采空区冒落

地下采空区顶板冒落问题研究

摘要：本文从采空区冒落的产生机理、主要危害、影响因素以及治理措施等几个方面概述了采空区安全的矿山生产当中的重要性。 关键词：地下开采，采空区，冒落，顶板

在金属矿非金属矿矿床地下开采过程中，受矿床赋存条件的限制和所选采矿方法及开采顺序的影响，矿石开采完成后，会留下很多地下采空区。这些采空区的长期存在，严重影响的矿山的生产安全，选择合理的措施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，确保井下作业安全和矿山可持续发展，以及保护地表生态环境具有重要意义。

1. 采空区顶板冒落的主要危害

1.1. 顶板的大面积冒落产生冲击气浪

采空区顶板冒落时，垮落的岩石顶板以极快的速度压缩采空区内的气体，在采空区内和巷道中会产生速度极高的冲击气浪，对井下作业的人员、设备危害极大。1993年枣庄某石膏矿5000多m2的采空区顶板突然垮落，产生的冲击气浪使井下十余人当场丧生；2006年8月19日湖南石门县孟全镇天德石膏矿发生1.8万m2的采空区冒落，9名矿工被采空区顶板冒落形成的空气冲击波（冲击气浪）致死。

1.2. 顶板冒落产生的冲击力

采空区顶板的突发性冒落，尤其是大面积垮落，会对空区底板产生较大冲击力，通过力的传递作用传至其他地下工程，遇到软弱结构，会造成较大的破坏，并有可能诱发地震，威胁生产安全。2005年11月6日，河北省邢台县尚汪庄石膏矿区发生特大坍塌事故，矿区井下采空区顶板大面积冒落，引起地表塌陷，形成一个长轴约300m、短轴约210m、面积约5.3万m2 的近似椭圆形的塌陷区，以及24.5万m2的移动区，引发里氏3.1 级地震，造成地表塌陷的体积约24.3万m3，死亡37人。

1.3. 采空区变形危害地表安全

采空区的变形将使上覆岩层因失去支撑而下落形成塌陷，引起地表建筑物沉降和地面裂缝，还能诱发滑坡、塌方、泥石流等地质灾害，极大破坏了生态环境。

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地表塌陷形成的塌陷坑还将成为低洼水坑，地表水可能通过岩层裂隙进入地下，加大了地下涌水量，轻者增加排水负担，严重可能造成不同程度的淹井。 1.4. 采空区变形危害周围采空区及采场安全

采空区局部的变形变化有可能对整体的稳定性产生大的影响，由于相邻采空区之间存在较多的公共工程，一旦某个采空区发生失稳，必定会对周围空区的稳定状态产生巨大影响，而空区的连续失稳必然破坏地压平衡，使其他地下工程的受力发生巨大变化，从而可能引起连锁反应，极大威胁采矿安全。

2. 采空区顶板变形冒落的主要原因

采场地压是原岩作用在采场顶板、矿柱、围岩上的压力与围岩因位移或冒落岩块作用在支护结构上压力的总称。采空区的形成，破坏了原岩的应力平衡条件，必然引起应力的重新分布，在采场周围形成二次应力场。如果二次应力场中的应力没有超过岩体的承载能力，岩体就会自行平衡；由于采动的影响，二次应力场中应力可能发生叠加，有时大大超过原岩应力，导致岩体出现破裂甚至冒落或断面产生很大变形。[7]

以近水平矿体为例，矿体开采完成后，采空区的直接顶板岩层在其自重应力和上覆岩层的作用下，产生向下的移动和弯曲。当其内部的拉应力超过岩层的抗拉强度时，直接顶板就会产生断裂、破碎，继而发生冒落，而直接顶板上部的岩层则以梁或悬臂梁弯曲方式沿层理法线方向移动、弯曲，进而发生断裂、离层。

