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(太原西山石膏礦，山西 太原 030027)

引言

地下礦山開(kāi)采工作一般要經(jīng)歷勘察、開(kāi)拓、采準(zhǔn)、回采和采空區(qū)的處理等5個(gè)階段。為了滿足生產(chǎn)的需要，前4個(gè)階段容易引起重視，而回采后的采空區(qū)處理則往往被忽視，嚴(yán)重制約到礦山持續(xù)穩(wěn)定、高產(chǎn)的發(fā)展條件。因此，合理均衡地處理地下礦山采礦與采空區(qū)二者之間的關(guān)系，是確保礦山生產(chǎn)連續(xù)正常與發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。特別是在當(dāng)今時(shí)代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)，新技術(shù)、新設(shè)備、新材料、新工藝等接連不斷地裝備礦山，使得礦山的生產(chǎn)能力得到了進(jìn)一步提升。生產(chǎn)裝備的提高，規(guī)?；纳a(chǎn)，給企業(yè)的發(fā)展空間創(chuàng)造了有利條件，但隨之也不可避免地帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)面效應(yīng)，特別是地下礦山企業(yè)尤為嚴(yán)重；機(jī)械化程度的提高，生產(chǎn)能力的提升，開(kāi)采范圍的不斷擴(kuò)大，反而使得采空區(qū)遺留暴露的面積越來(lái)越大，加快了礦山原地壓應(yīng)力平衡的破壞，加之原已開(kāi)采過(guò)遺留的大面積采空區(qū)的地壓應(yīng)力，二者互相疊加、相互影響，使得礦山地壓應(yīng)力處在一個(gè)活動(dòng)異?；钴S期，暴露的采空區(qū)隨時(shí)可能發(fā)生大面積坍塌冒頂，其后果可能摧毀整個(gè)礦山的生產(chǎn)系統(tǒng)，甚至造成嚴(yán)重的人員傷亡。因此，如何處理好開(kāi)采與采空區(qū)的關(guān)系，采用什么方法進(jìn)行采空區(qū)處理，消除生產(chǎn)過(guò)程中的重大安全隱患，是目前地下礦山企業(yè)面臨的重大技術(shù)課題。

1 采空區(qū)處理方法的分類

目前，國(guó)內(nèi)地下礦山企業(yè)對(duì)采空區(qū)的處理方法大致可分為兩大類：一類是采空區(qū)頂板巖性松軟，處理比較簡(jiǎn)單，隨采隨落，上部的直接頂、老頂直接充填到采空區(qū)，起到支撐采空區(qū)的作用，不需要再進(jìn)行處理。另一類是開(kāi)采后采空區(qū)頂板的巖性穩(wěn)定、堅(jiān)硬，不易冒落，在一定范圍、時(shí)間內(nèi)采空區(qū)比較穩(wěn)定，地壓應(yīng)力處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。但是，這個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，開(kāi)采范圍的不斷擴(kuò)大，采空區(qū)面積達(dá)到一定程度時(shí)，礦柱支撐失穩(wěn)，在地壓應(yīng)力作用下自身就可能發(fā)生冒頂坍塌。為了防止此類情況的發(fā)生，目前有兩種處理方法：一是開(kāi)采后直接進(jìn)行采空區(qū)的充填，充填后材料起到支撐采空區(qū)的作用，以緩解地壓應(yīng)力對(duì)后期開(kāi)采的影響。此種處理比較復(fù)雜、充填成本高，條件是采空區(qū)上部有含水層、地表有重要建筑物，不允許地表山體位移下沉。二是開(kāi)采到一定范圍后，對(duì)采空區(qū)的直接頂、老頂進(jìn)行人工控制爆破，爆破后的圍巖直接充填到采空區(qū)，起到支撐采空區(qū)的作用。此種方法處理一般成本低、危險(xiǎn)性大，條件是采空區(qū)上部無(wú)含水層、地表沒(méi)有重要建筑物，允許地表山體位移下沉。

采空區(qū)的處理是一種系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)性很強(qiáng)、操作危險(xiǎn)性大的工程，涉及到地質(zhì)、水文、工程力學(xué)、爆破安全等諸多學(xué)科，如果設(shè)計(jì)合理、方法得當(dāng)，一次性處理到位，可為后續(xù)的開(kāi)采創(chuàng)造有利條件；如果一次性處理不到位，后期處理就相當(dāng)困難，危險(xiǎn)性大。本文以太原西山石膏礦放頂為例，對(duì)地下礦山采空區(qū)的處理進(jìn)行介紹，供參考。

2 西山石膏礦的開(kāi)采現(xiàn)狀

2.1 地質(zhì)情況

西山石膏礦位于中朝地臺(tái)華北地塊，山西臺(tái)背斜北部呂梁山、五臺(tái)山之古老窿起之間的汾河地塹邊沿，也即呂梁山古老窿起之東沿，汾河地塹之邊沿，故受地塹影響而生成斷層頗多，對(duì)礦體影響較大。該區(qū)域水文地質(zhì)比較簡(jiǎn)單，開(kāi)采的層位上部無(wú)含水隔離層，大部分山體地表被植被覆蓋。

