某石膏矿采空区治理方案及安全技术措施

何承尧 武 飞 刘允秋 霍洪岩

(1.浙江漓铁集团有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；5.天津矿山工程有限公司)

某石膏矿采用斜井和竖井联合开拓，目前正在使用有3条斜井，1条竖井。矿山采用房柱法采矿，单翼对角式通风系统。目前主要回采Ⅱ、Ⅲ矿层矿石，井下按设计划分盘区，盘区长250 m，宽60 m，高应为矿体垂直厚度，在盘区内划分矿房进行回采。设计矿房宽8 m，留连续矿柱，矿柱宽4 m，矿房顶板护顶层厚度大于1 m。为减小顶板暴露面积，提高围岩稳定性，矿山开采时适当减小了采场参数，实际矿房宽度为7.5 m，矿柱宽度4.5 m，矿房高度为3.5～4.0 m。回采采用手持式煤电钻打浅孔炮眼，岩石粉状乳化炸药、导爆管雷管起爆。矿房内采用装载机出矿。目前主要开采-90 m以上的矿体，从2008—2016年末，共消耗矿石量561.08万t，2016年度共计消耗矿石量为110.95万t，其中，回采量为35.50万t(矿房回采量31.88万t，巷道回采量3.62万t)，回采损失量(矿柱)为75.45万t，回采率为32%，损失率为68%。由于该地区石膏矿市场价格一般维持在65～80元/t，生产利润微薄，矿山开采至今采用房柱法开采，留设永久连续条带矿柱支撑顶板，仅采用栅栏或格网封堵采空区入口，以防止人员误入。为贯彻落实《国家安全监管总局关于印发非煤矿山领域遏制重特大事故工作方案》的通知(安监总管一〔2016〕60号)及国务院安委会办公室关于印发《金属非金属地下矿山采空区事故隐患治理工作方案》的通知(安委办〔2016〕5号)的精神要求，逐步消除采空区事故隐患，防范和遏制采空区塌陷引起重特大事故，特对该石膏矿进行调查摸底，并对现有采空区进行治理，以防止在矿山生产期间采空区塌陷造成人员伤亡和设备设施损坏。

1 矿山地质

1.1 矿区地质

1.1.1 矿区地层

矿区地表除西北部有少量基岩出露外，基本上被第四系黏土层所覆盖于土金山组地层之上,主要岩性为棕褐色、土黄色黏土、土黄色、棕红色含砂砾黏土等。砾石磨圆度一般为次棱角状-次圆状，分选较差，砾石尺寸为1～15 cm不等，砾石成分为石英砂岩、石英岩、长石石英砂岩等。

1.1.2 矿区构造

整个三和集地区为一受区域断层控制的断陷盆地构造，属定远盆地东北部之次级盆地。受区域构造影响，盆地局部隆起或下陷，呈波状起伏。

矿区内断裂构造不太发育，对矿层有所影响的规模较大的断层仅有一条，即发育于矿区北部的F1断层。该断层推测规模较大，基本贯穿矿区的北部，断层走向北东东至南西西，产状346°∠80°，倾向北西，倾角较陡。断层北盘上升，南盘下降，断层面上近水平方向有擦痕，表现为一平移逆断层。

F1断层为一成矿后的具一定规模的断层，但由于该断层发育于矿床的边缘部位，而且断层产状倾向北，因此,其对矿床的主体影响不大，对各矿层的连续性、完整性及矿石的质量均影响不大。

1.2 矿床特征

矿床赋存于第三系土金山组第二岩性段第二层(E2t2-2)、第三层(E2t2-3)中，第二层(E2t2-2)主要为棕红色泥岩夹厚1 m左右的泥膏(2～3层)。本矿床的Ⅰ矿层即赋存其中，本层含9层具有工业价值的泥膏矿层。

1.3 开采技术条件

矿区被第四系所覆盖，矿床赋藏于黏土岩岩组中，位于含水层以下。第四系承压含水层为主要含水层，富水性弱，被隔水层隔阻，含水层与矿层之间不发生水力联系。开采时可能形成导水裂隙带通道，矿层与含水层发生水力关系。矿区附近分布有较大的地表水体，但对矿床开采无影响。矿床为顶板直接进水的孔隙-裂隙充水矿床。矿区水文地质简单。

矿层中没有溶蚀现象，矿层顶底板岩体质量差，强度低，易被破坏，对矿床开采有较大的影响。矿床工程地质类型为软弱岩石组成的硫酸盐岩矿床。开采时遇到断层破碎带，可能产生充水，降低岩石强度，造成开采巷道围岩失稳。矿区工程地质条件中等复杂。

