矿山采空区的冒落规律研究及其监控措施.pdf

2 0 0 1年 3月 第 3 O卷第 2期 有色矿山 No n f e r r o u s M i n e s M_ a r ， 2001 ．3O No 2 矿 山采 空 区的 冒落 规律 研 究及 其监 控措 施 李清 望， 任 凤玉 东 北 大 学 ， 辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 0 6 [ 关 键 词 】采 空 区 ； 稳 固性分 级 ； 冒落 [ 摘要 】以西 石 门铁 矿 南 区采 空 区为 研 究 对象 ， 依 据 矿 岩 的 点 荷 载 强 度 测 定 与 结 掏 面 调 查 ， 对岩体稳定性进行分级。指 出南 区采空 区顶板 冒落形式 ， 一是以散体形 式零 星 冒落， 另一是批量 冒落。通过对南 区地表塌陷坑周固裂纹扩展与井下揭露 岩俸的观察 ， 进一步研究分析采空 区的 冒 落 规律 及 消 除 空 区危 害 的监 控措 施 。 [ 中围 分类 号 】T D3 2 5 ． 4[ 文 献 标识 码 】A[ 文 章编 号 】1 0 0 2 8 9 5 1 2 0 0 1 0 2 0 0 1 2 0 3 Fa l l i ng l a w a nd c o nt r o l l i ng m e a s u r e me nt an a l y s i s f or t he m i ne wor ke d o ut a r e a LI Qi n g wa n g ， REN Fe n g y u No r t h e a s t e r n Un i w e r c i t y ，S h e n y a n g 1 1 0 0 0 6 ，C h i n a Ke y wo r d swo r k e d o u t a rea；s t a b i l i t y g r a d i n g；r o o f f al1 Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r 。t a k i n g t h e wo r k ed O u t a r e a i n s o u t h mi n i n g d i s t ric t 0 f Xi s h i me n I r o n Mi n e a s a o b i e c t i n v e s t i g a t e d ，t h e S t a bi l i t y o f r o c k ma s s 8 1 “ e g r a d e d a c c o r d i ng t o t h e d e t e r mi n a t i o n o f p o i n t ba d i n t e r s i t y a n d t h e i n v e s t i g a t i o n o f s t r u c t u r e s u dac e Th e r o o f f a l l i n g t y p e s of wo r k ed o u t a r o _ t i n s ou t h mi n i ng d i s t ric t a r e p o i nt e d o u t ， wh i c h a r e s c a t t e red f a i l i ng a n d b a t c h i all i ng ． Th r o u g h o b s e r v a t i o n t o t h e c r a c k p r o p a g a t i o n a r o u n d t h e s u r f a c e s u b a i d e n ea a n d u n d e r g r o u n d e x p o s e d r o c k 1T t a S ， t h e r o o f f a l l i ng 1 a w of wo r k e d O u t a r e a a n d t h e mo n i t o ring me a s u reme n t o f e mp t i e d s t o p e a r e ma d e f u r t he r a n a l y s i s a n d s t u d y ． 1 概述 1 ． 1引 言 河北省西 石 门铁 矿南 区属 接触交代 矽卡 岩型磁 铁矿 床 ， 储 量 大 、 分 布 广 。 目前 ， 南 区 1 2 0 m水 平 的矿石 回采 已进 入残采 阶段， 矿区 正在进行 8 0 m 水平的部 分 回采 与采 准 施工 。 由于 民采和矿 山的共 同开挖， 1 2 0 m 水平 留下 一 滞后 冒落的大 空区 。