特大采空区处理及监测方案设计研究_徐必根

Ch i na Sa fety Sc i ence Journa l

V o l.17N o.12

D ec.2007

特大采空区处理及监测方案设计研究*

徐必根1教授级高工王春来1,2唐绍辉1教授级高工罗骋1

(1长沙矿山研究院安全工程中心,长沙410012

2北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083)

学科分类与代码:620.5040中图分类号:X936,TD853.391文献标识码:A

=摘要> 分析国内采空区的现状及其处理的一般方法,针对广西北山矿业有限责任公司4#特大采空区具有体积大、形状不规则等特征,根据采空区现场调查情况和地表允许塌陷的特点,给出了采空区顶板条形药室大爆破崩落处理方案,为保障采空区综合治理工程在施工过程中的安全,制定了地压监测和位移监测方案。采用声发射、巷道收敛位移和岩体张开裂纹位移等监测技术手段,利用声发射仪、收敛位移计和游标卡尺等监测仪器,构建了系统的地压和位移监测网络,明确了监测内容、监测频率和预警制度。工程实际表明:该监测方案可以为条形药室施工、装药及爆破施工过程提供安全保障。

=关键词>采空区处理;地压监测;位移监测;监测网络;声发射;收敛位移S t udy on Large G oafM anage m ent and ItsM on itori ng Sche m e D esi gn XU B-i gen1,Prof.WANG Chun-lai1,2TANG Shao-hui1,Prof.LUO cheng1

(1C enter of Sa fety Engineeri n g,Changsha I nstit u te ofM ining Researc h,Changsha410012,China 2Schoo l o f C ivil&Env ironm en tEng i n eeri n g,Un i v ersity of Sc i e nce&Techno l o gy Be iji n g,

Be ijing100083,China)

Abstract:The status o f goaf and the general goafm anage m entm ethods in Ch i n a w ere first analyzed.A-i m i n g at the characteristics o f the4#m ine goafw ith lar ge volum e and irregular for m i n Beishan M ining Co. Ltd.of Guangx,i a banded cha m ber blasti n g treat m ent sche m e w as desi g ned according to the per m itted collapse of ground and the field i n vestigation o f the4#m i n e goa.f M eanwh ile,to ensure the constructi o n safety in goaf comprehensi v e treat m ent eng i n eering,the m on itoring sc he m e for ground pressure and dis-place m ent w as also planed.By use o f the m on itoring m ethods of acoustic e m ission,convergence displace-m ent o f t u nne l and crack open i n g disp lace m ent o f r ock m ass,a m onitori n g net w ork for ground pressure and displace m entw as estab lished w ith t h e help of the m onitori n g dev ices of the acoustic e m ission gage,conver-gence ind i c ator and vernier calipers.The m on itor i n g conten ts,m onitori n g frequency and the pre-w ar n i n g syste m w ere defined.Eng i n eeri n g practice sho w s that th ism on itoring sche m e can prov i d e safeguar ds f o r the constr uction o f the banded cha m ber,the load i n g of explosi v es and the blasting.

K ey words:goafm anage m en;t ground pressure m on itoring;disp lace m entm onitori n g;

monitori n g net w ork;acoustic e m ission;conver gence disp lace m ent

0引言

矿产资源是人类文明进步、国民经济发展和科学技术的基础。人口、资源、环境和灾害是社会经济发展的4个基本因素,也是关系人类生存与发展的4大基本问题。经过50多年的努力,我国已成

*文章编号:1003-3033(2007)12-0147-05;收稿日期:2007-08-30;修稿日期:2007-11-30为世界采矿大国,目前已有非煤矿山11万多座。我国地下矿山多是以房柱法、全面法、留矿法等空场法为开采主要形式,每年将形成数百万立方的采空区。除了露天开采和地下崩落法、充填法之外,绝大多数采空区均未进行有效的处理,且未给予足够的重视,当采空区面积、体积达到一定规模时,可能诱发大规模突然冒落等地压灾害,造成人员和财产的重大损失[1)4]。然而,近几年来,我国由于采空区未能及时处理而引起的矿山安全生产形势十分严峻。

