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采空区处理
当开采完成形成采空区后,在上覆压力和地下水等因素的作用下,该煤柱和开采区两侧的煤层软化,失去强度,导致上覆岩体塌陷、冒落,形成滑坡。
地下采空区对采矿工程的危害是显着和累积叠加的,主要体现在二个方面:一是采空区矿柱变形、破坏、顶板大面积冒落、岩移,造成地表沉陷、开裂和塌陷,破坏地面环境和影响露天作业,更为严重的是采空区突然垮塌的高速气浪和冲击波造成的人员伤亡和设备破坏;另一方面在矿山开采过程中,采空区围岩受爆破震动影响导致岩体裂隙发育,甚至贯通地表或连通老窿积水,发生突水事故,淹没坑道和工作面,造成巨大经济损失。
矿体开采后,采场的原始应力状态被破坏,从而致使应力重新分布,时常导致矿柱失稳破坏。这种矿体开采后,当矿杜承受的应力超过自身强度时,发生的不连续的发散突变,即矿柱失稳破坏的现象。
其灾害的主要表现形式有:片帮、冒顶、突水、地震、岩爆、冲击地压、地面塌陷、地面沉降、地裂缝以及由其导致的滑坡、泥石流、地表植被破坏等多种形式。
在采空区与巷道坍塌方面,主要采用的防治技术有充填、加固、封闭和崩塌四种。在地下突水防治方面,目前主要采用注浆堵水和探放水技术。
我国地下开采矿山目前的实际情况是采空区灾害发生频繁,因事故死亡人数和国外同类相比相对较高,安全生产形势相当严峻,危及到人民群众的生命安全,对生态环境造成了严重破坏,给国家造成了巨大的经济损失,制约了我国矿山企业的可持续发展。
长期以来,国内外许多专家学者针对采空区围岩的稳定性作了大量的理论研究工作,提出了许多控制采空区灾害的实用技术。
采空区处理
对于矿山地下开采遗留的采空区,处理方法通常有封闭、崩落、加固和充填四大类。加固法处理采空区主要在采空区土方修建公路、隧道等工程时应用较多。由于成本较高,技术难度大,所以目前在矿山的开采阶段应用较少。在具体的采空区处理过程中,由于各个矿山存在的采空区数量、其所处位置、形态特征不一样,必须针对各采空区的特点和条件,分别采取相应的处理方法。有时采用两类方法联合处理,如采用加固法与充填法联合、崩落法与充填法联合等:有时由同一类方法衍生出一系列子方法,如充填法可分:千石充填法、尾砂充填法、胶结充填法等。

崩落围岩处理采空区的实质:用崩落围岩充填空区或形成缓冲保护岩石垫层,以防止上部大量岩石突然崩落时,气浪冲击和机械冲击巷道、设备和人生的危害:缓和应力集中,减少岩石的支撑压力。
崩落围岩又分为自然崩落和强制崩落两种。从理论上讲,任何一种岩石,当它达到极限暴露面积时,应能自然崩落·但是由于岩体并非理想弹性体,往柱还未达到极限暴露面积以前,因为地质构造原因,围岩某部位就可能发生破坏,,’整体性好,非常稳固时,需要在其中布置工程,进行强制崩落处理采空区。爆破的部位根据矿体的厚度和倾角确定。崩落岩石厚度一般以满足缓冲保护垫层的需要,达}5}}}}以上为宜。崩落的方法一般采用深孔爆破或药室爆破(崩落露天边坡或极坚硬岩石)。
在崩落围岩时,为减少冲击气浪的危害,对离地表较近的采空区或己与地表相同的相邻采空区,应提前与地表或与上述采空区崩透,形成“天窗”。强制放顶工作一般与矿柱回采同时进行,且要求矿柱超前爆破。如不进行回采矿柱,则必须崩落所有支撑矿(岩)柱,以保证强制崩落围岩的效果。
(1)地表强制崩落法处理采空区
该方法是利用采空区上方预先钻凿的中深孔或大孔,采用垂直倒漏斗爆破技术,将采空区上方中的岩石崩落,充填并消除采空区。
原理是在采空区的正上方采用垂直倒漏斗爆破技术,对采空区进行处理。其一是:从采空区位置全部钻凿好直径为150mm左右的炮眼,其深度直接与采空区穿透,然后用带绳木块对所有炮眼进行堵塞,装入孔内导爆索和一定长度的按氨炸药后,再装填一定长度的隔离矿砂,采用孔内分层爆破,一次爆破长度S}IU米,直到采空区上方岩石完全崩落或填满采空区:其二是在采空区中央,采用多次爆破方法形成天井,以此为自由面和中心,在采空区上方钻凿大孔,然后侧向崩矿,将崩落矿岩填入采空区[85)a
此类方法具有效果好、经济、处理快速等特点,但是缺点在采空区上方进行凿岩,爆破作业时安全性差,易于卡钻等。vCR法地表强制崩落法适用于采空区距离地表较浅,且采空区范围不大的情况,而大深逆向爆破多次成井侧向崩落法适用于距离地表深度大,边界不清,范围较大的采空区处理。
C2)井下崩落矿柱处理采空区
井下崩落矿柱方法是在原有的采空区中,在矿柱的适当位置开凿凿岩铜室,利用原有的巷道,在矿柱中钻凿深孔爆***理采空区,分为垂直深孔方法与水平深孔方法两种。

