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一、工程地质概况及回采后陷落影响

克什克腾旗鑫宇矿业有限责任公司哈达吐矿区银铜铅锌矿根据岩石抗压强度原岩组岩石为半坚硬岩石，顶、底板岩石比较稳定。

1、矿体赋存于二迭系大石寨组地层内，地表局部地段岩石风化裂隙节理发育，岩石呈松散状或碎块状，其稳定性一般，力学性质属不稳定层为 5～10m，随着深度增加，岩石趋于完整，渐趋稳定，为半坚硬岩石，但由于围岩蚀变较强，矿体顶底板岩石力学性质降低，稳定性相对较低，易大面积冒顶片帮及整体沉降，安全性降低，采矿时应注意安全。

2、根据矿体产状，形态及赋存状态，矿脉薄且倾角较陡，采矿方法采用浅孔留矿法，对地压进行加强管理，对围岩蚀变较软弱区应进行支护，一般采用坑木支护，边采边支护。

该矿井所开采的 10 号矿体呈脉状赋存于北东向凝灰质砂岩、凝灰质板岩、硅卡岩与花岗斑岩的接触带附近，走向 53°,倾向 143°，倾角 65～66°，赋矿岩石为绿帘石透辉石硅卡岩。厚度 2.86～4.91m，平均 3.46m。矿体两侧围岩为凝灰质砂岩、凝灰质板岩、花岗斑岩。

根据矿区内矿体的赋存条件及开采技术条件，依据充分利用矿产资源和保证采矿作业安全的原则，综合考量后最终确定的采矿方法为无底柱浅孔留矿法（嗣后废石充填）。

嗣后充填采矿法通过采用不同的技术手段，如正交试验设计方法，来研究不同矿房、矿柱尺寸、充填时间的及时性以及充填体不同沉降率时，围岩及地表的应力应变显现规律。这些研究结果表明，顶板拉应力值的大小不仅与采场跨度有关，还与矿柱尺寸、充填时间的及时性、充填体是否接顶及沉降率密切相关。

二、采场顶柱、底柱陷落的沉降机理分析

采场顶柱沉降、陷落机理‌主要涉及到采场空间的围岩（特别是顶板）在受到自重和上覆岩层的作用下发生的变形现象。这种变形是采场矿山压力显现的重要形式之一，是反映顶板状态好坏的客观标志。具体来说，采场顶柱沉降的机理包括以下几个方面：

1. 地质构造弱面造成冒落、沉降和陷落 　　

由于地质构造因素,矿岩层在形成的中后期地质变化形成的弱面,对采场顶柱稳定性有很大影响。构造弱面使顶板组合结构、岩性发生变化,有的弱面破坏顶柱完整性,导致顶板强度降低,造成冒落。如层理、裂隙等构造发育时,小规模冒落、沉降较频繁,极端情况下采场顶柱会大面积冒落、陷落。

由此形成的层理弱面,使采场顶柱组合结构发生变化,其对岩体的破坏主要表现为岩石容易沿层理出现离层裂隙,使岩层与母体分离,造成采场顶柱岩体强度降低,失去稳定性而离层沉降、陷落,而且水平层理比斜交波状层理采场顶柱稳定性差;层理面平整光滑较粗糙不平的采场顶柱稳定性差;岩石抗压强度相同时,岩层厚度越小的层理弱面，采场顶柱越易失稳。裂隙形成的弱面,对采场顶柱稳定影响也较明显。虽然采场顶柱结构 、岩性都没有改变 , 但采场顶柱完整性受到破坏，强度与稳定性大大降低。节理裂隙形成的弱面尤其突出,在节理裂隙发育地带,采场顶柱抗压强度较低,受压后极易破碎,若采取措施不当不当,则会引起沉降、陷落。

2. 应力集中造成冒落、沉降和陷落：

井工矿山井下采场回采前,该区域的原岩应力处于自然平衡状态;回采后,该区域的原岩自然平衡状态被扰动,使一定范围内的原岩应力状态发生变化,产生应力重分布。随着回采高度的推进, 每步回采都会使原岩应力改变其原有的分布状态而产生新应力场,其结果累积在采场顶柱中产生应力集中。