国内外一些厚大矿体金属矿山的空区体积达数万立方米至数十万立方米,不少矿山矿区相继从局部突然崩落发展到大范围的突然崩落并引起地表大范围的岩移,有的造成了较严重的破坏,有的仍然威胁矿山的安全生产。根据矿区处理的特征,采空区处理主要有以下3种方法:

1)充填处理采空区。充填处理空区可以减弱岩石和地表移动的幅度,并减缓上述移动的发生和发展过程,防止大面积的地质活动,并有助于解决矿山尾矿和采掘废石的堆放问题。我国的锡矿山锑矿、红透山铜矿以及江西等地的一些钨矿均成功地采用充填处理采空区。

2)崩落围岩处理采空区。其实质是用崩落围岩充填采空区或形成缓冲岩石垫层,以控制矿山压力,转移和减弱应力集中,防止围岩大面积突然崩落产生冲击波对生产区巷道、设备和人身的危害。我国的铜官山铜矿、狮子山铜矿、柿竹园矿均采用此方法处理采空区。

3)采用永久性矿柱来支撑空区顶板。该法具有技术简单、空区处理费用低的特点,在金属非金属矿山应用较为普遍,在条件适合的矿山,正确选留矿柱,可以保持空区顶板长时间的稳定,保证回采作业的安全。

但是,在采空区处理过程中大多数矿山并未对采空区治理工程中的施工过程进行有效监测,不能保证采空区综合治理过程中安全。

广西北山矿业发展有限责任公司4#采空区对其下部(230m标高以下)517万吨保有储量的安全回采构成严重威胁,1999年被广西壮族自治区列为/特大事故隐患区0,并被生产监督管理总局列为/特大安全事故隐患区0。为了使矿山持续、稳定、安全地回收矿产资源,特别是针对规模较大的采空区,对采空区进行了探查、稳定性评价和空区处理进行研究,并对采空区综合治理过程应用声发射监测、位移监测等技术手段,制定出技术上可行、经济上合理的采空区治理方案,以确保采空区综合治理工程施工过程中的安全,通过监控量测实现了信息化施工,对国内类似矿山的采空区处理具有一定的借鉴意义,同时为我国采空区隐患治理提供了宝贵的经验。

14#采空区分布特点

广西北山矿业发展有限责任公司4#采空区范围内的矿体,于1995年由多家民采开始边探边采,形成长240m,宽50~120m,平均宽60m,高20~ 60m,平均高30m的地下采空区。采空区面积14800m2,地下采空区与其下方未开采矿体重叠部分需进行处理的空区面积13000m2,需处理的空区体积为390000m3。

4#采空区综合治理工程范围是从210m水平至295m水平,该采空区的主要特点是:采空区形状不规则,并且分布范围广,高差大;采空区顶板从295m 水平至265m水平,而底板从210m水平至230m水平。采空区跨度大;长约240m,宽度约50~120m,高从30~80m。采空区中留设的永久矿柱大小不一。顶板岩体稳定性较好,在长度方向处于东高西低,南北向剖面顶板较平直。另外,采空区上部地表无建(构)筑物,地表允许塌陷。

2采空区处理方法概述及选择

目前,国内外处理采空区的方法主要是:封闭、崩落、加固和充填4大类。有时采用两类方法联合处理,如崩落法和充填法联合等;有时由同一类方法衍生出一系列子类方法,如崩落法可分为自然崩落法和强制崩落法。由于采空区所处位置、形态特征、规模各异,在对其处理过程中,针对各自的特征,分别采用相应的处理方法[5)6]。

2.1隔绝封闭法

该方法适用条件为:采空区相对、跨度下、围岩较稳固、不会诱发大规模地压活动的小采空区。主要目的是防止采空区围岩坍塌产生的冲击波伤人。隔绝封闭法处理采空区是在通往采空区的巷道中,砌筑一定厚度的隔离墙,阻隔由采空区中围岩垮落所产生的冲击波、冲击气浪及飞石。其优点是施工简单、经济费用低,但要求在采空区处理前,对采空区进行详细的调查,以便对采空区进行全面封闭。