对于那些在其上部存在露天采场或有建筑物的采空区,由于地表绝对不允许大面积塌陷。因此,崩落处理采空区的方法不可行,至于对采空区用锚索或锚杆进行加固,也只是一种临时措施,“充填”。用充填料(废石,尾砂)充填采空区。用充填料支撑围岩,可以减缓或阻止围岩的变形,以保持其相对的稳定,因为充填材料可对矿柱施以侧向力,:干石充填法、尾砂充填法、胶结充填法。
充填法是利用地表中露天剥离的废石、井一「开采废石或选矿尾砂作为主要充填骨料,建立充填系统,然后通过采空区的钻孔、天井或充填管道将充填料自流(或加压)充填至井下采空区。
用充填法处理采空区,一方面要求对采空区或采空区群的位置、大小以及与相邻采空区的所有通道了解清楚,以便对采空区进行封闭,加设隔离墙,进行充填脱水或防止充填料流失;另一方面,采空区中必须能有钻孔、巷道或天井相通,以便充填料能直接进入采空区,达到密实、充填采空区的目的。
充填法用于采空区处理,具有效果好,见效快,充填密实等优点,但是充填法存在施工难度大,成本高,作业安全性差等缺点,在采用充填法处理采空区时一方面要从安全生产的角度,另一方面要从经济的角度加以考虑,选用合理的充填材料和研究经济可行的工艺技术。

随着采空区体积不断扩大,岩体应力的集中,有一个从量变逐渐发展到质变的过程。当集中应力尚未达到极限值时,矿石与围岩处于相对稳定状态。如果在此之前结束整个矿体的回采工作,而采空区即使冒落也不会带来灾难,可将采空区封闭,任其存在或冒落。这是一种最经济又简便的采空区处理方法,但其使用条件比较严格,可用于下列两种情况:
(1)矿石与围岩极稳固,矿体厚度与延深不大,埋藏不深,地表允许崩落;
C2})埋藏较深的分散孤立的盲采空区,离主要矿体或主要生产区较远,采空区上部无作业区。
在封堵采空区时,要在采空区附近通往生产区的巷道中,构筑一定厚度的隔墙,使采空区中围岩崩落所产生的冲击气浪不至造成危害。因此,构造充分的缓冲层厚度或通往采空区的通道封堵长度是采用封闭法处理采空区的关键。

建立地压监测系统。井下采空区发生大的地压活动之前,一般都有一定的征兆,如地音、地震强度的变化等,通过对这些变化的监控,可以对地压活动进行一定程度的预报。因此为配合对采空区的治理,掌握采场稳定性安全动态,应该对采空区围岩采取一定的现场监测手段。目前监测手段较多,但是较为常用的有岩体声发射监测定位仪、水准测量、多点位移计、压力计、断面收敛测量以及光应力计等监测手段。为监测超大采空区地压活动,提供一种有效方法。
1)声发射监测定位仪的原理
岩体声发射监测定位仪是由北京矿冶研究总院研制的。原理是在岩体声发射过程中伴随着应变能的突然释放,在岩体中产生弹性应力波,由振源传至岩石,通过对弹性应力波的监测和分析,对岩体稳定程度作出判断,该方法主要用于矿山中、短期安全预报。具体是:在采空区周边安装传感器,接收声发射信号;由线路输入监测站仪器,自动记录信号;再用微机进行声发射源定位分析、频谱分析、能级分析等数据处理,确定声发射源的准确位置。当采空区周围岩石受力发生变化时,监测系统便可以接收到信号,井能在较短的时间内分析定位,根据频率和能级,预报采空区的冒落部位及时间以便及时采取措施处理,或撤出人员、设备,确保并下安全生产。
方法的选择

