特大地下采空区稳定性评价及处理措施

格尔珂金矿位于甘肃省玛曲县尼玛乡境内，矿 山隶属甘肃省玛曲县格尔珂黄金矿业有限责任公 司。矿体主要产于赤铁矿化硅化灰岩、赤铁矿化硅 化花岗闪长岩及其接触带中，平均品位１２．４４ ｇ／ｔ。 格尔珂金矿１９９１年建成并投入试生产，截止２００３ 年采出矿石２８０万ｔ。其中露天开采占２５％，地下 开采占７５％，地下采出矿石２１０万ｔ左右，形成空 区总体积超过８０万ｍ３。为了确保露天作业的安 全，必须摸清地下空区的范围、大小和形状，然后对 采空区进行稳定性评价并采取相应措施进行处理。
参考文献：
［１］饶运章，高国庆．岩金矿山空区处理研究［Ｊ］．黄金，１９９７，１８
（９）：２１—２２． Ｅ２３ 曾细龙，张楚灵，张新华．露天采场地下采空区的探查与处理
［Ｊ］．采矿技术，２００３，３（２）：７３—７５． ［－３３刘沐宇，徐长佑．地下采空区矿柱稳定性分析［Ｊ］．矿冶工程，
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加工，１９９５，（５）：２６—２７．
（上接第１６页）
Ｘｏ—Ｘ＾＝Ｌ［－１一Ｐ一砉（寄’］ （ｙ＜Ｏ） 故可认为此悬臂长（Ｘｏ—Ｘ。）即为断裂拱壳的 基础，每层岩梁断裂后都会有这么一个结构。如是 破碎顶板，则悬臂相对要短，拱壳顶会特别高尖，以 至结构发生冒落。如拱顶为一平板，则结构较稳 定。
２采空区探查方法
根据矿山长期以来的实测资料，全矿主要采空 区３８个，总面积１２７０４ ｍ２，小于３００ ｍ２的空区占
６３％，空区最小３９０ ｍ３，最大４８７９０ ｍ３。目前，国 内多采用物探法和钻探法探查采空区。物探法可 使用目前较流行的探地雷达，但探查深度有限制， 多数属试验性质，准确程度受限制。钻孔探查法较 实用，还可详细掌握采空区的顶、底板等实际情况。 根据不同用途钻孔探查法分为形态探查、单行探查 和双行探查∞Ｊ。 ２．１ 采空区形态探查
形态探查是对采空区的位置和形态进行探查。 由于探查的深度和范围较大，一般先对采空区进行 初步分析和摸底，采用地质钻孑Ｌ进行探查。形态探 查要充分使用已有资料，尽量减少工程量和工程费 用。 ２．２ 采空区冒高探查
采空区冒高探查采用单行探查的方法。单行 探查的目的是掌握空区是否因冒落而上移。一般 对较清楚的采空区在其最大冒高以上作业是较安 全的。当露天采掘作业接近最大冒高时，在采空区 的中央或适当部位打２～３个探查孔进行单行探 查，探查孔深为段高与安全厚度之和。 ２．３生产控制探查
文章编号：１００３—５９２３（２００５）０２—００２２—０４
特大地下采空区稳定性评价及处理措施
任高峰１，王官宝１，石栓虎２
（１．武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉４３００７０； ２．金堆城钼业公司，陕西华县７１４１００）
摘要：本文根据格尔珂金矿采空区的实际情况，提出了采空区的探查方法，稳定性评价方法和处理方
承受垂直压力，侧帮不受压，形成自然拱；在比较松
软的岩层中，其顶部及侧帮均有受压现象，形成压
力拱；在松散性介质中，采空区侧壁崩落后的滑动
面与水平面的交角等于岩石的内摩擦角，形成破裂
拱。各种拱圈的高度计算式如下：自然拱拱高：
Ｈ：一导
（５）
）
压力拱拱高：Ｈ，：丛生独骘坚趔（６）
１
破裂拱拱高：
Ｈ，一盟旦垫掣生型
万方数据
应力最小，但在９和１２空区间以及９、１０、１１、１４四 个空区间的岩体处于高拉应力状态。从图３可见， 在１１、１４空区周边围岩出现压应力集中现象，最大 值达１３６．２ ＭＰａ。另外，对于９空区，其周边围岩 的最大压应力为４３．３ ＭＰａ；由图４可知，其周边围 岩的剪应力最大值为６．９ ＭＰａ。
通过对采空区模型的数值模拟计算，可得出各 采空区围岩的应力分布规律。通过分析可评价采 空区的稳定性。岩土工程中的拉应力、压应力的符 号与机械工程中的相反。
图２～４是６８～８２线＋３７２５ １ＴＩ阶段各勘探线 采空区的应力等值线图，图中数字分别代表不同采 空区编号。分析图２所示最小主应力等值线图可 知，在已形成的采空区周围，围岩均处于受拉状态。 在９、１０、１１、１２、１４空区中，９空区周边围岩所受拉
万方数据
些在我局均有实例。
例如图５可用断口方程解释这两种现象和反
算出墙和隔爆层强度各参数等。随着对断口方程
研究的深入将能解释更多的矿压现象和得到更广
泛的应用。
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图５放炮漏斗
（ａ）物架下沉墙体；
（ｂ）断口素描
参考文献：
［１］钱鸣高．采煤学ＥＭ］．北京：煤炭工业出版社，１９７９． １－２３钱鸣高，刘听成．矿山压力及其控制（修订本）［Ｍ］．北京：煤
法，利用有限元分析方法对采空区进行了稳定性分析，给出两种计算安全厚度的方法，提出了处理空区的基本
