金川集团龙首矿西二采区地表100 m以下见矿，矿体倾角为70°~80°，厚度为28~200 m，沿走向全长为463 m，矿区内矿岩较为破碎，普氏系数f为0.8~7.0。西二采区矿体镍品位仅为金川矿区富矿品位的1/3，属于贫矿资源，但考虑到镍矿石价值较高，为确保镍矿资源的回收率，在建矿初期采用双中段同时回采的下向水平分层胶结充填法进行回采。西二采区于2010年投产，至2016年3月采区上部中段由1 642 m水平回采至1613水平，形成了厚度约为30 m的胶结充填体，下部中段由1 546 m水平回采至1 496 m水平，形成了厚度约为50 m的胶结充填体。自2016年起，镍价大幅下跌，采用生产成本较高的胶结充填法回采低品位矿石，使得矿山生产经营几近亏损。为了突破发展困境，矿山决定将上部中段胶结充填法转变为生产成本较低的无底柱分段崩落法。然而，在崩落法正常回采之前，必须崩落或冒落采场顶板围岩，形成一定厚度的散体覆盖层。《金属非金属矿山安全规程》（GB16423-2020）规定覆盖岩层厚度不小于分段高度。因此，及时放顶形成覆盖层，可有效避免冒落能量在顶板不断聚积和突然释放带来的冲击灾害（黄琪嵩等，2019；李楠等，2016）。

为了揭示崩落法采场顶板冒落机理及其发展过程，近年来国内外矿业领域专家采用理论计算（李海英等，2020；谷拴成等，2012）、试验研究（付建新等，2020；曹建立，2017；Wang et al.，2014）、数值计算（Tan et al.，2018；Li et al.，2014；Xu et al.，2016）及现场监测（何荣兴等，2015；侯公羽等，2020；刘建坡等，2021）等方法对这一问题进行了研究。结果表明，顶板冒落机制可划分为拱形冒落、筒状冒落、柱塞式冒落和沿破碎带的抽冒等几种类型，而顶板矿岩结构、强度、矿区地质构造、应力大小及方向、采空区形态及规模、空区埋深和回采顺序等因素均会对顶板的冒落发展产生明显影响。不同顶板冒落模式对崩落法采矿安全产生的影响也不同，如拱形冒落一般按周期向上发展，在冒透地表前，其一次冒落量有限，对采场产生的危害也较小（Vyazmen-sky et al.，2010）；筒状冒落和柱塞式冒落通常可一次冒透地表，具有一次冒落量大、易产生矿震和冲击气浪危害的特点（He et al.，2015）。由此可见，崩落法采场顶板围岩的冒落机理及冒落形式多种多样，冒落产生的危害及其控制难易程度也各不相同。

掌握顶板胶结充填体的冒落机理及其发展过程，对于确保西二采区崩落法采场覆盖层的安全形成和采矿作业安全具有重要的实际意义。然而，由于胶结充填体与天然矿岩体在强度和结构上存在显著差异，胶结充填体强度仅有天然矿岩体的1/10~1/20，无法直接运用当前对天然矿岩体冒落机理和冒落发展过程的研究结论来预测或判断胶结充填体的冒落形式。因此，需要对胶结充填体的诱导冒落机理及其发展过程进行深入研究。

采用传统的钻爆法强制崩落胶结充填体形成覆盖层时，具有周期长、成本高及矿石产出量少等缺点，无法满足西二采区的实际生产需求。为了降低覆盖层形成成本和维持过渡期产量，研究提出采用诱导冒落法形成覆盖层，诱导冒落法是东北大学任凤玉教授提出的一种新型采矿方法（任凤玉等，2007），该方法除应用于正常采矿之外，还可用于采空区处理和覆盖层形成等方面。在西二采区采用诱导冒落法形成覆盖层时，不需要在胶结充填体及顶板围岩中布置专门的放顶工程，而是按照无底柱分段崩落法的采场结构形式在胶结充填体下方布置诱导工程（也称为首采分段），通过首采分段的采矿形成采空区，诱导顶板胶结充填体冒落形成覆盖层。在此过程中不仅不需要崩落和运出废石，而且还可以回收部分矿石，取得了较好的经济效益。