随着岩体变形的不断发展，岩体内的裂隙也不断扩展，互相贯通，直至岩体沿不连续面产生的剪切和膨胀力超过了矿岩内部的内聚力和摩擦力，在爆破震动等作用的诱发下，岩石就发生塌落。起初多数是沿结构而破裂，但随着冒落的进行，新的自由面的形成，会引发新的冒落。，顶板的岩石的冒落自下而上依次发生，当冒落到一定的程度，岩体内的剪应力达到极限值，岩石即开始破坏，并迅速形成断裂面，岩石发生突然冒落，直至地表。而外部的因素如雨水的渗入、爆破震动等的影响都可以加速冒落的发生。

首次冒落的范围由空区的面积、岩石的力学性质及岩体中的弱面所决定。根据双剪强度理论，两个最大剪应力达到临界值时，材料就发生屈服或破坏。它的数学表达式为：[3]

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式中β和C为材料参数，可以由材料抗拉强度σ1和抗压强度σc确定为：

由于岩层移动的结果，致使顶板岩层悬空及其部分重量传递到周围未直接采动的岩体上，从而引起采空区周围岩体内的应力重新分布，形成增压区（支承压力区）和减压区（卸载压力区），如图1。[5]

在采空区边界矿柱及其上下方岩层内形成支承压力区，在这个区域内，矿柱和岩层被压缩，有时被压碎，挤向采空区。由于增压的效果，使矿柱部分被压碎，承载能力减小，于是支承压力区向远离采空区的方向转移。

在回采工作面的顶、底板岩层内形成减压区，其压力小于开采前的正常压力。由于减压的效果，使岩层发生膨胀，因此在顶板岩层内可能形成离层。而底板岩层除受减压影响外，还受到水平方向的压缩，因此可能在底板形成隆起现象。

图1 采空区影响带划分

A—充分采动区（减压区） B、B’—最大弯曲区 C、C’—岩石压缩区（支承压力区） 1-地表下沉曲线 2-支承压力区内的正应力图 3-沿层面法向岩石变形曲线图 4-冒落带

3 采空区顶板冒落过程分析

3.1 根据采空区顶板岩性、空区状态及采矿实践，分析空区顶板冒落过程，主要包括四个阶段：

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（1）初始冒落阶段。采空区内矿岩采出后或有部分矿柱，顶板处于临空状态，在拉应力的作用下，平衡拱被打破。岩体内节理扩展、贯通，导致灰岩破坏并在自重作用下自然崩落下来。

（2）间断冒落阶段。空区顶板暴露面积不断扩大，岩体内裂隙向上发展，不时发生冒落，顶板在趋于平衡但达不到平衡的情况下向上发展，冒落范围呈间断性地扩大。（3）地表冒落阶段。

4 影响采空区变形冒落的主要因素

4.1 工程地质的影响

岩体本身是一种含有许多节理裂隙的复杂的不均质材料，它不仅由各种性质不同的岩层组成，而且还存在大量的不连续面。这些不连续软弱结构面的规模、产状、分布及发育情况对顶板的稳固起到很大的影响，尤其是直接顶板中所含节理裂隙的数量和分布情况对采空区顶板承受地应力的水平会产生很大的影响。

上覆岩层含有的软弱岩层，具有低强度、高压缩性、流变性等特点，使岩体的整体稳定性大大降低。尤其是岩石夹层中的膨胀性岩土，遇水后强度降低，其他物理力学性质改变也很大。

采空区周围的采矿生产可能使空区岩体的应力状态受到多次反复扰动，不利于其稳定。开采活动以及空区的规模和分布，会产生二次应力场，使原有的应力场的主应力方向也发生改变，从而影响到空区围岩的受力和稳定。

脆性岩石的存在，将使采空区顶板在受到扰动破坏后的稳定性大大降低。而岩石风化作用也将降低空区顶板岩石的强度。 4.2 水文地质的影响

地下水渗流到软弱夹层时，是软弱夹层中的泥质物质发生软化和泥化，导致岩体强度降低。从力学角度分析，地下水的渗流作用也减小了裂隙表面的摩擦阻力从而降低了岩体的抗剪强度。而软弱结构面中的亲水构造多含有高岭土、蒙脱石等粘土矿物，这些矿物的遇水后膨胀率较高，强度、粘塑性等物理力学性质变化很大，岩体强度大大减弱，极易造成局部片帮和冒顶。[7]