方法和安全技术管理措施，为合理治理空区和矿山安全生产提供了科学决策依据。
关键词：采空区；探查；稳定性评价；安全技术；管理措施
中图分类号：ＴＤ３２５．３
文献标识码：Ａ
１概述
我国岩金开采是黄金工业生产的主要形式，每 年将形成数百万立方的采空区。除了露天开采和 地下崩落法、充填法之外，绝大多数采空区均未进 行有效地处理，且未给予足够的重视，有些矿山为 此付出了沉重的代价。为了使矿山持续、稳定、安 全的回收矿产资源，建议形成采空区，特别是空区 规模较大的矿山，应对采空区进行探查、稳定性评 价和空区处理研究，制定出技术上可行、经济上合 理的采空区治理方案。对于新建矿山，从环保和可 持续发展的观点出发，建议采用充填法进行无废开 采，使矿山开采逐步走上良性循环和持续、稳定、安 全的发展道路［１］。
（３）对于空区顶板满足露天作业安全厚度要求 时，根据安全稳定评价方法，计算出安全厚度后进 行控制和管理。当接近安全厚度的２倍左右时，视 其安全稳定性情况，采用钻孔爆破法进行处理。 ５．２安全技术管理措施
（１）对于安全厚度满足作业要求的采空区，设 备作业时应安排专人进行跟踪观察，落实安全责
任，加强观察和统一指挥，发现异常情况时，立即组 织设备和人员撤离作业现场。有条件的矿山应采 用先进的监测方法，及时掌握采空区的情况，进行 预报和预测。
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２００５．ＮＱ２矿山压力与顶板管理
表１ ６８～８２线采部分空区形态表
３采空区有限元数值模拟
３．１采空区的三维有限元数值模拟 表２列出围岩体物理力学参数，根据表１列出
的采空区，建立采空区的三维有限元计算模型。由 于采空区在空间位置上的重叠性，只能依据现有的 采空区合成图（６８～８２线）建立数值模拟模型。有 限元计算模型如图１所示，模型的几何尺寸是 １８００Ｘ ７５０Ｘ２００ ｍｍ。除模型上表面无约束外，其 余五个表面均受位移约束和三个方向的转动约束。 围岩的物理力学参数为：容重２．６×１０４ Ｎ／ｍ３，弹 性模量２．３Ｘ１０４ ＭＰａ，泊松比０．３；采空区的物理 力学参数为：容重１×１０＿１０ Ｎ／ｍ３，弹性模量１× １０～ＭＰａ，泊松比０．０００１。单元在垂直方向承受 自重应力和上覆岩层压力盯：＝２．１ ＭＰａ；根据资料 当地水平地应力值，如一５．３ ＭＰａ，仃。一３．９ ＭＰａ。 由于模型在垂直方向的高度不大，所以水平地应力 考虑成均布压力。 ３．２有限元计算结果的分析
生产控制探查采用多行探查。多行探查时，当 电铲作业平台底板与采空区顶板的垂距略大于或 等于两倍安全厚度时，应采用双行探查。其行距以 电铲中心线为依据，电铲履带始终压在两行探查孔 上。其孔深为段高与安全厚度之和。例如表１列 出了６８～８２线采空区的探查结果。
收稿日期：２００４—０６—０３
作者简介：任高峰（１９７９一），武汉理工大学资环学院采矿工程专业硕士研究生，研究方向为安全评价。
而取不同的系数值。
以上两种方法计算出来的安全厚度，是钻孔超
钻条件下空区顶板至露天工作平盘的垂距，即假定
超钻部分已经被崩碎，不能视为一个受载荷的结构
块体。因此，计算出的安全厚度应加上超钻值，才
是需要的安全厚度。即：
Ｈ掌一Ｈ。＋Ｋ。Ｈ
（４）
４．２普氏地压理论计算
根据普氏地压理论，巷道或采区开采后其顶板
将形成抛物线形的三拱带。在坚硬岩石中，其顶部
（７）
）
式中户一岩石强度系数５
６——空区宽度系数之半，ｍ；
矗广—岩—石空内区摩最大擦高角度，，ｏｍ）；。
以上两种方法计算出的安全厚度取大值。
５ 采空区处理方法及安全技术措施
５．１采空区处理方法［５１ （１）对较小的采空区，对采矿作业的影响较小
时，可采用封堵各处进出口的方法处理。 （２）浅部空区对露天作业安全影响较大，对露
数值模拟计算结果表明，大部分采空区稳定性 较差。为了尽可能多的回收矿产资源，必须消除其 安全隐患。根据各自的应力状态采取不同的治理 措施，然后才可开采。
图１模型立体视图 ４露天开采空区顶板安全厚度的确定
所谓空区顶板安全厚度是指在一定条件下，由 空区顶板至露天工作平盘的垂距。顶板安全厚度 是指可通过工作设备及人员的可靠厚度。工程类 比和经验计算方法可作为安全厚度的初步确定方
（２）装载设备应垂直于空区走向作业，保持退 路畅通，确保发生险情时能 以外的安全地带。
（３）不满足安全厚度要求的采空区，在未处理 前应在采空区周围设置安全警示标志，圈定采空区 范围，严禁无关人员和设备进入。
（４）在摸清采空区的大小和形态之后，要根据 采空区的实际情况来制定采空区的爆破处理方案。 处理采空区的爆破不同于矿山的生产爆破，需要在 实践中不断总结经验并加以改进。
Ｈ。一姿×丝±近丝±堕堡型翌（１）
６
口
式中Ｈ。——最小安全厚度，１ＴＩ；
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