结合矿山实际工程布置情况，选择将首采分段布置在1 595 m水平，回采进路间距为15 m，进路宽度为4.6 m、高度为4.3 m。通过在回采进路中布置上向扇形孔崩落1 595~1 613 m范围内高度约为20 m的矿石层，从而使顶板胶结充填体失去支撑。设定崩矿步距为2.2 m，每次崩矿量为1 200 t，每个崩矿排面包含11个炮孔，装药量为450 kg，采用排内微差起爆，起爆药包位于孔底位置。随着首采分段回采作业面的推进，顶板胶结充填体临空面积越来越大，最终将在地压作用下发生开裂和破坏，借重力作用自然冒落下来形成覆盖层。

为了使顶板胶结充填体及时冒落形成覆盖层，首采分段由东至西按照阶梯式退采模式均匀扩展采空区，从而避免在采空区内形成支撑矿柱阻碍顶板冒落。同时，为了预防顶板胶结充填体冒落时带来的冲击气浪危害，需要在首采分段进路底板预留一定厚度的崩落矿石散体作为缓冲安全垫层将出矿口封堵。经计算，若要确保首采分段的采矿安全，进路底板以上至少要预留7 m以上的矿石散体作为安全垫层，进而确定出首采分段出矿量需要严格控制在崩落矿量的45%以内（武拴军等，2021），该部分预留矿石并不会损失，而是以转移矿量的形式得到回收。西二采区大面积胶结充填体诱导冒落覆盖层形成方案如图1所示。

为了掌握顶板胶结充填体冒落发展进程，采用微震监测技术对胶结充填体的破坏情况进行了监测。本次微震监测系统使用的是成都测振科技有限公司生产的48通道、24位采样精度的微震数据采集仪，采样率为1 000 Hz，增益为16，共使用16个三分量速度传感器，灵敏度为28 V/（m·s^-1），自然响应频率为10 Hz。16个三分量速度传感器从上至下分别安装在1 650，1 554，1 494，1 430 m这4个水平上，每个水平在矿体上下盘各布置2个传感器，使16个三分量速度传感器构成的几何矩阵将充填体和矿体环绕起来，从而实现对顶板胶结充填体冒落及西二采区采场稳定性的全面监测。西二采区微震监测系统组成和原理如图2所示。

为了减少常规采矿作业（如出矿、凿岩和爆破等）对微震监测研究工作的干扰，在首采分段回采过程中对常规采矿作业所产生的微震信号进行特征识别和分类，进而筛除这些信号，重点对具有岩石破裂特征的信号进行分析研究。为了便于分析，本研究将筛选出来的微震事件根据信号强弱划分为较强能级岩石破裂微地震事件（简称“强微地震事件”）和弱能级岩石破裂微地震事件（简称“弱微地震事件”）。当微震监测系统中能接收到岩石破裂事件信号的传感器数目小于3个时，将该事件定义为弱微地震事件，否则定义为强微地震事件。

西二采区崩落法采场1 595 m首采分段于2019年5月28日正式投入生产，本研究以1 595 m首采分段初始回采的4~6号进路在退采过程（2019年5月28日至9月10日）中监测到的微震事件为代表进行分析研究。图3所示为研究期内崩落法采场及其附近每天发生的微震事件数量变化情况。

由图3可以看出，自2019年6月25日开始，崩落法首采分段采空区顶板之上发生的岩石破裂事件越来越多，但这些事件大多为无法精确定位的弱微地震事件。由于这些事件的发生频率与崩落法采空区的扩展呈现出强烈的正相关关系，因此认为这些微地震事件是顶板胶结充填体临空后发生的破裂、冒落及其前兆活动。

