地下盲空区坍塌范围与地表稳定性研究

摘要：根据作者矿山技术实践经验，对盲矿体开采的地下采空区破坏引发地表坍塌开裂范围划定的传统理论规定的破坏范围由根部起算，按破坏角度推至地表的说法与做法提出不同看法。用事实依据和理论分析提出了“安全厚度保护层”功能的新见解，给出了该见解扫描下盲空区的通常破坏形式与技术对策，介绍了该对策应用的矿山新成果。

关键词：地表保护，盲空区，安全厚度，岩体隔层，破坏角度，圈定范围，根部起算，采矿方法，空区处理

1、传统做法存在的问题

讨论前提：地下盲采空区是赋存于地下的采空场，其存在前提是顶板与地表之间存在一定厚度与强度的原岩体隔层，隔层厚度称“安全厚度”。若安全厚度存在，则盲空区存在，若安全厚度破坏，即地表发生陷落或裂缝等变形。别转化为开放式的地下连通地表形式空区赋存。

讨论意义：盲空区破坏涉及地表岩移破坏变形具有时间上的滞后性，发生机理与现象的潜伏性和未知性，地表稳定的假象性，因此具有发生潜伏重大灾害的可能性很大，所有研究盲空区破坏规律具有重要意义。

对传统做法的质疑：独立的、连续的、半连续的岩体破坏道涉及地表陷落，错动的范围圈定。迄今以来学术界和工程技术界仍按传统方法实施，即由根部空区外围之突出部位，按陷落角或错动角上推直达地表。笔者经数十年实践及大量矿山资料考证结果表明，传统做法颇具粗糙，亦很大程度上不符实际，理论上说法也欠精准，有待商榷。

2、浅部空区邦壁破坏规律

实验室模拟实验表明有如下规律：当盲空区邦壁，（含走向端部）由根部起按破坏角向上发展时，至上部隔层即终止。当隔层开始由下而上破坏时，邦壁破坏随之陆续上延，当隔层完全破坏时，邦壁破坏范围达到最大值，此时陷落角或错动角才达到矿区常用值，符合明空区破坏规律，即传统法做法。

这就是说，当“安全厚度”层完好存在时，盲空区邦壁陷落角小、错动角小、破坏范围小，与传统法差距巨大，只有安全层逐渐破坏乃至完全破坏后，陷落角或错动角才逐渐或完全贴近传统做法，但此时空区性质已发生变化，所以说，盲空区顶部存在完全隔层（即顶柱）条件下，传统的圈定做法是不可取。

关于破坏角的取值问题，由必要明确一下，因为取值不准，判断失误，结果相反。

制约陷落角或错动角大小的因素很多，主要的由矿区原岩主应力或分力的方向与大小，岩体物理力学特性值大小及结构面发育程度，自然界条件影响，采掘扰动影响，采矿方法与空区处理影响等各矿具体情况都不相同，因此按书本上查表确定或用类铜矿山实例类比确定都具有不精准性，得出结论可靠性差。

破坏角度应采用矿区实际发生的最终参数。因为空场边邦破坏是逐渐产生的，它有一个发生发展的过程，必须是破坏停止后趋于稳定时的参数才有采用价值，一般地说，经观测破坏停止后稳定时间为十年。

3、地表构成保安矿柱划分是

按传统法原理，若地表某重要构筑的需要保护设计保安矿柱，做法是构筑物外缘各划出15-20米安全距离后向下按岩移角（不同岩层角度不同）直圈至矿体根部，这在理论上或实践中都难以说通。

一是：传统法的保安矿柱在浅部开采中成立，在深部开采中就失去了意义。比如说。某地表构筑物座落在下矿体上，为保构筑物稳定开采空区上缘与构筑物基础之间留20米厚原岩安全厚度层即已足够。事实上，几十层高楼层建筑地基厚度也就是在原岩层中钻十米深孔后下钢筋浇灌混凝土作地基，矿山构筑设施以井塔为例总不会壁高层建筑压力大，所以说地表保护建筑物的保安矿柱只要近地表部分留去足够安全厚度九足够了，安全厚度层下的矿量是可以开采的，也就是说保安矿柱由地表一直划到地下矿体根部的做法与说法是不稳妥的。

笔者见辽宁新宾振兴铜矿建设的日处理量5000吨的选矿场，安全座落在地表露头矿体上，延深方向斜长400米，按传统法埋深数百米的矿体场在保护范围内不能开采。事实上矿山只保留近地表20米厚安全层，其下正常开采十年观测结果并未见选矿场地基由失稳现象。

二是：矿山生产实际绝大多数不遵循“由下而上，由远而近”的原则，多是“以矿养矿”。即挖出矿石卖掉，资金回笼后再向深部或远处开拓建设。所以传统法的由矿体根部划起的说法、做法在现实中无法实现，其指导意义很值得商榷。

当然地表构筑物保护的安全隔离层必须是确保稳定可靠的前提下才可以不留保护矿壁。

4、深部赋存盲空区邦壁破坏规律

4.1 深部空区邦壁侧向应力

开采深度超过500m被认为进入深部开采。

实验室模拟结果空区边邦活动有如下规律：

深部开采空区破坏规律与浅部空区有明显不同。浅部空区邦壁破坏是从根部开始，按陷落角（错动角）向上发展至安全隔层（顶柱）而暂时终止，如果隔层在破坏，邦壁破坏也相应的再发展，如果隔层完好存在，邦壁破坏则终止。