根据“自然平衡拱学说”,回采空间形成后,由于应力集中,采场顶板冒落拱范围内岩体的力系将失去原有平衡,顶柱岩层必然出现弯曲、下沉,采场中央部位出现拉应力。当拉应力超过岩石抗拉强度时,顶柱岩层将产生拉裂缝,加上时间效应,拉裂缝延伸扩大导致采场顶柱沉降、陷落。 　　

3. 能量释放造成冒落、沉降和陷落：

在强大的自重应力和构造应力作用下,矿岩体的体积和形状均会发生变化,从而产生了弹性变形能聚积。俄国学者阿维尔申教授认为,矿岩体内的弹性变形能是由体积变化产生的体变弹性能 U v、形状变化产生的形变弹性能 U f 和采场顶柱弯曲下沉产生弯弹性能 U w 组成,能量的聚积是随采深、采空区面积,即悬顶长度、高度的增加而增大。当围岩中的能量积聚到足够大时,所产生的应力超过了顶板矿岩体本身强度,则弹性变形能突然释放,使矿岩体猛烈破坏,或产生矿岩的弹射和突出等冲击矿压现象,在工作面或巷道中造成灾害。 　　　

4. “关键块体”冒落造成沉降、陷落：

半坚硬地层中,岩体被结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体。在自然状态下,这些空间块体处于静力平衡状态。矿体回采后,块体失去了原有的支承,使得临空面上的某些块体首先失去平衡,沿着结构面滑移、失稳。我们称之为 “关键块体”。

 “关键块体”是采场顶柱的薄弱环节,也是保持采场顶柱整体稳定性的关键部分。当采场顶柱某“关键块体”冒滑后,相邻块体得到了释放的机会,引起连锁反应产生一系列的冒滑,最终导致采场顶柱冒落、沉降、陷落。 　　

   3.5 地下水造成冒落：当矿体围岩大部分为可溶性岩体时,受构造裂隙水和井下充填富余水的影响,围岩的物理力学性能减弱，导致采场顶柱矿岩体的相互作用力下降（摩擦力减小）,造成采场顶柱冒落、沉降、陷落。

5. 施工过程中人为影响因素的沉降：

在工作面回采结束后，对采空区要及时进行充填处理，处理方法包括：胶结充填法、膏体充填法、矸石充填法等。这些方法旨在处理采空区，以维护采场空间的稳定性和安全性。但是在现实的生产经营单位为了节约充填陈本，往往会回采后不进行采空区充填或只是充填一部分空区，导致数量多、面积大的采空区始终在无沉降监测、无防控措施的高风险态势下存在。随着周期压的扰动、地质条件影响等因素的影响，采场顶柱则会很大概率的出现沉降、陷落。

综上所述，采场顶柱沉降、陷落机理涉及自然因素、社会因素、工程地质因素和人为因素的多重影响作用，以及采场空间处理方法、时间的实施，这些因素共同作用导致采场顶柱变形、冒落、沉降和陷落现象的发生。采场顶柱沉降、陷落事故不仅会造成生产无法正常进行 , 更严重的是直接危及到作业人员的安全。因此,系统全面地研究分析采场顶柱沉降、陷落机理,提出地压监测及防控措施,对防止采场顶顶柱冒落、沉降、陷落,保障回采安全和资源的高效回收,具有重要的理论价值和现实意义。 　

三、应用案例

案例一  2016年该矿的10号矿体南翼+1430m水平，采2回采工作面在回采→放矿后用废石对采空区进行了充填，但是由于仅充填了2/3高度也没有接顶。时隔7个月后，+1470水平南翼对应采场的底部安全隔离矿柱发生了沉降（该底柱即为+1430水平采2回采工作面的顶柱）。由于沉降幅度不大，所以当时矿里没有采取相应的措施，结果又过了一星期该底柱全面陷落，导致+1470水平对应采场彻底报废，回采设备全部被掩埋，所幸当时采场内无人作业，未造成人员伤亡。

案例二 国内某大型井工开采的铁矿，该矿山采矿方式为“潜孔留矿法和分段空场法”嗣后矸石充填。但是企业对井下所有采空区没有进行充填。 2018年6月，发生了井下采场底柱、顶柱逐水平陷落，最终导致地表大面积塌陷事故，该事故损失巨大，造成企业停产3年进行恢复治理。

