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采空区自然崩落对上部工程和采场影响的理论分析 周凌飞 （昆明理工大学， 云南 昆明 650000） 摘 要 运用压力拱原理，对采空区壁及顶板岩石自然崩落充填采空区前后的状态进行 了分析， 推断出临界充填拱跨度和高度的计算公式。根据计算出的临界充填拱跨度和高 度可预测采空区自然崩落对上部工程或采场是否构成影响， 从而指导采空区上部矿体的 回采和工程布置。 关键词 采空区； 自然崩落； 压力拱； 临界充填拱 云锡松树脚锡矿的部分氧化矿体是在矿山生产 过程中， 随着钻探的加密及生探工程的升级而被逐 渐认知的， 由于生产必须紧随其后才能保证矿山的 持续， 所以会造成一些不利的采矿条件， 即上部运输 主巷在下部矿体回采区域内， 或当下部矿体被采空 后， 才探得上部仍存在着一些矿体。对于这些条件 下的采矿， 大多以工作经验来进行判断和指导生产， 往往会以丢失矿量或重新布置上部工程来保证安 全。笔者认为， 在没有充分考虑空区被自然崩落充 满的状态而做出技术指导， 会损失矿量和浪费工程。 本文以下部为倾斜或缓倾斜矿体为例， 就这些问题 进行理论分析与计算， 预测采空区对上部工程和矿 床回采的影响。 1 压力拱原理及自然崩落充填过程 首先假设矿岩为均质体。压力拱原理认为 在 采场形成空区时， 上部载荷作用于空区顶板及壁上， 将发生与水平面成 45 φ/2 角 （φ 为矿岩内摩擦 角） 的破裂面， 空区顶板就会形成拱形， 当自然充填 满时， 压力拱将不存在。压力拱即为充填残余空区 体积的外部岩石 （见图 1） 。采空区自然崩落及充填 过程为 在开挖时， 原岩应力遭到破坏， 产生次生应 力， 该应力作用于顶板， 形成暂时稳定的拱形顶板， 在之后一段时间内， 空区壁由于水平和垂直应力的 重新分布， 产生作用于壁上的剪切力， 于是空区壁沿 围岩的弱面运动， 顶板随之垮落， 空区也就产生新的 暂时稳定状态， 随着时间的向前推移， 空区就会逐渐 地被充满。而此时空区顶板形成的界线， 称为临界 充填拱。由于拱的形状各异， 为了计算方便， 特设定 圆弧拱 （以采场边帮延长线向空区中心线的交点为 圆心， 圆心至空区中心为半径的拱） 为例， 自然崩落 充填前后空区状态见图1。 图 1 自然崩落充填前后的空区状态 2 自然崩落充填计算 下面对单个矿房的情况进行计算， 并假设矿房 的矿体均厚。 （1）充填前的残留空区体积。 V残 V掘 V出/ S松（1） ISSN 1671 -2900 CN 43 -1347/ TD 采矿技术 第 5 卷 第 4 期 Mining Technology，Vol. 5， No. 4 2005 年 12 月 Dec. 2005 式中 V残 残留空区体积； V掘 掘进工程的体积； V出 采出矿石的体积 （不含副产） ； S松 采出矿石的松散系数。 （2）充填满时的临界空区体积。 V V残/ （S松- 1） V设（2） 式中 V 充填满时的临界空区体积； S松 顶板及帮的矿岩松散系数； V设 设计的采场回采体积。 （3）自然崩落充填满时空区的断面积。 S断 V/ L跨（3） 式中 S断 自然崩落充填满时空区的断面积； L跨 垂直断面的跨度。 （4）自然崩落充填满时临界空区的跨度 2a 及 高度 b。 2a 2sin （45 - φ/2） 360 π （90 - φ） （S断 a2 tg （45 - φ/2） ヘ ） b 360 π （90 - φ） （S断 a2 tg （45 - φ/2） ヘ ）- a tg （45 - φ/2） （4） 式中 φ 矿岩内摩擦角； a 设计的采场断面跨度的一半。 （5）由于矿岩中大多存在断层、 节理、 裂隙和地 下水， 所以根据工作经验认为当上部工程或采场与 下部临界空区顶板的间距大于 3 m 时， 上部工程及 采场就不受下部采场的影响。 （6）危险带是由崩落带和移动带组成。由计算 得出自然崩落充填满时空区的跨度 2 a 及高度 b 绘出图形可圈定危险带 以临界充填拱交上中段平 巷底板高程线的两点间距为该断面的崩落带范围； 以崩落边界起至上中段平巷底板高程线与临界充填 拱高差 3 m 的地点止为该断面的移动带范围。 崩落带和移动带的范围之和即为危险带。空区 充填前后的状态及危险带的圈定如图 1 所示。 3 实例计算 某采场走向长 60 m， 倾斜长 40 m， 倾角 10， 矿 体平均厚度 6 m， 矿石体重 2. 451 t/ m3， 矿岩松散系 数 1. 4， 内摩擦角 30， 假设围岩为均质体， 矿体顶板 离上部中段平巷底板最小垂直距离 18. 5 m （见图 2） 。设计平巷下部采场宽度为 12 m。由于上中段 平巷沿矿体倾向布置， 所以只考虑矿体顶板离平巷 底板最小垂直距离的断面。 图 2 某采场矿体赋存状态 （1）残留空区体积。假设矿体未回采， 并将该 采场全部采空， 则 V残 V设 40 6 12 288 m3 （2）充填满时的临界空区体积。 V V残/ （S松- 1） V设 2880/ （1. 4 - 1） 2880 10080 m3 （3）自然崩落充填满时空区的断面积。 S断 V/ L跨 10080 40 252 m2 （4）自然崩落充填满时， 按公式 （4） 计算得出 za 24. 5 m，b 14. 1 m。回采前和自然崩落充 填满时的断面见图 3。从数据和图 3 都可预知该回 采对上部工程不会造成影响。 图 3 某采场回采前和崩落充满的状态 （5）使上部工程不受影响的采场临界宽度。若 b 值即临界空区高度不大于采场底板至上中段底 板高程 （考虑垂直安全距离 3 m） ， 即 b ≤18. 5 6 -3 21. 5 m。运用两点逼近法计算 设采幅宽度 30 m， 则 a 15 m， 代入 （4） 式计算得出 b 为 18. 15 m， 小于21. 5 m； 设采幅宽度40 m， 即 a 20 m， 代入 （4） 式计算得出 b 为 19. 46 m， 小于 21. 5 m； 设采幅 宽度 60 m， 即 a 30 m， 代入 （4） 式计算得出 21. 41 m， 小于 21. 5 m。由此可见， 采场不论回采多宽对上 部工程都不构成影响， 只需考虑采场回采时的安全。 （下转第 114 页） 59 周凌飞 采空区自然崩落对上部工程和采场影响的理论分析 育责任化、 内容主题化、 方法科学化、 教育经济化， 利 用发生在员工身边的案例， 开展讨论、 分析事故， 重 点抓好进厂人员、 调换岗位改变工种的员工、 特种作 业人员的安全教育培训工作。 （4）抓检查， 促整改。检查的目的是为了发现 和解决存在的问题， 以便及时整改隐患， 在加强全面 教育的基础上， 安全部门要加大安全生产的检查力 度， 采取定期和不定期， 集中与分散等检查形式， 对 各单位安全生产进行全面检查。通过检查及时发现 事故隐患， 及时督促有关单位、 部门整改事故隐患。 