关于露天开采下地下采空区顶板安全厚度的确定研究

关于露天开采下地下采空区顶板安全厚度的确定研究

陈永刚

西藏华泰龙矿业开发有限公司 西藏拉萨 850212

摘要：国内采矿作业具有危险性，并且含有多种开采方式。其中露天开采实际作业具有较高的危险性，由于采空区开采难度高、危险性强。导致实际开采过程中，采空区为开采带来严重后果影响。保障开采安全，需要明确采空区顶板安全厚度，保障开采顺利进行。本文通过分析露天开采区域的相关资料，通过对现场测量，明确矿山采空区分布情况。并依据理论计算和数值模拟对危险区域内的顶板安全厚度进行计算研究。获取不同位置对于采空区顶板的影响，对于露天采矿作业安全有现实意义。

关键词：露天开采；地下采空区；顶板安全厚度

引言：露天采矿过程中，地下采空区顶板上方岩层是保障开采安全的重要保障。采矿人员在采空区作业，需要面临岩层变形以及塌方的威胁。实际作业设备、人力资源缺一不可，这对于开采造成极大的影响，也导致开采不慎造成人员伤亡事故。为了保证采空区作业安全，需要确定开采范围内采空区顶板的实际厚度，通过岩层力学计算安全厚度参数，建立安全的顶板厚度，为开采人员提供安全稳定的开采依据，保证开采人员能够安全开采。

一、空区条件下露天开采潜在危险区域划分

露天开采作业期间，采空区采矿安全性与上方岩层有直接联系，采空区顶板安全厚度是保障作业安全的关键要素。由于人员作业受到采空区岩层威胁，可能导致作业期间出现坍塌的危险事故，影响企业财产和人员安全。为了保证采空区采矿的安全性，对采矿区周围地质情况进行调查，通过分析岩体影响因素，明确不同因素之间相互干扰，确定顶板安全厚度，保障开采的安全性。根据某地区最大的露天矿A区，结合该矿区的实际情况，对采空区顶板安全厚度问题进行充分研究，探究顶板安全厚度与空区跨度间的关系^[1]。

（一）采空区体积估算

矿区A内部存在大小各异的采空区，并且数量相对较多，缺少明确的地质资料，导致采空区对实际开采带来安全隐患。为了明确矿区内采空区情况，采用钻孔探测的方法，对矿区进行探测。并对各年份的采矿量、实际出矿量等数据进行统一整理，获得现有数据，确定了矿区A的采空区体积。

（二）地下采空区与露天矿区的空间关系

矿区A开采境界参数为长1350m、宽310m，坑底至露天边坡距离变高为1250m。露天开采技术参数需要开采的台阶参数保在4/8m。地下采空区分布情况中，不同的区域代表不同的勘探位置。采空区集中在7-14#的位置，而这部分采空区将会在开采过程中，对人员和作业产生直接影响。

（三）露天边坡危险区区划

根据露天境界边坡各项参数，能够发现露天矿区A上盘边坡缺少运输道路，边坡呈现较陡的趋势。7-11#区间内的露天边坡，位置正好位于采空区上方。其余位置边坡下方无采空区存在，因此将存在危险的边坡进行划分，观察各自区域范围内的勘探线，能够发现7-11#之间上盘边坡区域，下方含有采空区，是开采过程中最危险的区域，设定为Ⅰ区域；Ⅱ区域范围内除了Ⅰ区域以外，存在露天边坡角，下方无采空区，设定为次级危险区域；Ш边坡角度合理，并且无采空区，为相对安全的区域。

二、安全厚度的理论性分析

采空区顶板安全厚度代表了采空区开采的安全条件，是采空区顶板至地表之间的最短距离。通过理论加以分析，获取实际厚度参数。其中，平板梁理论根据假设结构，借助材料力学公式，推断顶板安全厚度，公式为： 。H为顶板厚度/m；K为安全系数；γ为顶板承重t/m³；B为采空区跨度/m；δ_T为顶柱岩石承受的抗拉强度Mpa。根据各项参数，将实际获取的数据代入到公式（1）中，计算出顶板的安全厚度H值^[2]。