2.2 開(kāi)采層位及開(kāi)采方法

開(kāi)采膏組為奧陶系中統(tǒng)峰峰組，為湖泊相沉積礦床。在含膏巖段中以中間灰?guī)r相隔，劃分為上、下兩個(gè)含膏巖帶。上石膏巖帶又可分為3個(gè)礦組，3個(gè)礦組根據(jù)不同水平分別進(jìn)行開(kāi)采。其中上石膏帶1礦組石膏質(zhì)量好，單礦組厚度平均為11 m左右，礦體呈層狀，上下圍巖以白云巖、白云質(zhì)泥灰?guī)r為主，巖性力學(xué)強(qiáng)度為中等；開(kāi)采中采用平硐開(kāi)拓、房柱式開(kāi)采，并采用二次分層開(kāi)采，先拉底再挑頂，一次拉底開(kāi)采后，護(hù)頂?shù)V以白云質(zhì)石膏作為頂板，厚度為0.3～0.5 m，底板是泥灰?guī)r；挑頂后護(hù)頂?shù)V是以第2層石膏作為護(hù)頂，厚度為0.5～1.0 m。開(kāi)采中如無(wú)構(gòu)造變化一般是采10留8；如果地質(zhì)發(fā)生變化或?qū)游蝗笔В瑧?yīng)根據(jù)構(gòu)造巖性變化情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。主運(yùn)輸巷、盤區(qū)運(yùn)輸巷兩旁留有10 m保安礦柱，盤區(qū)內(nèi)的房間、礦柱為間隔排列；每間隔5個(gè)礦房留設(shè)10 m的連續(xù)礦柱，以免影響其他采區(qū)的開(kāi)采安全，同時(shí)為后續(xù)采空區(qū)放頂和下部的開(kāi)采創(chuàng)造有利條件。

2.3 采空區(qū)處理的迫性切

西山石膏礦人工放頂可追溯到20世紀(jì)80年代初期，當(dāng)時(shí)西山石膏礦成立之時(shí)接管了日本在侵華戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期開(kāi)采過(guò)的礦山，該礦遺棄著大量的采空區(qū)，采空區(qū)的存在嚴(yán)重影響著礦山職工的生命安全和礦山的正常生產(chǎn)秩序。70年代末，該礦曾發(fā)生過(guò)大面積采空區(qū)頂板冒落事故，冒落面積大約3萬(wàn)m2，因冒頂發(fā)生在夜間，未造成人員傷亡，只是對(duì)一些生產(chǎn)設(shè)施造成了一定損失。

為消除采空區(qū)對(duì)生產(chǎn)安全的威脅，提高礦產(chǎn)資源開(kāi)采回收率以及為采空區(qū)下部礦組資源的開(kāi)發(fā)創(chuàng)造條件，西山石膏礦進(jìn)行了人工控制采空區(qū)放頂試驗(yàn)。

3 放頂區(qū)基本狀況

放頂區(qū)為房柱法采空區(qū)，底板標(biāo)高變化在1 086～1 091 m之間，波狀起伏，礦柱支撐比22%～30%，最大采高11 m，最小7 m。北鄰礦區(qū)開(kāi)采邊界；西北與放頂區(qū)相鄰；南鄰原109運(yùn)輸大巷，其保安礦柱(無(wú)軌運(yùn)輸大巷)進(jìn)行過(guò)回收采動(dòng)，隔109運(yùn)輸大巷與一自然垮落相連；西鄰3萬(wàn)m2的自然垮落區(qū)；東鄰采高為2.5～5 m巷柱法采空區(qū)的雙層采空區(qū)，面積約2萬(wàn)余m2。在此范圍內(nèi)CK147鉆孔周圍近1 000 m2范圍內(nèi)，有5個(gè)礦柱于1987年9月2日及之前倒塌，懸頂面積達(dá)500 m2。還有七、八個(gè)礦柱扭破碎失去支撐力，頂板脫層400 m2，脫層厚度1.5 m左右。全區(qū)頂板均發(fā)生過(guò)不同程度的脫層掉塊現(xiàn)象。1985年人工加固的礦柱也已被嚴(yán)重壓裂、垮塌、危在旦夕，所以對(duì)該區(qū)進(jìn)行處理已刻不容緩。

