CN1730904A - 一种处理采空区的诱导冒落法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种处理采空区的诱导冒落法，它包括爆破崩落和用散体封堵通口的措施，其特征在于：不开“天窗”井、不对采空区顶板实施爆破，而是通过扩展采空区周边的有效暴露面积诱导采空区自然冒落，并同时崩落采空区内部的支撑物，使顶板围岩的初始冒落呈零星冒落形式。所说的扩展采空区周边的有效暴露面积(S)，应使其大于采空区的临界冒落面积(Sc)。其方法是回采边缘矿体，减弱矿石隔离层对采空区边壁的支撑。采用本发明的方法处理采空区，其效果是：使采空区的冒落形式与冒落进程得到有效控制，保证了矿山生产安全；并可回收采空区的残矿；将采空区积压的矿量转化为可利用资源。

Description

一种处理采空区的诱导冒落法

技术领域

本发明属于金属矿床地下采矿的技术领域，即提出了一种利用诱导冒落技术处理采空区的新方法。

背景技术

在金属矿床地下开采的过程中，处理采空区的方法通常可分为崩落法、充填法和封闭法三大类。在地表允许崩落的条件下，厚大盲矿体多采用崩落围岩的方法处理采空区。随着深部盲矿体的开采，采空区距地表深度增大，此时用崩落法处理采空区，多为崩落20米厚的顶板围岩形成散体垫层，用以缓冲采空区顶板围岩的冒落冲击。当采空区已经形成、崩落顶板围岩难度大或者费用大而不便实施时，多用封堵通口和留矿柱隔离与封闭采空区，以防止采空区冒落气浪冲击。这些传统的处理采空区的方法中，崩落围岩处理采空区需要花费大笔崩岩费用，而且常常有崩落的岩石随崩落矿石被大量放出，空区依然存在，而且随着回采工作面向深部推进，采空区体积越来越大，对生产安全的威胁也越来越大。而用封闭法隔离采空区，在某些条件下，往往要损失大量的矿柱矿量。所以上述传统的处理采空区的方法都会要付出高昂的代价，而且处理时往往还会影响到生产的正常进行。

发明内容

本发明的目的是在地表允许崩落的条件下，寻求一种促使采空区自然冒落、且冒落过程对井下生产无任何危害的方法，要求该方法既可降低采空区处理成本，又可改善井下生产的安全条件。

本发明提出了一种处理采空区的诱导冒落法，它包括爆破崩落和用散体封堵通口的措施，其特征在于：不开天窗井、不对采空区顶板实施爆破，而是通过扩展采空区的有效暴露面积诱导采空区自然冒落，并同时崩落采空区内部的支撑物，使顶板围岩的初始冒落呈零星冒落形式。

通过研究采空区顶部岩体的冒落规律，发现当采空区规模较大、埋深较大、顶板结构面无大的破坏而内部无矿柱支持时，采空区顶板的冒落过程属于拱形冒落。此时其重力场可分解为垂直压力(q)和水平应力(T)两个分量。当T增大到一定程度时，临空面岩体横向变形派生出拉应力，在此拉应力与岩块重力的共同作用下，顶板表层岩石裂缝扩张、贯通、最终失去约束而籍重力掉落，引起冒落发生：

T的表达式为：

$T=\frac{{\mathrm{ql}}^2}{2h}---\left(1\right)$

式中q为垂直压力，q＝γH，γ为上覆岩层的容重；H为空区顶板埋深，h为空区高度，l为空区的半跨度。可见空区跨度越大，T随空区跨度增大的速率就越大。引起顶板围岩破坏的临界空区跨度为：

$l_c=\sqrt{\frac{{2\mathrm{hT}}_c}{\mathrm{\γH}}}---\left(2\right)$

式中T_C为空区顶板岩体的极限抗压强度。

如将宽度不小于2l的采空区对应的椭圆面积称为采空区的等价圆面积，则当等价圆面积等于临界冒落面积时，采空区顶板围岩便会开始发生冒落；而当等价圆面积超过临界持续冒落面积时，采空区顶板围岩便会发生持续冒落。采空区的临界冒落面积为：

