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采空区及矿柱稳定性控制措施研究

发表时间：2021/5/25 来源：《基层建设》2021年第2期作者：朱先锋

[导读] 摘要：采空区治理是为了确保空区不会发生大的变形、不会发生塌陷，保证对应的地表和周边环境不会受到采空区的影响，保证矿区生产安全。

        湖南新田岭钨业有限公司
        摘要：采空区治理是为了确保空区不会发生大的变形、不会发生塌陷，保证对应的地表和周边环境不会受到采空区的影响，保证矿区生产安全。
        关键词：采空区；矿柱；稳定性
        1采空区治理方案概述
        采空区治理的措施有很多，当前主要有矿柱支撑法、充填法、封闭、隔离疏导法、崩落法等等，还有多种方法的联合应用。
        （一）矿柱支撑法
        采用预留永久矿柱或人工构筑石柱来支撑采空区的顶板，是一种较普遍也实用的治理方法。但是预留矿柱会导致矿体永久损失；若人工构筑石柱来处理，无论是木支架、混泥土还是金属支架，都很难经受长时间的考验，长久来讲，矿柱会侵蚀或风化而破坏，最终会破坏采空区的稳定性，采空区可能会垮塌。
        （二）充填法
        可以这么说，处理采空区较为有效的方法就是充填法。理论上来讲，充填法可以处理任何采空区。但是，无论采用干式还是湿式充填都需要有复杂的充填系统，建设、技术、管理的成本都比较高。因此，要采用充填法就要进行技术经济比较，综合考虑。
        （三）封闭、隔离疏导法
        封闭、隔离疏导法就是采用隔离层（封闭墙）隔绝空区。此种方法相比其他方法，施工简单，成本低。
        （四）崩落法
        崩落法以前矿山中应用较广，但是这种方法的应用有一个前提条件，地表允许陷落。如今国家对生态环保的要求非常重视，根本不允许破坏地表植被，不允许破坏生态环境。因此，崩落法处理采空区的方法就很少用了。
        （五）联合处理法
        不同采空区的结构形态和所处的环境都不尽相同，对应的处理方法也会不一样。采空区处理应遵循的原则是：技术可行，经济合理，能使空区长期稳定，或空区围岩变形缓慢，范围可控。
        2 采空区治理方法选择原则
        各类采空区治理方法都有其适用性和优缺点选择合理的处理方法对采空区进行及时处理，对有效控制地压，避免大规模的地压活动，确保安全生产，具有十分重要的意义。采空区治理方法选择应遵循下述原则。
        （1）要满足采空区治理及时性要求。采空区如果长期不治理，采空区地压显现日趋显著，再行治理越发困难，安全性更差，治理费用更大。为此，选用的采空区治理方法必须简单实用，施工周期短，见效快，最大限度地消除空区。
        （2）对采空区地表是否允许崩落进行规划，并进行深入的经济比较分析，根据不同情况选用相适应的治理方法。
        （3）因地制宜。例如：采空区治理材料与当地市场息息相关。
        （4）技术上可行。采空区治理方法应与矿山现有技术水平相适应，所用技术、设备易于掌握，方便实施。
        （5）安全上可靠。采空区治理一般来说是比较困难的，在空区下作业存在较多的事故隐患，因此必须保证治理方法是安全的，或安全上是可控制的。
        （6）经济上合理。充分考虑矿山企业经济承受能力，既要合理处理采空区，又要保证矿产资源有效回收，为矿山企业尽可能多的增加经济效益。
        3采空区治理措施研究
        根据以上章节的研究内容可以确定新田岭矿区急需治理的采空区为207m中段采空区，250m中段211N3-1、211N3-5、211N4-2、211N6-1、211N7-3采空区，310m中段211N2-1采空区，340m中段采空区；急需治理的矿柱为250m中段211N4-6内1号矿柱，211N5-1内1号、3号矿柱，211N6-1内1号矿柱以及211N7-3内3号矿柱。为解决当前采空区、矿柱稳定性较差这一问题，本文提出针对不同的采空区采用顶板支护、废石充填、密闭隔离封堵和加固矿柱等不同的方法。
        3.1 顶板支护处理
        对于深部中段的采空区治理要充分发挥围岩的自稳能力，这类采空区若采空区高度在合理范围内，可采用锚网喷等柔性支护方案。
        根据Mathews稳定性图解法，目前新田岭矿采空区顶板均处于支护区以上，顶板合理支护后能够保证顶板稳定性。根据现有的锚轩支护的经验和工程实例，可按以下公式计算锚杆参数。
        锚杆长度：