矿床开采后对地表水及地下水产生的污染较小，地下水质较差，岩石岩性软弱，断裂构造较发育，矿山开采可能引起地面塌陷、沉降灾害。矿区环境地质中等。

2 采空区现状

2.1 采空区调查方法

根据该石膏矿的采矿工艺及矿山生产现状，本次采空区调查采用资料收集和现场实地勘察相结合的工作方法。

资料收集主要包括矿山以往开展的地质、测量工作，开采历史情况和目前的工作条件、安全现状及工作环境等。现场踏勘主要是结合矿山及周边环境的实际情况，针对采空区调查内容所涉及的各方面内容进行现场实地踏勘，根据提供现状资料详细了解采空区的实际现状和作业环境，包括采空区所处的位置、地层、地质构造、岩石结构、稳固程度、规模大小、形态形状等。

2.2 采空区情况

该石膏矿开采面积约43.52万m2，开采标高为0～-90 m，开采区段内形成空区面积约19.85万m2，其中，约10.03万m2采空区已塌陷，根据矿山提供资料，已塌陷空区均已塌实、接顶。

井下开采累计形成采空区约78.14万m3，其中约40.97 万m3采空区已塌陷，现有采空区约37.17万m3，详见表1。

2.3 采空区稳定性

矿山一直沿用房柱法开采，留设永久矿柱，以保证开采期间的顶板安全。矿层顶底板岩性以青灰色泥岩、含膏质泥岩、膏质泥岩为主，局部为灰白色-青灰色劣质泥膏，少数矿层顶底板岩性为棕红色泥岩、含膏质泥岩。目前矿山井下矿房宽7.5 m，矿柱宽4.5 m，平均采高为3.6 m，顶板(护顶层)为1.5 m，未留设底板。对该石膏矿力学强度进行测试，结果见表2。

根据矿山资料，已塌陷空区均已塌实、接顶。现有未塌陷采空区处于相对稳定状态，但随着开采工作的延续，留设的顶板和矿柱因荷载、采动、风化、潮解等因素的影响，局部承载较大、强度较低的软弱矿柱产生破坏、坍塌或失去支撑作用，周围矿柱承压增大并相继发生破坏，最终导致一定范围内的顶板冒落[1-2]。

表1 某石膏矿采空区统计

表2 某石膏矿力学强度测试结果

2.4 采空区地表影响范围

矿山前期参照类似矿山及国内外有关资料计算地表移动带范围，其移动带范围第四系按45°，基岩按60°圈定。

矿山地处低平丘陵地区，开采范围内地表以农田为主。矿区范围内东部有寿陈村(已全部搬迁)、中部有洼张村，为保护村庄安全，矿山按照设计留设了村庄保安矿柱。

矿山主竖井及副斜井均位于矿区范围内北部，2条井筒均位于开采移动范围内，为保护井筒安全，矿山按照设计留设了井筒保安矿柱。

矿区西北侧存在一自然形成的水塘，水源主要由大气降水补给，丰水期最大储水量约15万m3，该水塘位于矿山设计开采移动界限内，水塘下方的1#盘区布置了部分开拓工程，并回采了少量矿石，为防止地表水进入井下，矿山多年前已停止对该区域的开采，并已留设保安矿柱。目前，1#盘区的采空区已经塌落，水塘水未进入井下，且水塘已堆砌了混凝土坝。矿山后期计划开采范围位于矿区东侧。

矿区范围中部有15#盘区，其上部有一水塘，水塘标高约+45 m，而15#盘区采场顶板标高约+8 m，距离仅有37 m，前期矿山在该区域进行了巷采，未全面拉开采场进行大规模采矿，定远县安全生产监督管理局已责令矿山停止该区域采矿活动，后期加强井下和地表的监测，若发现异常，及时撤离井下和地表附近人员。

3 采空区治理方法选择

根据国内外矿山治理采空区的经验，当前切实可行的采空区治理方法有崩落法、充填法、支撑法、封闭隔离法和联合法5类。通过对采空区治理方法的比较和分析，并按照选择原则，采用排除法对采空区的治理方案进行选择，具体如下：

(1)强制崩落法。强制崩落法是指采用爆破方式强制崩落采空区顶板进行放顶，以达到消除采空区的目的，但将造成地表塌陷，对地表环境破坏太大，因此，强制崩落法不合适。

(2)充填法。石膏矿属于软石膏，遇水极易潮解，湿式充填不适用于该石膏矿山采空区处理，且也缺少适用于石膏矿井下采空区充填的其他材料。井下开拓及采矿工程全部布置在石膏矿体中，基本不产生废石，井下缺少足够的干式充填废石。另外，石膏矿价值低廉，企业资金投入也难以满足采空区充填治理的要求。

(3)支撑法。该开采过程中也预留了永久矿柱保护采空区，现有矿房宽为6～7 m，矿柱宽4～5 m，再采取加固矿柱和顶板的治理方法，工程量大，工期长，支护过程较危险，不符合采空区治理的原则。