# 148 #中全科学学报

Chi na Safety Sc ience Journal

第17卷

2007年2.2加固法

留永久矿柱或构筑人工石柱处理采空区。它的适用条件为:缓倾薄至中厚以下矿体,用房柱法、全面法回采,顶板相当稳固,地表允许冒落的矿山。加固法是采用锚索或锚杆对采空区进行局部加固,这是一种临时措施,其通常要与其他方法联合使用。

2.3充填法

该方法适用条件为:采空区上部有构筑物,由于地表绝对不允许大面积塌陷。因此,崩落空区的方法不可行,要消除隐患,比较合理可行的方法是充填法。充填法是采用充填材料对采空区进行充填处理,使充填体与围岩共同作用,以改变围岩应力分布状态,达到有效控制地压和防止地表塌陷等目的。

其优点是对相邻矿体的开采工作影响小,能保证采场回采过程中矿石损失和最低贫化。

其不足之处是,需要大量的充填料,处理劳动强度大,施工费用比较高。

其方法是从坑内外通过车辆运输或管道输送废石或湿式充填材料送入采空区将采空区充填密实得以消除采空区。它分为干式充填采空区和湿式充填采空区两种。

2.4爆破崩落法

崩落法是采用爆破崩落采空区上盘围岩,使岩石充满采空区或形成缓冲垫层,以改变围岩应力分布状态,达到有效控制地压的目的。该方法适用的条件为地表允许崩落或岩移。优点是处理费用较低,但必须防止其对下部采场生产的影响。

对于离地下采场较近的采空区,通常是采用爆破崩落与下部巷道隔离封闭相结合的处理方法。另外,应根据采空区的实际情况选用合适的爆破方案。

根据4#采空区的分布特征和采用处理方法的适用条件,处理方法采用条形药室大爆破崩落法[7]。为保障施工、装药过程中的安全,进行了合理设计和制定4#采空区综合治理工程施工过程中的监测方案,开展了以多种监测手段、保障施工安全为目的的监测工作。

为消除4#采空区下部的保有储量矿段的作业安全隐患,需采用投资省、见效快的空区处理措施,保证作业人员和设备的安全,必须对空区进行处理,并使其具有回收下部资源时工程所需安全厚度的垫层,有利于安全回收4#采空区下部资源。根据上述处理空区的条件,并结合4#采空区分布特点,地表允许崩落,顶板崩落后,可形成一定厚度的缓冲垫层,满足空区处理后开采下部资源的安全要求。适合的空区处理方法为爆破崩落法。

34#采空区处理方案选择

爆破崩落法可有两种方案进行选择[7)9]:

1)在空区顶板上方开挖条形药室大爆破方案(方案Ñ);在4号采空区上方距顶板20m左右开挖联络巷道和条形药室,联络平巷及横巷长287.7m,断面高1.8m,宽1.3m;条形药室长446.3m,断面高1.7m,宽1.3m;总掘进量16.6m3;硝铵炸药8.208,t铵油炸药165.858,t可比投资95.22万元。该方案的优点是导硐工程量小、施工简单、管理方便、见效快,导硐施工周期短(4个月)。缺点是需采取仪器监测等综合安全措施,以确保导硐开挖的安全。

2)扇形深孔大爆破方案(方案Ò):在4#采空区周边上方开挖凿岩天井,采用YQ-100钻机,孔径100mm,孔深50m,最小抵抗线3m,每层需开挖7个凿岩硐室,共5层。需开挖凿岩天井长度272m,天井断面长2m,宽1.8m;平巷总长29m,断面为1.8m@1.8m;横巷总长105m,断面为2m@ 2m;凿岩硐室长3m,宽3m,高2.4m,总掘进量为2368m3,扇形深孔17565m。硝铵炸药146.6,t可比投资155.12万元。