由于大宝山矿区属于露天与地下联合开采,目前未处理的采空区大量存在,势必影响到露天和地下矿山正常生产Issl。因此,本文通过对采空区数量以及其分布状况的调查和统计,了解到井下存在一定数量体积超大的采空区和采空区群,而且主要分布在露天开采范围以内以及开采层面以下,有的超大采空区和采空区群与目前露天开采层面不到1OOm的厚度,直接影响到露天安全生产,2002年发生的“”事故以及“”,造成巨大的经济损失。向时--由于采空区的塌陷出现露天边坡滑坡事故,如2003年的“”事故。
根据目前国内外对采空区的处理方法研究和应用情况,对大宝山矿业有限公司采空区的处理方法建议采用隔离、充填、封闭、监测等多种联合处理方法。对I级和II级危险源采空区采用胶结充填、废石干式充填或削壁充填处理,而III级和N级危险源采空区则采用封闭方法处理。因废石干式充填在处理成本上和削壁充填相近,但从处理效果上看则明显优于削壁充填;因此,如条件许可,应尽量考虑采用废石干式充填。

采空区处理是在地压活动较为频繁的地段作业,因此要特别注意作业人员的安全,为此须注意如下几点:
(1)加强作业地点的地压监测工作。由专职地压监测人员采用各种地压监测手段对重大危险源点以及人员经常出入的地段定期监测,并定期作出稳定性分析及冒落预报工作。
<2)树立安全警示牌。对不稳定的地段树立安全警示牌,以引起进入人员的注意。
(3)对稳定性差的地段采取措施,以保证作业人员的安全。
露天矿采空区复采措施
在采空区上作业,给穿孔、采掘、运输等设备的作业带来安全隐患,不慎就会造成机毁人亡。为了杜绝事故发生,防患于未然,在开采前成立采空区作业领导小组,制定详细、稳妥的方案及技术措施,以保证万无一失。
(1)请专业勘测单位用电位仪,对采空区范围及巷道走向进行勘测。
(2)将河槽处井口打开,将河水灌入,使井下高温的极可能着火的煤进行灭火降温,同时在露天采坑内铺设管路,以备排水及灭火用。
(3)对揭露出来的巷道防止着火,不开采时,用沙土及时封堵,开采时将其清除。
(4)加快采空区上部剥离平盘推进。为了保证钻机、挖掘机、运输车辆的作业安全,在煤顶板上部保留4m左右的基岩,保护煤顶、防止空巷塌陷,待上部剥离推进到一定位置(推进70m以上),再开采下部煤层。此时用钻机打超深孔爆破,用液压反铲下挖将保护煤顶的4m厚的基岩采掉,同时开采下部煤层
(5)开采下部煤层时,将封堵沙、土清除干净后,将空巷及煤柱(幅宽15m,)一次爆破,一次爆破量控制在8000t以内,利用l~2d时间采运完毕,然后及时将露出的巷道上部封堵。
(6)根据勘探确定的采空区范围设置警戒标志,严禁其它设备作业及运行。绝对禁止挖掘机、车辆在采空区煤顶板上作业。
(7)采空区煤层穿孔作业时,钻机采用前进式穿孔作业方式,并利用钻杆进行探查,在钻进3~4rn时,采用间歇给压,以防空巷打通时,突然压力释放,冲击器空打钻头;,按正常作业穿孔。如果钻机在前进时,发现前方有空巷,要设标志,钻机退回向上方继续打眼
(8)钻机穿孔后,马上退出,不允许在采空区停留,然后进行爆破。爆破中对空巷顶部的炮孔,采用药包吊住的方法进行爆破,一次起爆。
(9)爆破后立即组织装载机装车外运,在1~2d采完后,立刻封堵空巷口等上部剥离出一定空间后,再进入下一循环。