$S_c=\mathrm{\π}\frac{2{\mathrm{hT}}_c}{\mathrm{\γ}H}---\left(3\right)$

研究发现，采空区的初始冒落形式与顶板有无变形能的积蓄条件有关。在一个达到冒落面积的采空区里，如果没有矿柱支撑，空区顶板受拉变形，当表层岩块之间的联系不足以克服自身重力时，块体便会脱离母岩自然掉落，从而呈现出单块断续掉落的零星冒落形式。而当有矿柱支撑时，顶板围岩的变形与冒落过程受阻，但矿柱的支撑强度又不足以限制顶板围岩微裂纹的产生与扩展，从而使得不能释放的变形能积蓄起来，一旦失去矿柱的支撑，所积蓄的变形能使矿柱上方的微裂纹迅速贯通，从而有可能发生大规模冒落。由此可见，为确保采空区在初始冒落阶段按零星冒落形式自然冒落，必须消除采空区内的矿柱，及时释放顶板围岩的变形能。

对于冒落气浪危害的控制也是处理采空区时必须考虑的一个极为重要的问题。

采空区顶板岩石与空气的总体积，在冒落的前后可认为不发生变化，如果在冒落过程中没有外部的气体补给，则气浪向外冲击时，内部由于气体质量的减小而变为负压，气浪向外冲击的范围越大，内部的负压就越高，这一负压会使气浪的能量很快消耗掉，从而使冒落的影响范围受到限制。如果在冒落过程中有外部气体补给而不形成内部负压，则气浪的冲击能量主要靠沿途的阻力消耗，此时气浪影响的范围和危害的强度要比前者大得多。

由此可见，目前广泛采用的在深部采空区上方打“天窗井”的方法是事与愿违的，它不仅起不到“排泄”冒落气浪的作用，而且有可能将无外界大气补给的冒落过程恶化为有外界补给的冒落过程，人为地增大冒落气浪的危害力度。为此，本发明的一项措施便是取消采空区处理中的开“天窗井”。

对于大采空区而言，由于空区横断面积(S)远大于冒落块体面积(A)，此时块体下落的诱导气流速度V_max为

$V_{\max }=\sqrt{\frac{{\mathrm{CgAH}}^2}{(S-A)L}}---\left(4\right)$

式中：C为空气阻力系数(C≈4.5)；g重力加速度，H为采空区高度，L为空区边壁长度。通常其数值较小，一般达不到对人体造成伤害的程度(V_max＜12米/秒)，通常，在远离块体落地点部位，离开冒落块体边缘5米，即可安全作业。

在块体落地点附近，冲击气浪由下落岩块扰动空气以及在落地时冲击空气构成，此时计算式为：

$v=\frac{\mathrm{ab}\sqrt{2\mathrm{gH}}}{h[1.5(a+b)-\sqrt{\mathrm{ab}}]}+{\mathrm{\ηV}}_{\max }---\left(5\right)$

式中a，b，h分别为块体的长、宽、高；η为气流转向系数，可取η＝0.7～0.8；其他符号意义同式(4)。

采用本发明的方法处理采空区，其效果是：(1)使采空区的冒落形式与冒落进程得到有效控制，保证了矿山生产安全；(2)开辟了矿石生产工作面，可大量回收采空区的残矿；(3)由于将采空区积压的矿量转化为可利用资源，使矿山主要技术经济指标得到明显提高。综合以上几点不难看出：一旦本发明的方法在采矿工业上得到推广应用，将可望取得良好的安全效果和重大的经济效益。

附图说明

图1为安徽省某矿山采空区纵剖面图；

图2为上述采空区63m分段回采范围及采空区对应的等价圆示意图；

图3为上述采空区设计计算的等价圆面积示意图；

图4为上述采空区进入持续冒落阶段时推测的等价图面积示意图；

图5为河北省某矿山南区采空区纵剖面图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的内容作进一步的补充和说明。

实施例1：安徽省某矿山用诱导冒落法处理73m采空区

该采空区高约40m，总面积约4300m²，其剖面位置如图1所示。其中63m分段回采范围及采空区形状如图2所示，其采空区对应的等价圆面积示于图3中。按本发明的方法所确定的处理原则是：(1)扩展采空区顶板的有效暴露面积；(2)防止采空区顶板积蓄变形能。