当岩体的裂隙和孔隙中充满地下水而不发生流动时，充满于裂隙或孔隙中的地下水对周围岩体产生静水压力。静水压力作用方向与主应力方向相反，使得在有静水压力的斜面上的正应力减小，而剪应力不变，从而使岩体的抗剪强度降低。

由于切割岩体的各种节理、裂隙和断层是相互沟通的，地下水在这些结构中流动，并对其中的充填物质进行冲刷。在持续的动水压力作用下，尤其是高压水头的作用，充填物质的减少易围岩强度的降低而造成岩体移动。

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碳酸盐岩类中在水的溶蚀作用下易形成溶洞，并在溶洞中积水。地表水的渗流作用和地下水的侧向径流潜蚀作用使溶洞中的充填物和第四纪底部的土体被侵蚀搬走后，可能造成溶洞塌陷，继而影响采空区安全。 4.3 采矿方法及采场结构的影响

采矿方法与采场的地压活动有很大关系。以崩落法为例：无底柱分段崩落法采场地压显现是通过回采进路、分段运输联络道、溜井及中深孔变形与破坏来反映的。采场地压活动规律一般表现为：回采进路周围岩体中存在着移动性支承压力；采场地压分布有明显的分区分带特征；上、下回采分段对应部位有一定影响；滞后进路地压显现严重。而有底柱崩落法矿山的采场地压显现主要是底部出矿道的变形与破坏，其采场地压活动规律为：底柱处于加载—卸载—加载过程，承受压力和变形频繁；采场周边压力小，采场中心压力大。[8]

矿体开采顺序以及采空区的埋深、几何形状、规模、立体组合关系等，也对采空区的稳定具有重大影响。二次应力场与采场规模尺寸、断面形状有关，并且在时间上、空间上不断变化。当二次应力场中的应力未达到岩体强度时，岩体以弹性变形为主，当应力达到或超过围岩体强度后，围岩进入塑性变形状态，在临空面产生破坏、松胀，因而释放应力，出现应力降低区，此时在顶板可能形成离层现象。

因此，合理的的采矿方法和采场结构，能够使采空区的顶板暴露面积处于合理的范围之内，使空区应力在顶板、围岩和矿柱之间合理分布，从而达到有效地控制地压，维护空区稳定的目的。

5 采空区变形治理

采空区治理的原则应满足经济合理、安全可靠、施工方便、提高资源回收率、减少影响矿山生产时间等几个方面。

采空区处理主要方法是充填空区和支撑空区，处理方式可归纳为“充”、“崩”、“撑”、“封”四种：采用各种材料包括水砂、掘进废石、选矿尾砂或尾砂加其它胶结材料充填空区；强制崩落顶板围岩，使采空区上覆岩层冒落充塞空区形成废石垫层，以稳定地表；留永久矿柱支撑空区；疏通空区及密闭空区；以上两种或几种不同方法联合处理。

参考资料：

[1] 东北大学，陈庆凯、任凤玉 等，采空区顶板冒落防治技术措施的研究[J]，金属矿山，2002.10 [2] 昆明有色冶金设计研究院，邓礼兵，采场地压管理的研究及应用[J]，有色金属设计，2004.2

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[3] 东北大学，赵 文、任凤玉，哑铃状两大型连通采空区岩石冒落与冲击气浪的预防[J]，东北大学，1999.10 [4] 武汉工程大学，张电吉、王明华 等，采空区地压分析及安全开采研究[J]，第九届全国岩石力学与工程学术大会论文集

[5] 何国清，矿山开采沉陷学[M]，中国矿业大学出版社，1991 [6] 冯树人、朱祚铎，地下采矿岩石力学[M]，煤炭工业出版社，1986 [7] 高磊，矿山岩体力学[M]，冶金工业出版社 ，1979

[8] 长沙矿山研究院，邓红卫、周爱民、黄筱军，采场地质灾害分析评价与控制[J]，采矿技术，2004.3 [9] 广东高要河台金矿、长春黄金研究院，李纯青、姚 香，采空区处理新技术的理论研究及应用实践[J]，黄金，2004.3

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