检查应从以下几个方面入手 查员工劳动纪律和作 业纪律； 查作业现场是否符合安全生产的条件； 查员 工劳动保护用品穿戴是否符合要求； 查电气线路是 否规范； 查特种设备的安全附件是否灵敏； 查消防设 施是否齐全完好、 通道是否畅通， 摆放是否合理规 范； 查氧气、 乙炔瓶是否按规定使用； 查危险品、 易 燃、 易爆场所是否符合安全要求； 查特殊工程人员是 否持证上岗等。 （5）加强现场管理， 遏制违章蛮干， 是杜绝各类 事故的有效办法， 从源头上把关是搞好安全工作的 关键。在安全生产中， 充分发挥班组长的作用， 让班 组长在整个作业过程中注意安全， 让安全工作始终 有人监控。对上班的设备运转情况、 生产情况， 都要 准确无误地给下班员工交接清楚， 让下一班的职工 心中有数， 以便更好的合理组织生产。 （6）抓好班组建设。班组是企业组织生产、 经 营的最基层单位。企业要实现安全生产， 降低成本 等一系列目标的最终落脚点都在班组。要求班组做 到管理、 作业现场、 岗位操作标准化。一个班组是否 合格， 关键在于班组长， 所以要求班组长必须做到 技术过硬、 勤于巡查、 秉公办事， 关心同志、 严于律 已， 这样才能带好班， 做好班组工作。必须对员工安 全意识淡薄的各种表现分层次、 分对象有针对性地 加强安全教育， 逐步消除人的不安全行为。再从设 备入手， 使员工知道本工作岗位有哪些设备， 有多少 危险部位， 在什么情况下容易出危险， 需要采取哪些 防护措施， 要有计划地进行检查和日常维护， 消除设 备的安全隐患， 从而保证安全生产。 （7）建立完善规章制度。加强制度建设， 逐步 完善各项安全管理制度， 而且要制度面前人人平等， 对 “三违” 人员和造成各类事故的责任人， 要严格按 原则处罚。 （8）加强特种设备和操作人员的管理。特种设 备是指企业生产中存在特别危险的设备， 这类设备 容易发生严重伤害事故。对特种设备必须制订专门 的安全操作规程， 定期检查、 保养、 保修， 做好各项记 录， 建立设备台帐， 实行专人负责。对从事特种设备 的操作人员， 必须定期进行特种设备的安全教育。 （9）抓重点部位的管理。根据情况， 定期开展 安全专项检查， 采取切实可行的措施， 解决影响安全 的重点问题和难点问题。 （10）提高安全人员素质和责任心。安全管理 人员直接负责企业的安全工作， 他们素质的高低， 直 接影响安全生产的好坏。具备强烈的责任心， 良好 的专业知识， 丰富的工作经验， 还必须具备及时发现 问题、 解决问题的能力， 这样才能保证安全管理不滞 后于企业发展。在安全检查和日常工作中， 对发现 的问题和 “三违” 现象要多分析， 一定要把道理讲 清， 使岗位员工心服口服， 自觉遵章守纪。对安全工 作中好的做法和经验， 要亲自总结和推广， 这样在实 际工作中， 才能给予正确的指导。 （收稿日期 2005 -07 -11 ） （上接第 95 页） 4 结 论 对空区自然崩落及充填过程深入了解分析后， 可以预测空区最终的影响范围。预测出空区的最终 状态将有利于技术指导生产， 使矿量不容易丢弃， 及 上部工程不容易废弃。同时根据自然崩落的顶板及 帮的特征， 以人工在边帮进行崩落充填的方式， 可降 低临界空区顶板的高度， 从而使采空区顶板不用垮 落太多进行充填就足以充满临界空区。利用理论分 析可指导和检测目前的和将要布置的采空区上部开 拓系统或采场的安全性， 从而减少工程及资源浪费， 给矿山生产带来潜在的较大的经济效益。 由于计算中存在较多假设， 而矿山的地质条件 又较复杂， 对一些老采空区可能没有保留完整的原 始资料， 所以， 理论分析存在一些不足之处。 411 采矿技术 2005， 5 （4）