根据松散系数理论，假设采空区岩层会出现塌陷情况。但是当塌陷发生后，顶柱实际厚度能够在采空区被岩石填满的基础至上，则说明厚度参数为安全系数。据此推断公式为： ，公式中K为岩石松散系数，根据平梁板理论，结合公式（2）能够计算出安全顶柱H的实际厚度。

计算模拟需要根据两种工况思考：第一种情况是，矿区开采距离采空区包之间的高度相隔较远，这样即便开采后也不会对采空区造成较大影响，因此该情况不再考虑范围内。根据采空区不同高度，按照5/10/15m的高度，设置台阶高度为8/16m，根据距离进行分析；另一种情况，则是在露台矿区到采空区2的位置，对采空区1进行处理。并根据两个区域台阶高度，计算不同台阶高度的稳定性参数。

三、模拟结果分析

（一）采空区高度影响

采空区1区位置的顶板距离开采境界为8/16m时，采空区1高度为工况1的情况下，分别设置为编号1-6号。在其他条件不变的基础上，当采空区1影响到边坡稳定性时，根据不同的高度和拉应力参数，确定边坡的极限平衡条件。通过不同的编号区域，能够发现采空区范围增大的同时，最大拉应力与位移会随着范围同步增加。在不同编号对应的模拟结果下，能够发现个别边坡顶板内拉应力超出岩石本身的抗拉强度后，说明采空区稳定性已经遭到破坏。随着采空区范围增大，拉应力同步增加，会使得实际破坏的区域不断加剧。这样导致方向位移也随着采空区范围发生变化，岩石变形到一定程度后会趋向稳定。

采空区高度5m的情况下，当顶板被破坏，会随着范围增加使得塑性区域不断增加，不断朝向边坡贯通。在安全厚度为16m时，采空区高度保持15m的情况下，尽管出现部分塑性区，但是未能与边坡贯通，能够保障一定安全性。可以发现，采空区顶板与边坡位置，在顶板遭到破坏后是最易出现破坏的区域。

（二）采空区位置影响

根据采空区2的台阶高度，由于此时采空区1失稳情况已经被处理。根据台阶高度的应力实际分布，可以计算出厚度为16m时，顶部压应力参数的具体数值。当厚度转变为8m时，采空区2顶板变为拉应力，并随着开采深度发生变化。在开采影响下，岩体两帮均会对坑底产生挤压作用。而16m的安全厚度能够有效支撑，保持在压应力状态。8m厚度却无法做到，还会导致导致岩体被破坏。岩体被破坏后，还会导致采空区2顶部出现集中拉应力的现象，拉应力现象使得采空区顶底板被破坏，对露天采矿安全造成影响^[3]。

（三）结果

利用矿区A进行试验，根据采矿量估算采空区体积，明确采空区体积后。用过分析勘探线，划分危险区域。并根据不同区域内的边坡进行危险性判断，明确不同区域采空区的安全等级，找到相对安全的区域；按照数值模拟的方式，对采空区不同安全厚度进行计算。能够发现采空区2顶板至坑底位置，都出现塑性区域，呈现贯穿式分布的情况。在安全厚度只有8m的时候，影响范围相对更大；安全厚度保持在16m时，采空区对于开采影响相对较小。对比其他矿山采空区的隔离层安全厚度，更推荐使用露天采矿的采空区安全厚度，设置安全厚度为16m，能够保证采矿生产有序进行，保证整个生产过程的安全性。

结论：综上所述，本文根据理论计算的方法，结合某矿区实际分布情况，对矿山露天开挖进行计算，对于地下开采有重要意义。并考虑到岩石与力学参数等因素，结合采空区高度与位置变化，利用平梁板和松散系数理论对安全厚度进行计算。并通过采空区模拟，获取实际的顶板安全厚度，为矿区采矿作业提供参考依据。

参考文献：

[1]王志修,陈何,曹辉,等.卢安夏铜矿露天开采下采空区顶板安全厚度研究[J].中国矿业,2019,27(09):131-135.

[2]李玉飞,叶义成,胡南燕,等.基于能量法的露天开采下采空区顶板安全厚度研究[J].金属矿山,2018(02):35-40.

[3]邱海涛,潘懿.露天开采下地下采空区顶板保安层厚度的计算分析[J].采矿技术,2018,12(03):47-49.