體上向北傾斜，上陡下緩，下部傾角70°左右，呈弧形的走向近于東西與主巖體接觸線近于平行，產(chǎn)狀一致，斷層被后期侵入的脈巖充填，主要充填物為大理石、糜棱巖、絹云母矽卡巖等?；麦w的主要成分為含遂石白云灰質(zhì)巖和大理石，硬度較大。根據(jù)圈定情況，滑坡體的總體積約20.3×104m3。

5.2 滑坡體誘導(dǎo)崩落處理技術(shù)與效果

由于滑坡體主要是由斷層構(gòu)造切割所形成的，巖層較破碎，僅需要將滑坡體關(guān)鍵部位崩透，剩余部分則在爆破的擾動下自行跨落。采取硐室爆破方式進(jìn)行誘導(dǎo)崩落處理，即利用原下三中段41線川脈巷道（構(gòu)造在該處較破碎，為結(jié)構(gòu)弱面）作為藥室，實(shí)施硐室爆破。

在硐室爆破的拋擲作用下，下三水平上、下約20～30m范圍的滑坡體將被拋擲至空區(qū)。下三以上未被拋擲的滑坡體將在爆破松動和自身重力作用下自行垮落。下三以下未被拋擲的滑坡體，由于垂直高度僅剩幾十米，其側(cè)向（空區(qū)內(nèi)）有新崩落的墊層作為支撐，因此不會構(gòu)成安全威脅?，F(xiàn)場觀測，下四中段以上滑坡體得到完全處理，南6號采空區(qū)最大的安全隱患已消除。

6 結(jié)語

通過南6#采空區(qū)的治理實(shí)踐證明，幾十年來，隨著緩慢有序的自然垮落，空區(qū)逐漸被廢石充填，足夠厚度礦廢石墊層具備良好的緩沖減震作用，采空區(qū)巖體即使出現(xiàn)坍塌、滑落，對深部作業(yè)人員和設(shè)備也不會構(gòu)成太大的威脅。加之適當(dāng)?shù)姆舛潞透綦x，將更有效降低和控制其垮落對采空區(qū)周圍的人員、設(shè)備、設(shè)施造成的沖擊與震動危害。

多年的遠(yuǎn)程檢測監(jiān)控，有效地掌握了采空區(qū)形態(tài)變化特點(diǎn)、規(guī)律，通過監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)空區(qū)的變化情況，為采空區(qū)的治理提供了可靠的依據(jù)，有效遏制采空區(qū)坍塌等引起的災(zāi)害，在礦山生產(chǎn)實(shí)踐中具有較好的實(shí)踐指導(dǎo)價值。

Practice of treatment technique for underground southern No.6 goaf in Shouwangfen Copper Mine

The volume of southern No.6 goaf in Shouwangfen Copper Mine has reached 300×104m3,and how to deal with the goaf has been approaching and groping.After many years schemes optimization,the remote real-time monitoring,sealing,thick buffer cushion and caving treatment were adopted,and which were safe,economic and easy operation.

large goaf;treatment technique;practice

1672-609X（2010）05-0030-03

TD853.391＋.2

B

2010-08-05

張建文（1960-），男，河北承德人，采礦工程師，從事礦山開采技術(shù)與安全管理工作。