该方案的优点是:操作人员在凿岩硐室内作业,安全可靠。缺点是:导硐工程量及钻孔工程量大,需专用凿岩设备,钻孔困难,且效率较低;钻孔爆破受空区顶板变穆给美矛盾化影响大;施工周期长(7个月),装药联线工作量大;管理复杂,施工要求高。

综合上述技术经济比较,以技术合理可行,施工工期短,投资省为原则,确定采用条形药室大爆破方案来处理4#采空区,即在4#采空区上方距顶板20m 左右开挖条形药室,一次起爆,选择方案1。

44#采空区处理地压监测方案

4.1监测的目的和意义

监测设计的目的必须根据工程条件明确地确定。一般情况下,岩土工程安全监测设计均以工程安全施工和安全运行为主要目的。4#采空区综合治理现场施工安全监测的主要目的是:及时为4#采空区顶板大爆破条形药室施工提供安全信息,确保施工过程中人员和设备的安全,必须通过监控量测实

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第12期徐必根等:特大采空区处理及监测方案设计研究现信息化施工。通过超前预报和监控量测可以达到如下目的:

1)掌握围岩地压发展动态,对施工有影响的顶板冒顶、巷道片帮地压活动等情况,提前报警,以便安全施工。

2)对药室巷道施工存在安全隐患的地段,及时变更设计和施工方案。

4.2监测主要内容和监测网布置

为及时分析现场施工过程中采空区顶板的稳定程度,保证施工安全,提高施工效率,进行如下几项监测工作:

1)声发射监测:采用长沙矿山研究院研制的DYF-2型便携式声发射监测仪实施监测,根据声发射参量的变化,判断岩体破坏趋势,评价采空区顶板岩体的稳定性,预报危险破坏的来临,为安全施工提供可靠的信息[10)11]。

2)位移监测:在施工的条形药室布置收敛位移监测测点;根据条形药室的断面大小,沿条形药室的边墙部位分别埋设测点挂钩。埋放前先用小型钻机在待测部位成孔,然后将测点挂钩放入,用快凝水泥固定,测点挂钩需设保护罩。采用钢尺式周边收敛仪量测沿条形药室轴向方向的变形。

3)巷道围岩开裂监测:在4#采空区上方出现开裂的巷道围岩中布置裂缝监测点,用游标卡尺观测裂缝发展情况。

4)在加强现场地压监测的同时,加强对现场地压活动变化和发展情况的现场检查,仪器监测和人员巡检相结合。

监测网络设计及现场布置如图1、图2

所示。

图1

采空区处理监测网络设计框架

图2监测网布置

4.3监测频率

该次施工安全监测的测量频率见下表,每个测点测取读数的频率不少于基本工作量的要求,在监测过程中将根据监测情况和地压发展状况调整,以确保施工安全。

现场地压监测量测频率

序号项目名称方法及工具布置位置量测间隔时间备注

1声发射量测DYF-2声发射仪

4#采空区矿柱、周边岩体及开

挖后的条形药室

每两天一次

2周边位移周边收敛计

每20~50m一个断面,每断面

2~6对测点

每两天一次

3岩体开裂游标卡尺岩体出现开裂缝处每两天一次

4宏观地压活动目测整个4#采空区每次下井监测的同时观测

4.4预警值及预警制度

预警值由监测方会同矿方等根据施工实际情况确定。各量测值的监测时严格按预警值分两个阶段报警:

1)当监测值超过预警值的80%时,在日报表中注明,以引起有关各方注意。

2)当监测值达到预警值时,除在日报表中注明外,专门出文通知有关各方。

通过制定详细的地压监测方案和布置的监测网络,可以有效地为4#采空区施工和装药过程提供安全保障,起到提前预报、提前采取措施、提早控制地

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2007年

压的作用。5 结 论

通过特大采空区的现场调查、综合治理工程方案及监测方案的确定,得出如下结论:

