采空区充填设备_石膏矿采空区处理方法研究

发布时间：2016-11-18 19:03

本文关键词：采空区处理方法，由笔耕文化传播整理发布。

１．１．２石膏矿产资源及开采安全现状；石膏是在非金属矿中用途广、产量大、产量增速快、在；我国探明石膏储量达６００亿ｔ，石膏资源的特点是：；我国７０％的石膏是地下开采；随着开采时间的延续和开采范围的扩大，不少地下矿山；２０００年３月２８日山东峄城石膏矿发生重大冒顶事；采空区垮塌极大的危害石膏矿山安全生产，应当引起安；１．１．３课题研究的意义；我国７０％的石膏资

１．１．２石膏矿产资源及开采安全现状

石膏是在非金属矿中用途广、产量大、产量增速快、在国民经济发展中占有重要地位的矿种，主要用于石膏建筑制品、水泥缓凝剂、土壤调节剂、肥料、农药、造纸、油漆、橡胶、塑料、纺织、食品、工艺美术、文教、医药等。近十多年来，我国石膏矿是非金属矿中发展速度最快和发展势头最稳定的矿种。

我国探明石膏储量达６００亿ｔ，石膏资源的特点是：储量大，分布广；普通石膏和硬石膏多，优质石膏资源非常少，仅占储量的１０％左右。我国现有石膏矿山约５００座【３】，矿山平均年产量约５万吨。其中１０万吨以上的矿山仅３０多座，占总石膏矿产量的４０％。比较著名的石膏生产基地有南京石膏矿、大汶口石膏矿区、平邑石膏矿、大为石膏矿、灵石石膏矿、湖北龙源石膏有限公司、隆尧双碑石膏矿区等。

我国７０％的石膏是地下开采。由于石膏价廉，除极少数以纤维石膏为主的矿山采用壁式充填法和房柱式充填法开采外，绝大多数矿山采用房柱采矿法开采，留石膏护顶层以增加顶板的稳固性，少数矿山采用全面采矿法。

随着开采时间的延续和开采范围的扩大，不少地下矿山的采空区面积不断扩大，其面积往往达到几万、几十万，甚至上百万ｍ２，体积则达到几十万、几百万ｍ３。当采空区面积超过一定界限之后，如不及时处理，就会导致采场、巷道发生岩层错动甚至岩体崩塌，常伴有巨晌，气流冲击，而且可能引起地表开裂、下沉，导致地面建筑物陷落、倒塌及矿区地震等形式的严重地压灾害，可能造成重大人员伤亡及经济损失。

２０００年３月２８日山东峄城石膏矿发生重大冒顶事故，死亡５人：２００１年５月１８日广西合浦县恒大石膏矿发生特大冒顶事故，死亡２９人；２００３年１１月１０日河北邢隆石膏矿发生重大冒顶事故，死亡５人；２００４年２月１６日，广东省兴宁市叶塘石膏二矿发生重大冒顶事故，死亡６人；２００５年１１月６日，河北省邢台县尚汪庄石膏矿区发生采空区特别重大冒顶坍塌事故，死亡３７人；２００６年８月１９日，湖南石门县蒙泉镇天子岗村天德石膏矿老采空区发生重大垮塌事故，９人死亡。可见目前石膏矿安全生产形势极为严峻。

采空区垮塌极大的危害石膏矿山安全生产，应当引起安全监管部门和矿山企业的高度重视。作为矿山安全生产的重大危险源，采空区处理的研究工作，查清塌方事故发生的原因、性质、发生机理和危害后果并提出相应的防治措施已刻不容缓。２

１．１．３课题研究的意义

我国７０％的石膏资源是地下开采，但无论是在开采的数量、工艺、装备和安全技术条件等方面，还是在国民经济中所占的比重都不能与煤炭和金属矿山相比。石膏矿的矿体和围岩主要为中软弱和软弱岩体，大多采用房柱采矿法开采。随着开采深度的增加和采空区面积的扩大，采空区稳定性问题越来越重要，它直接关系到矿山安全生产和深部矿体的开采规划。由于一些石膏矿山建设先天不足，导致生产作业条件恶化，安全事故频繁发生。因此，老采空区处理问题对石膏矿山预防和减少事故、防灾减灾具有重要意义。

１．２国内外研究现状

１．２．１采场上覆岩层运动规律的研究现状

矿层开采后必然引起岩体向采空区移动，岩层移动将造成矿山压力显现，出现采动裂隙，直至引起地表沉陷等采动损害。掌握采动岩体的移动规律，特别是内部岩层的移动规律，对采空区的控制和处理有重要意义。

目前关于上覆岩层的破坏机理及运动规律的理论有四种比较流行的理论。它们都在不同程度上解释了不同地质条件、不同开采方式和不同开采阶段，围岩破坏和地表移动的特征【．￣７ｌ。