因此， i 2 0 m 水平 的残 矿 回收 与 8 0 m 水 平 的正 常 回采 均 受 到大 空 区的威 胁 。 【 收 稿 日期 l 2 0 0 1 0 1 0 7 [ 作 者 简 介 】李 清望 1 9 6 5 ， 男 ． 河 南 民权 人 东北 大 学讲 师 ， 从 事教 学 科研 工 作 。 本文 针对南 区采 空 区的 赋 存状 况， 对 其 冒落形式 、 冒落 规律 及 预 防危 害 的措 施 进 行 了初步的分 析 研 究工 作 ， 以期 指 导 矿 山 的安 全生产 。 1 ． 2 采空 区的状况 南 区采空 区的状态是 与采 矿方 法 的使用 密切相关 的。 由于矿体 倾 角 缓 、 水平 面积 大 开采 面积约 2 0万 t n 2 及 开采 工 作线 长 的特 点， 将 1 2 0 m 水平划 分为 四个盘 区进 行开 采 ， 1 5 0 m 水平考虑 到矿体 自然分布 状况 ， 作为独 立盘 区。始 于 1 9 8 7年 ， 矿床 开采 以有底柱崩 落法 约占 9 1 ％ 为 主， 房 柱法 为辅 。 伴随着 矿石 的不 断 开挖 、 运 出， i 2 0 m 中 段 包括 i 5 0 m 中段 的 回采 基 本 结 束 ， 遗 留 维普资讯 第 2期 李 清 望等 矿 山采 空 区 的 冒落 规律 研 究及 其监 控 措 蓝 下大 面积 的 采空 区。据 统计 ， 南 区 采 空 区的 暴 露 面 积 约 1 7 0 0 0～ 2 0 0 0 0 ，空 区 体 积 6 8 ． 3 9万 m3 ， 采 空 区距 地 表 1 5 0～2 0 0 m， 采 空区高度 2 0～6 0 m。 由于 民采点 开采 的盲 目 性 与 无序性 ， 可 能造 成 比统 计数 字 更 大 空 间 的采 空 区． 致 使 矿 山对 采 空 区 的测 绘 与 控制 十分 困难 ． 加之矿体 形态 的赋存特 点， 采空 区 形 态极 为复 杂。 从 立面 形 态看 ， 采 空 区大 体 呈波浪形 缓倾 ． 部分 不连续 。 有 局部 矿 柱。 由于采矿 方法 的工 艺特点及矿 岩地 质特 征． 南区采 空 区顶板 滞后 冒落， 并且 随着 地应 力的集中， 围岩地质条件的恶化， 空区顶板逐 渐 冒落 ， 直 至地 表。 依据 矿 区 地质 资料 与 空 区位置 图， 圈 定 预 计 出 2 6 ～3 7 勘 探 线 之 间地 表将 会 有 6个 首先 塌 落 的小范 围 编 号 TX1 ～TX6 ， 目前 地 表 已存 在 TX1 和 TX 2 两 个塌 陷区。 2 矿岩稳 固性研究 2 ． 1 矿岩 点荷载 强度测定 为研究矿 岩的 强 度 指标 。 利用 点荷 载 仪 在现场对 不 规则 试 件 作 测试 ， 选 南 区 围岩 和 磁铁矿石 四 种岩性 ， 求 出矿 岩 的 点荷 载强 度 指标 f ， 值 ． 同 时 依据 岩 石 力 学 理 论 ． 导 出 对 应岩性 的岩体 基本 质 量指 标 O． 试 验 处理 结 果见表 1 。 衰 1 矿岩点荷藏试验指标值 可以看 出， 南 区矿 石 十分 坚 硬 。 岩 体 破 碎 ； 顶板 灰岩 较 坚 硬 ． 岩 体 较完 整 ； 底 板 矽 卡 岩为软 岩， 岩体 较 破碎 ， 而 闪 长 岩为 坚 硬 岩， 岩体 较 完整 。 2 ． 2结 构面调 查 工程岩体 之 所 以 失稳 ， 其 关键 的 问题 在 于岩体 内存在 软 弱结 构 面。为 了对西石 门铁 矿南 区岩体 稳 固性 有 一 个 清晰 完整 的认 识 ， 于 2 0 0 0年 4月对 Ⅱ分 区和 Ⅲ分 区的联巷 、 进 路进行 了广泛 的结 构 面现 场调 查 工 作 ， 包括 定性描述 与定 量观测 ， 结果 见表 2 。 衰 2南 区 岩体 结 构 面特 性调 查 岩体 点荷 载强 度测试 结果与 结 构面调 查 情形 趋于一致 ， 可 知 控制 采 空 区稳定性 的矿 体顶板灰岩属 碎裂结 构， 节理发 育， 稳定性 稍 差 ； 底板 闪长岩属块状结构， 中等稳 固， 而夹层 于 闪长岩 内的矽卡岩 属松散 结构 ， 破 碎 松软， 极不稳定 ， 是造成地压活动频 繁的主要原 因。 3 采空 区的冒落规律及其 调查分析 3 ． 1 采 空 区顶 板冒落过 程分析 南 区采 空 区顶板 岩 石 中 无构 造 破 坏 ， 岩 体 冒落主要 取决 于岩性 与结 构面 ， 故 可排 除 因存在断裂 构造 而产生大规 模经常 呈突发性 大 冒落 的 可能性 。 根据空区顶板岩 陛、 空区状 态及采矿 实践 ， 分析 空区顶板 冒落过程， 主要包括四个 阶段。 1 初始 冒落阶段 采 空区 内矿 岩全 部 采 出或有部 分矿柱 。 顶 板处 于临 空状态． 