深部空区由于赋存深度大，邦壁破坏范围小，这是由于工程周围岩体的夹制所决定的。夹制性大小与垂直应力的大小有关，而垂直应力大小与深度成正比（即δ=rH式，式中δ为正应力，r为岩石容重，H为埋藏深度），所以工程埋藏深度愈大，夹制力，邦壁破坏范围愈小。

从岩体力学理论计算角度出发，工程邦壁破坏在同等岩石条件下侧向压力大小是主导因素，而侧压力大小与工程埋藏深度大小成反比关系，见式1、式2。

深部地压测压计算式（式1）：

P1=rh×tan2（45°-φ/2）                       ……1

浅部地压测压计算式（式2）：

P2=rH1× tan2（45°-φ/2）                     ……2

式1式2中：P1 — 深部地压；

P2 — 浅部地压

φ — 岩内摩擦角

r  — 岩石容重

h  — 承压拱高

H1 — 工程埋藏深度

对式1、式2的分析：

两式中岩石条件相同（r、φ相同），因h＜H1，所以P1＜P2，即深部侧应力大大小于浅部侧应力，

其中，h=（β/2+Htan（45°-φ/2））/f

式中：H为巷道高度，β为巷道宽度，f为硬度系数。

4.2 小结：工程邦壁破坏主要受测压影响，测压大小与工程埋藏深度成反比关系。深部空区在开放式的联通地表条件下，下部为筒状赋存，上部为喇叭状赋存。（如红透山矿）；深部空区在封闭式的盲空区条件下，下部成筒状，上部成半喇叭状但破坏范围至隔层而终止（本溪大北山铁矿）、总之盲空区邦壁破坏范围由根部直圈道地表的做法是不可取的。

4.3深部空区邦壁破坏规律的指导意义

根据邦壁破坏发展到顶部隔层（顶柱）而终止这一规律，为减小上部破坏范围，可在空区适当深度部位设量人工隔离层或留原岩矿柱。如红透山矿空区延深1000余米，在距地表300余米深处构量60米厚的人工胶结隔层，有效地制止了空区边邦破坏范围扩大，保证了引导开采稳定性。

抚顺某铁矿为保证地表安全除加厚隔层外，地下开采采用了小矿房大矿壁开采方式，本溪一些矿山对空场法空区实施了废石充填，对地表保护都取得了满意效果。

5、盲空区破坏与地表变形的通常形式与技术对策

十年以前此题不大受人重视，这主要与社会发展形势有关。今天国家相关法规已经出台，明确指出井下矿山不得发生地表塌陷、裂缝、变形等破坏形式，因此矿山行业如何从技术手段上相应地配合实施问题提到了工作日程。

盲空区破坏不涉及地表的类型也存在，从大多数矿山的情况可总结出如下规律：

急倾、缓倾、水平状赋存跨度不大，体积有限的空区，只要与地表间留出足够的安全隔层，空区可不作处理，具体制度标准是，根据空区体积，考虑岩石松散系数，圈出充满空区可能发生的围岩塌陷范围，在圈定范围外再留出20米的安全带，安全带以外即为安全范围，该安全范围是涵盖空间各个方向的，当然向上的方向就是安全层，安全层自身位于安全范围中，故其厚度取值20米确保地表稳定是可靠的。

对于跨度大于5-10米的空区，因松散废石充填体随时间延长而被压缩并引发边邦再破坏最终导致隔层再次破坏的可能性很大，故需适当加厚安全隔层；跨度大于10米的空区还要做它法处理，例如空区采用充填或半充填方式制止围岩破坏，缩小岩移范围，以保证上部安全隔层的稳定性。

6、合理的采矿方法和空区处理方式是地表稳定的根本保证

理论计标，案例类比，经验估测都有其局限性，只有合理的采矿方法，良好的充填方式才是取得保证地下、地上安全并获得良好的经济效益和社会效益的根本保证。

据现场考察，辽宁恒仁铅矿和宽甸县一些矿山，为解决地表废石和尾矿砂堆放场地问题，建设了不同型式的充填系统，多年实践后才控制岩层移动保证地表安全起到了明显效果。

辽宁本溪大北地铁矿的地下采矿方法，空区处理、地表保护综合方案被同行称为盲矿体开采应对负责岩体条件下的优秀作品，由一定参考借鉴意义。

该矿山地质储量近千万吨，系中品位磁铁矿，盲矿体矿岩破碎，节理发育，力学指标低，开采安全性差。地表有公路、水库、尾矿砂库需要保护。

综合方案：

保护地表尾矿库、公路、小型水库，安全厚度隔层取20m。借用原巷道开凿一开下废石含10万m³与地表废石场用数个废石井相通。地表废石场系原露采的排矸场，废石源充足。井下废石会与井下空场相通。

采矿方法为中深孔凿岩的小分段法。矿石随采随出，废石随时充填，实质即覆盖岩下出矿。

矿块布量：中段高40m，分段12m，无顶、底柱，沿走向布矿块，矿块垂直走向设置，长60m，宽15m。分段中设凿岩巷道。立切割槽设于上盘。扇形中深孔崩矿后覆盖岩下放矿。实践表明有集采矿、出矿、充填于一体的优越性，成本低，产量高，工艺简单，安全性好，对地表保护有良好效果。

结语：根据国家现行的矿山生产安全环保的法律法规要求，结合矿山几十年来的好经验、好做法修改和完善并建立符合现场实际情况的地下开采与地表岩体移动的新理论，新规程，推动矿业向前发展是近在眉睫的任务。