（１）冒落拱理论

上世纪初，早期的矿压研究者、前苏联工程师中．许普鲁特提出“拱”理论。他认为，采场在～个“前脚在煤壁，后脚在采空区”的拱结构的保护下。此观点解释了两个重要的矿压现象：①支架承受上覆岩层的范围是有限的；②煤壁上和老塘矸石上将形成较大的支撑压力，来源为空顶上方的岩重。由于“拱”说难以解释采场周期来压等现象，现场也难找到定量描述拱结构的参数，所以“拱”说只停留在对矿压现象的一般解释上，不能很好地用于实际。

（２）冒落岩块铰按理论

它是原苏联学者Ｔ?Ｈ?库茨涅佐夫在上世纪５０年代提出的。他认为需要控制的顶板由冒落带和其上的铰接岩梁组成，冒落带给予支架的是“给定载荷”，它的作用力必须由支架全部承担。铰接岩块在水平推力的作用下，构成一个梁式的平衡结构，该结构与支架之间存在“给定变形”的关系，这是定量研究矿压现象的一个重大突破。但库氏理论对形成铰接岩块平衡结构的采场条件以及支架与顶板之间的作用关系研究不够。３

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（３）悬臂梁冒落论与冒落岩块碎胀充填理论

它是德国人舒尔茨和施托克提出的。该理论把工作面和采空区上方的顶板看作是梁或板，初次冒落后，该梁或板的一端固定在工作面和采空区前方的矿壁上，而另一端自由悬露，或者支撑在支架或跨落的岩石上，也可能只产生弯曲变形而不折断。当悬臂梁的悬臂长度很大时，就发生周期性的冒落。冒落的岩块由于破裂或其存在裂缝而体积膨胀，并填充了采空区所留下的部分空间，从而限制了覆岩冒落的继续发展，使之逐渐趋向稳定。

（４）“砌体梁”和“传递岩梁”理论

上世纪７０年代，我国学者在库氏铰接岩梁理论基础上，发展了至今仍占主导地位的“砌体梁”和“传递岩梁”理论。

“砌体梁”理论集中研究了裂隙带岩层形成结构的可能性以及结构的平衡条件，它的结论更适合于存在坚硬岩层的采场。该理论认为采场围岩砌体梁结构模型并非仅指单纯的岩块堆砌，是一个有机的运动着的整体，包括坚硬岩层的变形、破断和失稳，也包括块与块、块与垫层、块与连续岩层的接触和铰合，还包括裂隙、离层、水和瓦斯流动等。

“传递岩梁”理论认为，在一定采高、推进速度和顶板组成的条件下，平衡结构的存在是必然的，它看待平衡结构的重点是从结构向煤壁前方和老塘矸石传递力的方面考虑的。明显，这种结构在一般采场均存在。在进行支架围岩关系研究时，加进了“存在坚硬岩层”的前提条件。故该理论所建立的力学模型均以两个岩块组成的结构出现。该理论还认为，采场支架可以改变铰接岩梁的位态，并以聪块模型推导出了位态方程，为支护设计定量化提供了重要思路。

“砌体梁”和“传递岩梁”理论都认为，坚硬岩层能在煤壁前方断裂，通过研究岩层运动与支撑压力之间的关系，提出了来压预报的机理和方法，为减少我国恶性顶板事故做出了重大贡献。“砌体梁”和“传递岩梁”理论主要是针对长壁工作面的。由于岩梁理论只适用于工作面长度与初次来压步距之比大于５倍的采场，近几年来在坚硬顶板采煤工作面，一些学者引进了岩板理论，即用固支或简支弹性板以及弹性基础上的薄板模型，研究顶板初断步距与厚度之比大于５～８倍的坚硬顶板，也取得了很多成果。

大量实践表明，在岩层中存在一层至数层厚硬岩层，在岩层移动中起主要的控制作用。在此基础上，为解决岩层控制中更广泛的问题，近年来在钱鸣高院士领导下的课题组提出了岩层控制的关键层理论【踟。该理论是将对采场上覆岩层活动全部（或局部）起控制作用的岩层称为关键层（或亚关键层）。覆岩中的关键层一般为厚度较大的硬岩层，但覆岩中的厚硬岩层不一定都是关键层。关键４

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层判别的主要依据是其变形和破断特征，即在关键层破断时，，其上覆全部岩层或局部岩层的下沉变形是相互协调一致的。即关键层的断裂将导致全部或相当部分的上覆岩层产生整体运动。覆岩中的亚关键层可能不止一层，但主关键层只有一层。关键层理论研究的总体思路是：为弄清楚开采时由下向上传递的岩层移动动态过程，并对岩层移动过程中形成的采场矿压显现、煤岩体中水与瓦斯的流动和地表沉陷等状态的变化进行有效监测与控制，关键在于弄清关键层的变形破断及其运动规律，以及在运动过程中与软岩层间的相互耦合作用关系。关键层理论的研究在层状矿体开采过程中，在关于矿山压力控制、开采沉陷控制、瓦斯抽放及透水防治等方面取得了很大成功。特别是在“三下一上”采煤方面，根据主关键层与煤层的力学特征，确定合理的采留宽比，保证了主关键层与煤柱的长期稳定，使地表平缓下沉，变形量符合三下采煤规程要求，地面构筑物得到完好的保护１９Ｊ。