微震监测系统显示，2019年5月28日至2019年9月10日，西二采区共发生了34次具有充填体破裂特征的强微地震事件，这些微地震事件能够通过监测系统精准定位。为了便于分析，根据强微地震事件与崩落法采空区的平面相对位置，将34次强微地震事件划分为以下3种类型：

（1）第一类强微地震事件发生在采空区后方20~45 m范围内，在本次研究周期内这类事件共发生13次，事件发生高度主要集中在1 610~1 630 m范围内。第一次发生该类事件的时间为2019年7月6日，当时采空区长度为22 m，宽度为45 m，面积约为1 000 m²。该次事件的平面位置如图4（a）所示。

（2）第二类强微地震事件发生在采空区后方边缘处（与采空区后方边界的距离小于5 m），在本次研究周期内这类事件共发生12次，事件发生高度主要集中在1 610~1 625 m范围内。第一次发生该类事件的时间为2019年7月31日，当时采空区长度为56 m，宽度为45 m，面积约为2 500 m²。图4（b）展示了一次典型的该类事件发生的位置（图中事件发生于2019年8月15日）。

（3）第三类强微地震事件发生在采空区顶板中部，在研究周期内这类事件共发生9次，事件发生高度主要集中在1 615~1 630 m范围内。第一次发生该类事件的时间为2019年7月30日，当时采空区长度为56 m，宽度为45 m，面积约为2 500 m²。图4（c）展示了一次典型的该类事件发生的位置（图中事件发生于2019年8月22日）。

图5给出了研究周期内监测到的34次强微地震事件的能级大小、发生顺序及其与崩落法采空区的相对位置关系，图中圆圈的直径与事件的能级呈正比。由图5可以看出，第一类强微地震事件（红色圆圈）主要发生在4~6号进路退采的初期至中期，第二类强微地震事件（绿色圆圈）和第三类强微地震事件（蓝色圆圈）主要发生在4~6号进路退采的中期至末期，而且第一类强微地震事件的能级普遍高于第二类和第三类。

通过分析强微地震事件的发生过程可知，随着4~6号进路采空区面积越来越大，强微地震事件发生的频率也越来越高，但在此过程中第一类事件的发生频率逐渐降低，而第二类和第三类事件的发生频率逐渐增加。由于龙首矿六角形进路式胶结充填法的工艺特殊性，采用该工艺所形成的胶结充填体呈现出类似柱状玄武岩的叠拼岩梁结构，加之崩落法的进路退采方向与岩梁轴向一致，随着崩落法进路的退采，充填岩梁沿其轴线方向的暴露长度将会越来越大。西二采区胶结充填体特殊的内部结构和较小的强度对其诱导冒落机理及冒落发展具有关键作用。

分析认为，造成第一类强微地震事件的主要原因是，随着崩落法采空区的形成，顶板胶结充填体得以暴露，空区上方垂向压力开始向悬空的充填体岩梁后方转移，造成采空区后方一定范围（20~45 m）内发生应力集中，当集中应力超过胶结充填体强度时，会使充填体发生破裂破坏。加之4~6号进路上方对应的原1 613 m充填采场存在部分进路回采后未充填，仍处于空区状态，这些采空进路作为胶结充填体中的强度薄弱位置，在集中应力作用下更容易发生冒落垮塌，由此产生第一类强微地震事件。而此类事件的发生频率在4~6号进路回采末期逐渐降低的原因是，随着4~6号进路不断退采，应力集中区域不断向后转移，当转移至下盘实体围岩中以后，便不再发生上部充填采场采空进路的垮塌事件。第一类事件发生机理如图6（a）所示。

造成第二类强微地震事件的机理是，随着4~6号进路的不断扩大，采空区顶板覆岩垂向压力将会向充填体岩梁悬空边缘支点处转移，致使岩梁悬空边缘支点处剪切应力不断加大，当剪应力超过胶结充填体抗剪强度时，便会使充填体岩梁在空区后方边界处发生剪切破坏，其破坏机理如图6（b）所示。