區(qū)內(nèi)展布著一個(gè)復(fù)式背斜，背斜軸呈NW-SE向，脊部較平緩而寬闊，褶皺幅度在10 m左右，兩翼產(chǎn)狀分別為：東翼91°25'，兩翼268°13'30"。這種構(gòu)造對(duì)頂板的起伏變化和穩(wěn)定性具有一定的控制作用。位于主背斜東翼，區(qū)內(nèi)頂板有一條長(zhǎng)50 m、寬約5 cm的斷裂裂隙，無(wú)相對(duì)位移，其走向?yàn)?91°。區(qū)內(nèi)東南各有一條無(wú)明顯錯(cuò)動(dòng)的小斷層，對(duì)頂板的穩(wěn)定性無(wú)明顯影響。放頂區(qū)現(xiàn)狀及垮落范圍見(jiàn)圖1。

4 放頂設(shè)計(jì)與施工

從采空區(qū)的基本狀況可以看出，其最小跨距遠(yuǎn)大于試驗(yàn)區(qū)36～40 m的跨距。若按試驗(yàn)區(qū)跨距作為此區(qū)處理的跨距，無(wú)可供選取的隔離礦柱。因此，處理這部分采空區(qū)只能根據(jù)此區(qū)的情況，參照試驗(yàn)方法的基本原則，合理圈定一次處理范圍，選定隔離控制礦柱，方可安全有效地達(dá)到處理的目的。但是，在100 m左右的跨距，對(duì)面積達(dá)1.5萬(wàn)m2的范圍一次性進(jìn)行處理，落頂震動(dòng)、空區(qū)沖擊對(duì)周圍空區(qū)的影響如何，是一個(gè)無(wú)法預(yù)料的問(wèn)題。若分區(qū)處理，其垮落范圍的控制就需認(rèn)真研究探索，但鑒于該區(qū)可能隨時(shí)垮落的情況又不太現(xiàn)實(shí)。

我礦根據(jù)試驗(yàn)放頂控制條件，分析了該放頂區(qū)的實(shí)際情況，北側(cè)面臨礦區(qū)開(kāi)采邊界，可以控制。南側(cè)為109運(yùn)輸巷的保護(hù)礦柱，采用切割分離頂板，不可完全加以控制，因?yàn)楸０驳V柱已不很完美，部分礦柱尺寸較小，且局部地段僅隔運(yùn)輸巷就與原來(lái)的老垮落區(qū)相連，其控制是否可靠尚有疑慮。東側(cè)距礦區(qū)開(kāi)采邊界約120 m，此距離內(nèi)的采空區(qū)中礦柱較大，剛性較好。但是，雙層空區(qū)其隔層厚2～5 m，即使控制不準(zhǔn)，引起這樣的老采空區(qū)垮落，也不能造成大的損失。西側(cè)雖有較大的礦柱，但有的已有開(kāi)裂現(xiàn)象，不能成為一個(gè)連續(xù)的隔離礦柱帶，其頂板垮落時(shí)，很有可能與3萬(wàn)m2垮落區(qū)連通。

這次放頂是太原西山石膏礦人工放頂?shù)牡谝淮?，從一定意義上講，無(wú)疑是對(duì)采空區(qū)處理方法以及我礦的考驗(yàn)。基于以上設(shè)想和分析，我礦通過(guò)精心組織設(shè)計(jì)、施工和爆破，使采空區(qū)放頂達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 放頂效果及評(píng)述

5.1 放頂效果

這次放頂?shù)脑O(shè)計(jì)工程量為4 950 m2，頂板實(shí)際垮落面積為15 050.18 m2。頂板一直垮至地表，地表形成塌陷盆地，陷盆中心垂直位移為3.84 m。地表沉降等距圖見(jiàn)圖2，地表垂直巖移剖面圖見(jiàn)圖3。

5.2 效果評(píng)述

(1)從形成的地表塌陷盆地垂直位移3.84 m分析，頂板完全垮落，地壓得以釋放。

(2)采取控制-自然放頂?shù)姆椒ㄊ强尚械模綦x礦柱和預(yù)切工程(包括淺眼、深孔)可以達(dá)到控制作用和目的。在無(wú)隔離礦柱可選取時(shí)，可結(jié)合褶皺及其他地質(zhì)構(gòu)造制定具體的控制措施。

(3)從設(shè)計(jì)、施工和頂板實(shí)際垮落面積分析，只要對(duì)空區(qū)進(jìn)行認(rèn)真分析，可以在一次處理范圍內(nèi)達(dá)到處理要求，還可降低放頂工程成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 地表沉降等距圖(1∶1 000)

圖3 地表垂直巖移剖面圖(1∶1 000)

(4)在原保安礦柱很小或已缺失處，由于受原老垮落區(qū)的影響，此處109運(yùn)輸大巷垮落并被封堵。在這種情況下，采用淺眼切頂意義不大，今后應(yīng)慎用。

(5)采掘工程應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)，保證保安礦柱的完整性，杜絕回采保安礦柱的違章作業(yè)。采空區(qū)資源二次回收應(yīng)與放頂處理空區(qū)緊密配合，有目的、有計(jì)劃、有步驟地進(jìn)行，并應(yīng)重視采空區(qū)的處理。