1)对4#

采空区全面现场调查,充分掌握了采空区的几何形态分布特征、尺寸结构参数,便于制定采空区综合治理过程中的监测方案。

2)叙述了采空区处理方法,根据采空区分布特

征进行了综合治理过程监测方案设计,制定了详细的采空区综合治理工程中的施工过程地压监测和位移监测方案,并对方案进行了位移监测和声发射监测为技术手段的监测网络设计。

3)通过监控量测实现了信息化施工,为4#

采空区综合治理工程提供了安全保障,确保了施工过程中人员和设备的安全。从监测情况和现场实际情况比对,监测网络起到了十分重要的作用。

参考文献

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151#第12期 徐必根等:特大采空区处理及监测方案设计研究

夏立明天津理工大学管理学

院教授,技术经济硕士研究生导

师。项目管理硕士学位。天津市

人,1960年5月生,1982年毕业于

北京科技大学(原北京钢铁学院)

金相专业,毕业后从事教学与研究

工作,2004年取得教授职称,研究方向为项目管理与方法。主持、参与/京沪高速公路(天津段)建设项目评价研究0、/公路定额管理系统研究0、/城市污水垃圾处理系统市场化机制研究0等省部级和横向科研课题10余项。在5水利水电技术6、5财经问题研究6、5天津师范大学学报(社会科学版)6等核心刊物上发表论文10余篇,主编教材和执业资格考试辅导教材5部,获教育部教学成果二等奖1项。

朱云工学博士,1972年10月

生,2001年7月毕业于华南理工大

学,并获博士学位。毕业后在广州

城市信息研究所有限公司任部门

经理5年,后调入华南理工大学环

境科学与工程学院从事科研与教

学工作至今。专任教师编制,工程师职称,被学校聘为先上岗副教授,主要研究方向为环境模拟与环境信息系统。曾负责省、市、区项目10项,以及中美合作项目1项。获得软件著作权3个,先后在核心期刊上发表论文19篇。

刘军农业大学机械交通

学院硕士研究生。党员,汉

族,1982年7月生。2005年7月毕

业于武汉理工大学计算机科学与

技术专业,获工学学士学位;

2005年9月考入农业大学,攻

读硕士学位,师从艾力.斯木吐拉教授,主要研究方向为计算机软件开发及研究。参与国家自然科学基金项目1项,发表学术论文多篇。

徐必根教授级高工,硕士生导

师。现任长沙矿山研究院院长助

理,生产监督管理总局金

属非金属矿山安全工程技术研究

中心主任,国家安监总局边坡、尾

矿坝(库)稳定性监测技术实验室

主任,第四届生产专家,湖南省非煤矿山安全生产技术专家组副组长。湖南岳阳人,1962年生。1984年毕业于中南大学(原中南矿冶学院)采矿工程专业。主要从事非煤矿山开采工艺与安全、地压监测与治理等研究工作,主持或参与完成了国家和省部级重点科研项目11项,获省部级科技进步奖4项。在5岩土力学6、5矿业研究与开发6等中文核心期刊上发表论文10多篇,指导完成的硕士论文获2006年度省级优秀论文。

田新利硕士研究生,工程师,大

唐国际发电股份有限公司安全管理

高级主管。获国家注册安全工程师

和注册安全评价师资格。山西运城

人,1972年6月生。1998年毕业于

首都经济贸易大学安全工程专业。

先后在大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂、大唐国际发电股份有限公司从事电厂安全监督管理工作。通过近10年的实践,积累了较丰富的经验,具备了较强的管理能力。