(4)封闭隔离法。采用在井下合适位置构筑密闭隔离工程隔离采空区，减小采空区坍塌对生产系统造成破坏，该矿山可以选择封闭隔离法治理采空区。

综合各种处理方法的特点及某石膏矿实际情况，采空区治理措施采用密闭隔离-顶板自然崩落法，即将现有采空区与采矿生产区的所有通道用密闭墙或堆石墙进行隔离，采空区内的顶板不做任何处理，任其自然塌落，防止人员进入采空区，避免因采空区大面积冒落而产生的空气冲击波对采矿生产和矿井设施的破坏。同时，在矿山前期设置的井下顶板动态监测系统的基础上，增设监测点，及时掌握井下采空区顶板位移变化情况，出现异常时，立即撤离井下人员，确保井下生产安全。

密闭隔离-顶板自然崩落法特点：

(1)治理采空区工期短，见效快，具有空区治理及时性。

(2)方法简单实用，能最大限度地减弱和消除采空区安全影响。

(3)充分考虑采空区治理措施对地表设施的影响。

(4)充分考虑治理采空区所需的材料、设备等经济合理的来源和供应条件。

4 采空区治理方案

4.1 密闭墙设计

密闭墙一般为砖石或钢筋混凝土，也可用碎石堆积形成，还可以垒放沙袋作为密闭墙。

抗冲击波封闭墙厚度计算公式为

(1)

式中,B为抗冲击波封闭墙厚度，m；a为抗冲击波封闭墙所在巷道净宽度，m；b为抗冲击波封闭墙所在巷道净高度，m；Pj为抗冲击波封闭墙承受压力设计值，表1中计算P值乘以结构安全系数1.1和荷载分项系数1.4，MPa;fc为抗冲击波封闭墙所用材料的抗压强度，C20,MPa；α为楔形抗冲击波封闭墙侧边与巷道中心线的夹角，取20°。

密闭墙的破坏往往是由于压力作用于密闭墙,沿巷道周边将墙剪断所致，因此,还应对初选设计的厚度进行抗剪强度校核，即

(2)

式中，τ为密闭墙材料的容许剪切应力，MPa，一般取密闭墙抗压强度的10%～15%[3-4]；其他符号意义同上。

抗冲击波封闭墙进入所在巷道围岩的深度为

L=Btanα.

(3)

钢筋混凝土密闭墙厚度计算结果见表3。

钢筋混凝土密闭墙采用单式墙，强度大，主要用于盘区主要通道封闭。由于单式墙缺少了让压充填体，需进一步增大安全系数，同时也是为了施工方便，墙体厚度不应小于表3中的计算参数。墙体横筋和竖筋均采用HRB400级D16@200，双层筋，中间设拉接筋，拉接筋直径为8 mm，墙体需按设计尺寸深入巷道围岩和底板，钢筋混凝土密闭墙示意见图1。

4.2 巷道挑顶密闭法

巷道挑顶密闭法是在平巷上方打眼爆破，用爆下的石渣堵塞通道，对空区进行封闭。挑顶长度取5.0 m，高度取3.0 m，宽度与挑顶处的巷道宽度一致。封闭体的位置要尽可能远离采空区，必要时通过相邻两处挑顶形成2道封闭体，对顶板冒落空气冲击波将起到更有效的削波阻波作用。巷道挑顶封闭法示意见图2。以该石膏矿断面4.0 m×2.8 m巷道为例，说明分析的过程。

表3 钢筋混凝土密闭墙厚度计算结果

注：P为大气压计算值，MPa。

图1 钢筋混凝土密闭墙示意

图2 巷道挑顶封闭法示意

4.2.1 容许空气冲击波速度

推动石渣堆所需要的力为

R=Lhwγyf,

(4)

式中,R为推动石渣堆所需要的力;kN；L为挑顶长度，取5.0 m；h为巷道顶板以上石渣高度，取2 m；w为挑顶宽度，即巷道宽度，4.0 m；γy为破碎岩渣的松散容重，为15.267 kN/m3(石膏密度2.29×103kg/m3，松散系数1.5)；f为破碎岩块之间的摩擦系数，取较小值，0.25。

由空气动力学可知，气流引起的正面压力为

(5)

式中,C为阻力系数，由试验确定，一般为1.1～1.27，取1.2；γk为空气容重，为12 kN/m3；S为巷道断面积，11.20 m2；V为气流速度，m/s；g为重力加速度，9.81 m/s2。

当R≥N时，石渣堆可保证封闭的可靠性，所以

(6)