四、采空区及时充填并接顶严密+简易、适用地压监测方法

针对以上采场顶柱沉降、陷落事故，能遏制此类事故的有效办法就是从源头控制，回采后的采空区及时充填、接顶并采取地压监测，一旦出现沉降则能及时预警，采取相应措施，最大限度的减少损失。

1、采空区充填

1.1 充填+接顶

对于采矿方式为空场法、潜孔留矿法的采场在回采→集中放矿结束后，应该按照设计要求及时对采空区进行充填（矸石充填、胶结充填或膏体充填）并达到设计抗压强度，有条件的矿山企业可以在充填过程中保留试块进行检测检验。同时要必须确保各类充填体必须接顶严密。

1.2 矿柱回采

充填后对高品位的矿体进行矿柱回收，低品位矿体留永久矿柱，不回收；采场顶柱须确保存留设计厚度。间柱回采时利用间柱中的天井和联络道打浅眼，由于矿柱回采条件较差，所以采用一次性崩落，崩落的矿石在矿房底部用电耙子或遥控铲运机出矿，任何人员严禁进入矿房内作业。

2、地压监测

在矿山地压监测管理这块领域内，虽国家安全监管部门在多年前就曾经明确“井工开采的矿山需配置地压监测仪器设备”并与“六大系统之监测监控系统兼容运行”。经过多年的完善，国内仍有大部分非煤矿山企业尚未达到“要求”，甚至连简易的地压监测装置都没有装备，企业对于采空区的地压监测管理工作仍旧是盲区。甚至可以说是“被动式”的地压管理状态。

2.1  地压监测方法选择

鉴于多数企业对地压管理“头疼医头、脚疼医脚”的态势，则可设置此类简易、经济、适用的“地压监测装置”。适用范围可在井下硐室、采空区（顶柱、底柱）等处；适用高度为1.8m—5m：

所用材料：等强锚杆（φ12mm）、树脂锚固剂、1寸铁管、塑料直尺（长度500mm）、强力胶等。

2.2 简易地压监测设置方法：

2.2.1 确定好安装位置后，用锚杆钻机（或气腿式凿岩机）在该地点顶板、底板垂直位置各钻一个90度钻孔，将等强锚杆（φ12mm）、1寸铁管分别固定在顶板孔、底板孔上。

2.2.2 将500mm标尺固定在1寸铁管（25mm）上端，与等强锚杆下端标尺对应在0mm位置。

2.2.3 安装后，由矿山技术人员通过计算设定该区域的“岩体沉降预警值”；每班须指定专人对该“地压监测装置”进行不少于2次的数值监测并详细记录；若出现接近预警值的数据，则需马上向矿调度或带班矿长汇报，矿里采取有效措施进行处置。

结语：采场顶柱稳定、不沉降是保证上一个水平（中段）相对应采场安全、经济回采的前提条件。采场顶柱冒落、沉降、陷落的原因是复杂、多样化的。采空区充填作业，必须根据设计确定充填材料、制备配比、水灰比控制，在确保达到设计强度的情况下进行制备。对于矸石充填方式的矿山企业，因其充填材料的特殊性一般无法达到充填接顶严密，此类方式的充填则要编制“专项充填方案”，在最后一个分层充填时采取“水泥土或混凝土”堆砌接顶的方式。无论确定任何一种充填，都必须达到充填体强度符合设计要求且接顶严密的目的。井工开采矿山企业为减少生产成本，对回采所造成的采空区“不充填或少充填”。此种现象表面看是成本投入减少了，但是后期采场顶柱一旦沉降、陷落，则是会带来巨大的经济损失和极大的安全风险。

采用合理的充填方式+地压动态监测，其充填材料可以利用矿山尾砂（减小尾矿库的库储压力）、矸石（减小矸石堆场的占地、安全管理等压力）；地压监测材料成本则是非常小的投入。该方法的合理利用可极大的预防和控制采场顶柱沉降、陷落，减少和杜绝坍塌伤害事故的发生。

参考文献

《初步设计、安全专篇》克什克腾旗鑫宇矿业有限责任公司

 《 采场冒落机理及控顶技术探讨》王新民  张钦礼

作者简介：柴方玉（1973年9月21日），男，汉族，吉林省桦甸市人，本科学历，采矿高级工程师（副高），注册安全工程师，安全评价师，二级建造师，监理工程师，从事工作为矿山副总经理。