且L>2s
        式中：B－采场跨度；
        S－围岩岩体中节理间距；
        n－围岩稳定性参数。
        当围岩稳定性较好时，其参数取1.0；当围岩稳定性较差时，其参数取1.1；当围岩不稳定时，围岩稳定性参数取1.2，由工程地质调查与评价可知小板垅工区三种围岩类型（矽卡岩、灰岩、花岗岩）均属Ⅲ级中等质量岩体，因此取n=1.0。
        锚杆间距：D≤0.5L且

式中：

－为围岩的裂隙间距；
        D－锚杆间距，一般为0.8-1.0m，最大不超过1.5m。
        根据以上分析结果，并结合采场的实际情况，250m中段211N3-1、211N4-2采空区可采用顶板锚网支护的方法进行处理。
        3.2 废石充填措施
        采空区采用废石充填法进行处理，具体方案可在采空区顶部掘进废石充填天井，分别取地表和井下废石经由充填天井或与采空区相通的巷道充填采空区。
        为了保证充填效率，可在地表废石堆场取废石运至充填井倒入空区；也可以保证井下废石不用运出地表，用于充填空区。充填废石尽可能充填至空区顶板，总充填量不能小于采空区总容积的3/4。充填前先要做好密闭工作，预防冲击气浪和滚石造成伤害,这种方法对于多中段且上下有对应巷道的采场比较适用。根据采空区稳定性分析结果，并结合采场的实际情况，其中，310中段的211N2-1采空区上方附近有现成巷道，且对应该中段有大量废石，宜选择废石充填措施处理该空区。包括250中段的211N3-5、211N6-1、211N7-3采空区都宜选择废石充填措施处理。
        3.3 密闭隔离封堵措施
        该方法适用于采空区为相互不连通的孤立采空区。为了隔离采空区与生产区，二者连通的横巷内设置密闭墙，考虑到采空区可能积水，在密闭墙的底部中央预留宽30cm，高20cm的泄水孔，如图1。

        图1 井下巷道密闭图
        密闭墙采用砖混结构，墙体内布置单层钢筋网，网间距0.5m×0.5m，钢筋φ12，现场绑扎。钢筋与密闭墙两侧的砂浆锚杆焊接，锚杆布置形式如图6.1所示。密闭墙的厚度根据采空区顶板垮塌可能产生的空气气浪对密闭墙的作用力来设定。采空区密闭墙的厚度计算可按抗压强度计算公式如下：

     （1）
        式中：B－密闭墙厚度，m；
        a－密闭墙所在巷道净宽度，m；
        b－密闭墙所在巷道净高度，m；
        P－密闭墙承受的荷载；
        fc－密闭墙所用材料的抗压强度；
        α－墙体与巷道夹角，取30°。
        根据巷道断面，利用以上公式可大致确定密闭墙的厚度，但从安全的角度出发应选取较大值，再考虑2倍的安全系数，得出最终的密闭墙厚度。
        根据以上分析结果，并结合采场的实际情况，340中段的采空区（有211N1-1采、 211N4-2采、211N6-1采、211N7-3采等）分散不相通，且附近没有生产作业区，宜采用砖混结构密闭墙密闭处理。
        3.4 加固矿柱措施
        目前用于矿柱加固的主要方法有锚杆加固、高水固结材料墙加固、注浆加固、充填加固等。根据矿柱破坏原因的分析，通常矿柱加固补强方案按经验设计为混凝土加锚杆的形式。
        根据采空区稳定性分析结果，207中段的211N9-2采场的南部边柱与主运输巷毗邻，由于矿柱开裂，且发生小面积片帮，宜采取了混泥土加锚杆的加固措施处理。
        4 小结
        减少和消除采空区安全隐患，需要对井下不稳定采空区进行综合治理。本章针对采空区和矿柱稳定性提出了采空区治理的意义和必要性，同时对采空区治理方案进行了概述，并提供了采空区治理方案选择原则，之后对新田岭钨业有限公司小板垅工区采空区提出了综合治理措施，针对不同的采空区采用了顶板支护、废石充填、密闭隔离封堵、和加固矿柱等不同的方法进行综合处理试验，能够取得较好的治理效果。