计算得出V≤136.29 m/s,可满足石渣堆封闭条件。

4.2.2 挑顶高度

巷道顶板以上的石渣高度是决定抗空气冲击波冲击能力的重要因数，其值不能过小。考虑到各空区赋存位置的矿层厚度，为确保挑顶区域留设1.5 m 厚护顶矿柱，应在挑顶前对挑顶区域进行钻探，以便确定挑顶高度，若挑顶区域不能满足松散堆存高度，应在挑顶爆破前，用铲运机在挑顶巷道底部铺设一定高度垫层(根据矿层厚度和挑顶高度确定)，以确保挑顶区域上方石渣堆的高度。

4.2.3 挑顶方法

利用现有的凿岩设备ZM15型煤电钻凿斜向上孔，孔径为34 mm，孔深根据挑顶高度确定，采用岩石乳化炸药、导爆管雷管起爆。加大挑顶长度可增加石渣堆抗空气冲击波冲击的能力，在巷道顶板以上石渣堆积高度达2 m的前提下，挑顶长度取5 m，可使封闭体抗冲击气浪速度不大于136.29 m/s，为减少工程量，不必盲目加大这一长度。

4.3 采空区密闭墙选型

考虑到采空区冒落空气冲击波对密闭墙作用力的计算为理想条件下气体状态，同时，该石膏矿现有采空区均按照设计留设有连续的矿柱，实际情况下该类采空区冒落时，连续矿柱及转弯巷道会对冲击波产生较大的阻力，致使冲击波气流减弱。另外，在对矿山现场实际调查时发现，矿房回采结束后，已将前期连通各盘区的主要上、下提升设置拆除，若采用钢筋混凝土密闭墙对采空区进行封闭，钢筋、混凝土、模板等材料的运输难度较大。

综上所述，采用巷道挑顶密闭法对现有采空区进行封闭。该方法投资少，费用低，且简单易行；封闭体是具有一定可缩性的松散材料，采用让压工作原理，在采空区治理中深入实践这一方法，会取得良好的技术经济效益。另外，考虑到采空区对后期通风系统的影响，在后期生产的通风线路上的空区巷道挑顶区域前方5 m处设置一道240 mm厚的砖砌墙，防止漏风。

5 地表沉降监测

矿山已在地表重要设施附近设置了沉降监测点，定期测量，并将数据进行归档。在测量数据出现异常时，立即通报矿山安全科进行隐患排查，并设置警戒。

6 采空区治理相关措施

6.1 组织措施

(1)矿山成立采空区治理工作小组，矿山总经理为采空区安全治理第一责任人。采空区治理工作小组负责制定相关技术措施和作业规程，编制治理工作安全应急预案、管理制度和安全责任制，提出采空区安全治理的新设备、新技术等，解决井下采空区实际问题。

(2)采空区治理的一个分项工程由一个施工队(班组)实施，施工队长(班组长)为该项工程施工安全的直接责任人。施工队(班组)配备1～2名有相当工作经验的安全员，协助施工队长(班组长)开展安全工作。

(3)采空区治理之前摸清空区的来压情况和空间形态，对采空区的稳定现状进行评价。

(4)施工人员熟知相关安全技术措施，熟悉空区治理工程设计文件和有关技术资料。

(5)每次空区治理要保留一份完整的各种技术资料，并写出总结报告。

6.2 管理措施

(1)进入采空区作业前，在强制通风后，携带便携式气体检测仪，确保采空区内空气质量满足要求后，方可作业。

(2)施工现场必须有良好的照明，事先规划好发生事故时的安全撤离路线。先撤人员待现场稳定后再撤设备。封锁事故现场通道，对下一步可能出现的问题进行评估，以采取相应措施。

(3)加强现场地测工作，地测技术人员密切配合，对受采空区治理影响的位置以及空区发生的新的变化及时调查填图。

(4)采空区内作业事故隐患多，尤其是局部发生突发冒落的可能性依然存在，现场必须安排安全员专职观察，一旦发现危险事件，及时报警。

(5)根据现场调查，在每年的春夏交际和秋冬交际时期，石膏矿顶板易发生吸潮膨胀和干燥离层，是石膏矿冒顶和塌陷的多发期，要格外引起技术人员和施工人员高度重视。

7 结 语

根据某石膏矿采空区实际情况，通过采空区治理方法比选，确定封闭隔离-顶板自然崩落法为最优，最大限度地防止和减小采空区大面积冒落而产生的空气冲击波对地表和井下生产造成破坏。后期建议矿山待条件成熟时，采取削减矿柱或诱导冒落等方法，对未塌陷采空区进行崩落放顶处理，并将地表回填治理，以永久消除安全隐患。同时，应加强地表位移监测点和井下地压监测，井下空区顶板出现异常，应立即通知居民撤离。矿山在生产中应严格按照设计留设相应的边界保安隔离矿柱，确保相邻矿山之间生产互不影响。