造成第三类强微地震事件的机理是，当充填体岩梁暴露长度增加到一定程度时，悬空岩梁在上部覆岩压力及自身重力的作用下发生弯曲下沉，从而在充填体岩梁中部派生出拉应力，致使充填体岩梁中部发生弯曲拉伸破坏，其破坏机理如图6（c）所示。

为了分析顶板胶结充填体的冒落发展过程，图7展示了34次强微地震事件的发生高度随开采时间和采空区面积的动态发展关系，图中圆圈的大小与微震事件的能级呈正比关系。

由图7可以看出，随着1 595 m首采分段采空区面积的不断增大，强微地震事件发生的空间高度呈现出逐步上升的趋势，证明顶板胶结充填体的破裂与冒落正在逐步向上发展，已从最初的1 610 m水平发展到1 630 m水平。

为了更全面地分析首采分段回采过程中顶板胶结充填体的破坏和冒落情况，图8展示了2019年5月28日至2020年1月6日首采分段在更大回采范围下累计发生的强微地震事件分布图，图中圆圈直径与事件能级成正比。此时，1 595 m首采分段采空区面积已达到12 000 m²，在此期间微震监测系统在崩落法采场附近共记录36 148个弱微地震事件和73个强微地震事件，这73个强微地震事件的发生高度主要集中在1 610~1 630 m，仅有3个发生在1 650 m水平左右。

由图8可以看出，随着1 595 m首采分段回采区域的进一步扩大，顶板胶结充填体的破坏范围也逐渐扩大，但强微地震事件的破坏高度主要集中在1 610~1 630 m，表明这一高度内的胶结充填体发生了充分破坏，而在1 650 m水平附近监测到个别强微地震事件，表明胶结充填体的破坏已经由1 630 m水平逐渐上升至1 650 m水平左右，但其数量较少，说明胶结充填体破坏高度的发展速度总体较慢。分析认为，这是由于1 595 m首采分段出矿量控制在崩落矿量的45%以内，使得顶板冒落的补偿空间有限，故顶板向上破裂及冒落进程发展较慢且有限。从微震监测结果来看，随着首采分段的推进，胶结充填体的暴露面积不断增大，但所发生的冒落规律仍以上述3种机理为主。

此外，微震系统监测到的岩石破裂事件主要集中在崩落法采场采空区附近，而下部中段充填采场及其附近未监测到任何岩石破裂事件，表明上部中段崩落法采场在诱导冒落形成覆盖层的过程中，未对下部充填采场的稳定性造成不利影响。

为了进一步掌握散体覆盖层的形成情况，采用理论计算的方法对胶结充填体的散体冒落发展情况进行了分析。顶板的散体冒落发展，不仅取决于采空区的平面面积，也与采空区高度紧密相关。这是因为在顶板冒落过程中，一旦采空区被冒落的散体充满，顶板将不再具有散体冒落的补偿空间，同时空区内堆积的散体将对顶板产生支撑力，限制顶板的下移。此时，尽管顶板胶结充填体仍可能会因微小的下沉继续发生破裂，但其以散体形式冒落将受到极大的限制，即顶板的散体冒落高度与采空区容纳冒落碎胀的能力息息相关。

据统计，从2019年5月28日至2019年9月10日，1 595 m首采分段4~6号进路退采所形成的采空区平面形状为一矩形，其长度L_空=80 m，宽度W_空=45 m，每个崩矿排面的面积S_崩=215 m²（包含进路所占面积），则这3条进路退采形成的采空区总体积可表示为

据统计，截至2019年9月10日，4~6号进路的总崩矿量Q_崩=144 480 t，放出总矿量Q_放=77 495 t，采空区中预留矿量Q_留=66 985 t，原矿密度ρ矿=2.8 t/m³，崩落矿石块度较小，取松散系数η矿=1.1，得到空区中预留矿量所占体积为