在拉应 力的作用 下， 平 衡 拱 被 打 破， 岩体 内节 理 扩 展 、 贯通 ， 导致灰 岩破坏并 在 自重 作用下 自然 崩 落下来 。 2 间断 冒落阶段 空区顶板暴 露面积 不 断扩大 ， 岩 体 内 裂 隙 向上 发 展 ， 不 时 发 生 冒 落 ， 顶板 在趋 于 平衡 但达 不到 平 衡 的情 况 下 向上发展 ， 冒落 范围呈 间断性地 扩大。 维普资讯 1 4 有色矿山 2 0 0 1担 3 地 表 冒落 阶段 当 空区顶板 冒落接近 地 表时 ， 顶板 岩石常 常产 生整体变形 和 破坏 。 周 边受剪 应力破 坏常 以突发形式 呈大规 模 冒 落 ， 此 时可能 引发 具 有 危 害性 的气 浪 。实 践 证 明， 地 表 的变 形和破 坏是 可以监控 的 。 4 扩展 下移 阶 段 空 区地表 崩 落 后 ， 周 边 岩石逐渐 向空 区崩 落 、 岩移 充填到 空区， 空 区崩 落边 界 逐 渐 向外 扩 展。 由于 8 0 m 中段 采矿 方法 改 为无 底柱 分 段 崩 落法 ， 故 随着 采 空 区顶板 的 冒 落与 下部 矿 体 的开 采 ， 逐步 成 为整个崩 落 区的覆岩 下放 矿 ， 致使 地表下 移。 3 ． 2 顶板冒落 形式预 测 该矿 南 区的 空区状态 空区大 小、 波浪 形 起 伏与部 分矿 柱 决 定 了其顶 板 冒落 活 动 比 较 平稳， TX 1 与 TX 2 塌 陷区在 缓慢 下沉 岩 移 ， 与采 空 区上 覆岩层 冒落的理论 计算 吻合。 结 合该矿 中 区 的整 个 冒落 过 程 ， 可 以认 为， 南区最可 能的 冒落形式 一 是 以散 体形式 零星 冒落 ， 另一 是 批量 冒落 。通过 分析 冒落 岩体 与空气 能量 交 换 关 系 ， 可 以估 算 出在 南 区矿体条 件 下 ， 避 免 气 浪 危害 的安 全 距 离 及 显 著影 响范 围。 3． 3采空 区地 表裂 纹 扩展 南 区两个塌 陷坑 形 状都 呈椭 圆形 ， 深 达 1 O ～1 5 m， 边壁 陡直 略内倾 ， 四周 没有 任何 大 构 造面痕迹 。 当采 空 区 冒 落地 表 时， 地 表 的 变 形与破坏 表现 为在塌 陷区的周边 形成许 多 间隔的断裂 线 表 3 。观 察 可 知， 这 时 的 破 坏基本不 受 岩体 结 构 面控 制 ， 主要取 决 于 应 力集 中部 位与 空 区状 态。 从断 裂线 的标 定得知， 随着 向外扩展 ， 裂 纹 的倾角 逐渐 从 内 倾变 为外 倾 ， 裂纹 间距 基 本 在 3 ～1 5 m， 变化不 大， 说 明岩体 冒落平 稳。 表 3 T X1 塌陷 坑断 裂 线 标 定 裂 纹序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 裂纹 宽度／ c m 1 6 1 3 7 2 2 7 1 0 5 ． 2 5 2 5 3 3 5 4 5 6 袭坟 间距／ m 8 6 6 2 l 8 2． 6 5 ． 9 3 ． 7 3 1 3 ． 8 1 1 3 0 1 5 7 1 3 3 ． 4采 空 区下巷 道地压 显现 为研究大 空 区下的水平 巷道地 压显现情 况 ， 仅对巷 道 地 压进 行 了宏观 分 析 。发 现 与 地表 TX1 塌 陷 区对应 的 1 2 0 m 水平运 输 大 巷 2 7 ～2 9 勘 探 线 顶 部 原 岩 部 分 片落 ； 1 3 川顶板 出 现 少 量 片 落， 两 帮 的 喷 锚 网支 护， 受压变形 、 脱 落， 地 压 显 现 明显 。为 准 确 定位地 压及其大 小， 必须采 用监控 仪器 。 4 预 舫 采空 区危 害 措施 采 空 区危害主 要是顶板 岩体 冒落时产 生 的 i 中击 浪危 害， 可 能 的高 速高 压风 流 威胁 井 下作业 人员 。综 合矿 山实 际情 况 ， 主要 采 取 了 四项技 术措旋 。 1 地表 塌 陷区 圈定及埋 设标桩 ； 2 设立 观测点 ， 对地 表下沉 与变形进 行 监测 ； 3 实行 分 区开采 ， 对 顶板 实旋有控 制的 自然 崩落 ； 4 与大 空 区相连 的无 底 柱分 段 崩 落 法 进路 回采 ， 在交界 处可 设置 矿 岩隔离带 。 5 结论 1 岩 体 的点荷 载 强 度与 结 构面 调 查 研 究， 证 实夹层 与 上盘 围岩 的矽 卡 岩是 造 成 地 压活动频 繁的主要 囱素 ； 2 采空 区的 冒落 比较平稳 ， 冒落形式 以 散体 形式零 星 冒落 为主 ； 3 生产 实践 表 明采 空 区 的 冒落 是可 以 监控 的 ； 4 采 空 区下 矿体 的 回采， 诱 导 放顶 、 设 置矿 岩隔离层 的综合 措麓 是安全 有效 的。 维普资讯