具体实施办法是从采空区上部63m分段按式(3)计算出等价圆面积，再实施扩展采空区的等价圆面积(如图2所示)，诱导顶板围岩自然崩落。而扩展等价圆面积的办法是：

回采A区边角矿量，在63m分段掘进进路回采，预计回采后的等价圆面积不大于4780m²，如图3所示；(2)崩落B区的棱角边柱，这在43m分段回采上盘侧进路时实施。在上述两项措施的实际操作过程中，如图4所示，当等价圆面积扩展至2870m²时，采空区顶部便发生显著冒落；而当等价圆面积扩展到约3600m²时，采空区顶板便发生持续冒落。

该矿山在实施本发明的方法后，使采空区的冒落形式与冒落进程得到有效控制，实现了对生产无任何影响的安全冒落，并彻底消除了73m采空区安全隐患，将采空区积压的矿量迅速转化为可利用资源，在确保安全的前提下，采出空区边缘残矿4.8万吨，放出空区残矿4.18万吨。此外，原不宜开采的8.2万吨已经报销的残矿可以得到正常回采。由于空区残矿的回采，提高了矿石生产能力并显著提高了矿山主要技术经济指标，取得了良好的经济效益。

实施例2河北省某矿山南区诱导冒落法处理采空区

该矿体如图5所示，其走向长1500m，宽500～1000m，最大厚度60m，埋深150～300m。120m中段回采范围23.72万m²，过去主要用有底柱崩落法、房柱法与小矿点不规则采矿方法开采，形成了为数众多、大小不一的采空区。

实施本发明的方法处理采空区，取消了在较大空区上方开凿“天窗井”的工程，依据矿体厚度和开采状况，对采空区冒透地表的部位，进行了预测与圈定。共预测出六个坍陷区，在其周围设置了警示牌，以防止地表过往行人与车辆进入坍陷区发生安全事故。

统计得出，南区顶板围岩的临界冒落面积不超过1000m²，以零星冒落为主，最大冒落块的体积3.6×3.0×2.0m³；局部发生的批量冒落中，冒落范围不超过24×10m²。按式(5)计算得出：零星冒落中，离开冒落块体边缘2.0m时，即可不受冒落气浪的伤害；批量冒落中，离开冒落堆体边缘10m时，受冒落气浪的冲击力度已在安全范围之内。因此实际施工时规定，在有块体掉落可能的部位，作业人员离开可能冒落点5m以上，在有可能发生批量冒落的部位，作业人员离开可能冒落点边缘12m。

按安全距离要求，对120m中段残矿进行较为系统地回收，扩展采空区的有效暴露面积，使其大于按式(3)所计算的采空区的临界冒落面积。由于采用了灵活多样的回收方法，安全地回收残矿738248吨。此后地表所圈定的六个坍陷区都如期发生了大冒落。冒落时，井下作业人员未感知冒落过程的发生，只是地表200m以外的临时住户听到了响声并感到了大地的震动。事实上，该采空区的整个冒落过程都是在井下作业人员不知不觉之中完成的。

我国矿岩中等稳固的缓倾斜矿体为数众多，过去用矿柱支撑求稳法处理采空区时，总是越采地压越大，当一定数量的小矿柱再不能支撑行将冒落的顶板岩体时，大范围岩体突然冒落，地压灾害随之发生。而采用本发明的诱导崩落法处理采空区，既可实现边缘大面积连续回采，又不会导致任何地压活动事故，使采矿生产能够顺利地在低成本、高效率的条件下进行。

故本发明的方法对采矿工业来说具有较大的推广价值。

Claims (3)

1、一种处理采空区的诱导冒落法，它包括爆破崩落和用散体封堵通口的措施，其特征在于：不开天窗井、不对采空区顶板实施爆破，而是通过扩展采空区周边的有效暴露面积诱导采空区自然冒落，并同时崩落采空区内部的支撑物，使顶板围岩的初始冒落呈零星冒落形式。

2、按权利要求1所述的处理采空区的诱导冒落法，其特征在于所说的扩展采空区周边的有效暴露面积(S)应使其大于临界冒落面积(Sc)：

$S>S_c=\mathrm{\π}\frac{2h{T}_c}{\mathrm{\γH}}$

式中h为采空区高度，H为空区顶板埋深，γ为上覆岩层的容重；T_C为空区顶板岩体的极限抗压强度。

3、按权利要求1所述的处理采空区的诱导冒落法，其特征在于所说的扩展采空区周边的有效暴露面积的方法是回采边缘矿体，减弱矿石隔离层对采空区边壁的支撑。

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