杨静硕士研究生,1983年

3月生,2005年毕业于武汉科技大

学(原武汉钢铁学院)安全工程专

业,获学士学位。同年继续在该校

攻读安全工程硕士学位,研究方向

为大气污染控制。在校期间,曾参

与武汉钢铁公司高炉返矿改造设计项目,并负责其中部分除尘罩的改造设计。2006年9月至今,一直在进行静电场中射流破裂荷电液滴脱硫机理与实验研究。

张鹏西南石油大学建筑工程

学院副院长,教授,博士生导师,国

际计算力学协会(I A C M)会员,国际

石油工程师协会(SPE)会员,中国

灾害防御协会风险分析专业委员会

委员,四川省机械工程学会机械强

度专业委员会主任委员和青年分会副理事长,5机械6杂志编委。19年1月生,1997年博士毕业于哈尔滨建筑大学,2000年在哈尔滨工业大学力学博士后流动站完成博士后研究工作,主要研究方向为工程结构与系统安全性评价,油气管道风险评价、剩余强度评价和剩余寿命预测,土木工程全系统全寿命优化设计和可靠性分析等。目前负责国家自然科学基金、国家社会科学基金、国家/十一五0科技支撑计划、高校博士点专项科研基金、教育部优秀青年教师资助计划、油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金、中国石油科技风险创新研究基金等项目。曾获中国科技发展基金会优秀青年科技奖、高校自然科学二等奖1项、中国人民科技进步三等奖2项。发表论文225篇,合作出版专著5部。

李剑峰博士研究生。1979年

2月生,2004年3月获得福州大学

安全工程专业硕士学位后进入福

建省劳动保护科学研究所从事安

全评价及科研工作。2005年考入

南开大学环境科学与工程学院城

市公共安全研究中心,攻读博士学位。先后参加福建省自然科学基金项目、国家自然科学基金项目、/十五0国家科技攻关计划滚动课题和/十一五0国家科技支撑计划课题。发表论文30余篇,其中2篇被I STP收录,2篇被E I 收录。

崔嵛硕士研究生。山东省

淄博市人,1981年9月生。2004年

毕业于青岛理工大学建筑环境与

设备工程专业,获工学学士学位,

现于该校环境与市政工程学院攻

读硕士学位,师从董华教授,主要

研究方向为火灾安全与性能化防火设计。曾参与国家/十五0科技攻关项目/城市公共安全综合试点(青岛)0的研究,并参加相关软件的部分开发工作。

谭迎新中北大学化工与环境学

院副院长,博士,教授,博士生导师,

主要研究方向为安全技术及工程、

武器系统与运用工程。19年3月

生。主持和参与科研项目20余项,

有7项研究成果获得国家级、省部

级奖励。2001年荣获/第七届中国青年科技奖0,享受津贴,2002年荣获山西省青年科技奖,2004年入选首届/国家百千万人才工程0,2005年赴加拿大作访问学者1年,2007年获得山西省/三八0红旗手荣誉称号。

陈鹏工学博士,中国矿业大学

(北京)讲师。安徽淮南市人,

1971年10月生。1996年毕业于中

国矿业大学,获学士学位;2006年毕

业于中国科学技术大学,获工学博

士学位,主要从事瓦斯煤尘爆炸与

突变规律、煤自燃机理及其防治和安全管理工程等方面的教学、科研工作。参与国家重点基础研究发展规划项目、国家自然科学基金重点项目等多项国家级课题,主持教育部博士点专项基金新教师项目、国家重点实验室开放基金及校教学改革项目。在/Journal of Fire Sc iences0、5中国科学技术大学学报6等期刊上和国际学术会议ISSST、I A SPEP上以第一作者身份发表论文10多篇。

王春来博士研究生,河北唐山

人,1976年9月生。2001年7月于

河北理工大学获采矿工程学士学

位,2004年于长沙矿山研究院获采

矿工程硕士学位,2007年于北京科

技大学攻读博士学位,主要从事矿

山安全、微震监测及支护材料等方面的研究。参与完成国家/十五0重点科技攻关项目子课题、国家科技部社会公益项目、省部级重点攻关项目、横向安全评价及专项论证项目等数十项科研课题,主持完成多项横向科研、专项论证项目,主持在研国家/十一五0科技支撑计划子课题1项。2006年荣获湖南省优秀硕士学位论文。在中文核心期刊5岩土力学6、5矿业研究与开发6及学术会议上等发表论文10余篇,其中1篇被评为湖南省第十一届自然科学三等奖优秀学术论文。