则放矿腾出的空区体积为

将该体积称为冒落的有效空区体积，则该有效空区体积的高度h为

理论计算结果表明，4~6号进路的放矿腾出约7 m的净高度，供顶板胶结充填体冒落，当冒落的胶结充填块体将顶板抵死时，顶板的散体冒落便会受到限制，此时胶结充填体的冒落高度H与空区净空高度h、冒落胶结充填体松散系数η胶之间的关系可表示为

则冒落高度H的计算公式为

将空区净空高度h=7 m、冒落胶结充填体松散系数η胶=1.5代入式（6），求得H=14 m。

以上理论计算表明，在1 595 m首采分段的采矿及出矿条件下，顶板胶结充填体以散体形式发生冒落的高度大约为14 m（约3个充填分层的高度），其散体冒落高度最多发展至1 630 m水平左右，这与微地震监测到的顶板冒落强微震事件主要集中在1 610~1 630 m之间的结果基本一致。对于极个别发生在1 650 m水平附近的强微地震事件，分析认为是冒落散体将空区充满后仍具有一定的可压缩性，顶板在压实散体的过程中发生的下沉破裂，但并未充分冒落为散体。

自2019年7月20日起，崩落法采场工作人员在对4~6号进路进行扇形孔装药时，偶尔会听到来自采场内部的岩石破裂与冒落的闷响声，表明顶板胶结充填体正在发生破裂和冒落，此时4~6号进路的采空区跨度为45 m，长度为41 m，空区面积为1 863 m²。而最能直接证明空区顶板胶结充填体的确发生了散体冒落的证据是，在4~6号进路出矿过程中有冒落的胶结充填块体被放出。在跟踪现场出矿时观测到，在4~6号进路的出矿初期放出的冒落胶结充填体块度较小，块体最长边一般在0.6 m以内，而在出矿后期逐渐放出了尺寸较大的冒落胶结充填体，块体最长边甚至超过2 m，现场放出的冒落充填体如图9所示。

总体来说，理论计算结果和现场生产实践与微震监测结果相互印证。各种迹象均表明，随着1 595 m首采分段回采区域的不断扩大，崩落法采场顶板胶结充填体按预期安全、及时冒落，在1 595~1 630 m之间形成了由预留矿石散体和冒落胶结充填体构成的厚度约为30 m的散体覆盖层，该散体覆盖层满足相关安全规程的要求，能够确保下部中段回采作业的安全。

本文以龙首矿西二采区下向分层胶结充填法转为无底柱分段崩落法为工程背景，采用微震监测、理论计算及现场观测等方法对胶结充填体诱导冒落形成覆盖层的过程进行监测研究，得到以下主要结论：

（1）龙首矿西二采区生产实践表明，采用诱导冒落技术促使顶板大面积胶结充填体在地压作用下自然冒落形成覆盖层，不仅能够实现覆盖层形成与过渡期产能保障的双重目标，而且该方法具有安全、高效、成本低及应用灵活等优点，最符合现场实际生产要求。

（2）微震监测结果表明，西二采区胶结充填体的冒落机理可分划为3种类型：一是崩落法采动应力集中引发的胶结充填体破坏事件，此类事件主要发生在进路回采的初期至中期；二是悬空充填体岩梁支点处发生的剪切破坏事件，此类事件主要发生在进路回采的中期至末期；三是充填体岩梁中部发生的弯曲拉伸破坏，此类事件主要发生在进路回采的中期至末期。

（3）在1 595 m首采分段回采过程中，顶板胶结充填体发生了冒落，且充填体的冒落主要发生在1 610~1 630 m水平，由此在首采分段底板形成了由预留矿石层和冒落胶结充填体构成的总厚度约为30 m的散体覆盖层，这一覆盖层厚度满足崩落法采矿安全需求和国家相关安全规程要求，表明西二采区采用诱导冒落技术顺利实现了安全、高效及低成本形成覆盖层的预设目标。