因为这些理论主要是针对煤矿采场（工作面）上覆岩层的运动规律进行的研究，在非煤矿床开采中，由于开采工艺、开拓方式及采掘布置的特殊性及老空区的遗留特点，必须进行有针对性的研究。

１．２．２采空区的沉陷模式理论研究状况

地表开采沉陷问题很早就被人重视，从１５世纪开始，人们通过各种方法来研究沉陷模式【ｌｏｑ４】。主要理论有：

从十五世纪到十九世纪末是沉陷理论的萌芽阶段，最主要的理论是“法线理论”及修正的“法线理论”，这些理论主要用来确定开采破坏范围，其中确定破坏极限角的方法一直沿用至今。

从十九世纪末Ｎ－－十世纪初，‘是理论发展的初期阶段。在这个阶段，欧洲工业大发展，使有用矿产的需求大幅增加，围绕矿区形成了许多大工业中心，从而使得沉陷理论研究逐渐深入，开始了开采地表下沉与变形规律的研究，形成了以布德雷克——克诺泰为代表的地表沉陷几何理论。

二十世纪开始到现在，是理论大发展的阶段，建立了许多系统的理论，从各个不同的角度出发，形成了多种地表移动与变形预计方法。按采用方法的基础，这些方法可分为：经验方法、分布函数法、理论模型法三大类。早期，人们根据当时所了解的有关岩层移动的知识还不能提出从采空区到地表整个岩体移动过程的统一理论，只能放弃创立岩层移动力学——数学模型的企图，而以实际经验、现场观测为基础来研究可直接用于工程的经验性的地表变形预计方５

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法。后来，随着矿山岩土工程实践的增多，矿山力学的发展，现代技术的应用，开采沉陷在多学科相互渗透中快速发展。其中最具代表性的是以阿维尔申及沙武斯托维奇为代表的连续介质理论；波兰学者李特威尼申（Ｊ．Ｌｉｔｗｉｎｉｓｙｎ）院士为代表的随机介质理论，他用严密的数学理论将岩体视为非连续介质提出了随机介质理论，卓有成效地促进了岩移研究工作的开展，后经我国学者刘宝琛、廖国华等发展完善而形成的【∞￣２”，是目前应用广泛且比较符合实际情况的方法。

文献【１８ｌ导出了地下开采后山地地表出现倾斜、曲率及水平变形的表达式；文献【１５】【１９】，对山区开采引起的地面下沉给出了数值计算方法，并利用计算机进行了工程计算分析；文献【１６１［”１采用ＦＵＺＺＹ测度理论对复杂条件下开采岩体变形问题进行了卓有成效的理论分析，它把导致岩体变形的诸因素都视为模糊因素，建立了开采岩体变形的数学模型。

１．２．３采空区处理的一般方法

地下采空区对工程的危害主要体现在两个方面：

①采空区顶扳大面积冒落，造成地下工程结构破坏和人员伤亡、地表沉陷和开裂，破坏地面环境，威胁地面人员和设施的安全。

②矿山开采过程中，采空区围岩受爆破震动等影响导致岩体裂隙发育，贯通地表或连通老窿积水，发生透水事故，淹没坑道和工作面，造成灾难性事故。

采空区是矿山生产的重大危险源，是矿山顶板大面积冒落的前提条件，需及时对形成的采空区进行安全处理。目前常用以下的处理方法：

（１）矿柱支撑法

留永久矿柱或构筑人工石柱处理空区，适用于缓倾斜薄至中厚以下用房柱法、全面法回采的矿体，其顶板相当稳固，地表允许冒落。但从长远来说，矿柱可能由于风化、侵蚀、剥蚀、片帮等作用而破坏，最终导致整个空区塌陷。

（２）充填法

用充填料充填空区，是从坑内外将废石或湿式等充填材料通过车辆运输或管道输送送入采空区，将采空区充填密实来消除采空区。分为干式充填采空区和湿式充填采空区两种。使用充填法，需复杂的充填系统，耗费大量人力、财力、物力，管理繁杂，在经过技术经济比较后，别无他法时，才选用充填法。

（３）封闭和隔离空区

主要措施有封闭空区与外界相通的巷道，设置隔离层将上部空区与下部作业区隔开，在密闭隔离的空区上部开通往地表的“天窗”，使空区冒落产生的冲６

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