[科普中国]-采空区处理

背景介绍

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。

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著和累积叠加的，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窑积水，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，当矿体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。

地下空区已经成为制约矿山发展的一个重要难题 ，随着矿山向深部开采，地压增大，地下空区在强大的地压下，容易发生坍塌事故，尤其对地下转露天开采的矿山影响很大；地下开采残留大量的采场、硐室、巷道没有进行及时处理，对露天开采带来了严重的隐患，同时给矿山工作人员和设备带来严重的威胁。

处理方法简介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。

崩落法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，往往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，形成自然崩落.当围岩无构造破坏，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5mm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已与地表相通的相邻采空区，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。

充填法处理采空区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，要彻底根除采空区带来的安全隐患.比较可行的手段只能是“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，有助于提高其强度.常用的充填法有: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、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。2

封闭处理采空区随着采空区面积不断扩大，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，矿体厚度与延伸不大，埋藏不深，地表允许崩落；

(2)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。

采空区处理的辅助手段采空区处理的辅助手段是建立地压监测系统。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。

煤矿中采空区处理方法由于顶板特征、煤层厚度和保护地表的特殊要求等条件不同采空区常用处理方法有全部垮落法、充填法、煤柱支撑法等。

采用全部垮落法处理采空区简单可靠、费用少，所以凡是条件合适时均应尽可能采用这种方法。我国开采薄及中厚煤层和大部分厚煤层时，几乎全部采用全部垮落法。

图-全部垮落法回柱放顶工序：

（a）最小控顶距时支架形式；（b）第一次推进后支架形式；

（c）放顶前（最大控顶距）支架形式；（d）放顶后恢复到最小控顶状态