露天開采復雜采空區的危險性探測與分析

葉圖強, 陳晶晶,王 鐵

(廣東宏大爆破股份有限公司，廣東 廣州 510623)

自20世紀80年代以來，大寶山礦周邊民采泛濫，幾十年的民采形成了大量采空區。大寶山礦雖然從1997年就開始對采空區進行處理，但遠遠達不到采充平衡的要求，導致了2004年的3次大塌方。經過2004～2006年的集中整治，地下采空區重大安全隱患得到初步治理，井下生產也已全面停止。但是，原來已出現垮塌而沒有全部充滿的采空區、充填接頂不嚴的采空區、沒有處理的采空區，以及2004年采空區調查時沒有探明的民采采空區仍然存在。大寶山礦轉為露天開采后，隨著露天開采深度的下降，井下采空區對露天開采安全生產構成了極大的威脅， 2008年10月8日就發生一起施工車輛陷入采空區的車毀事故。目前，大寶山礦采用超前鉆探孔和三維空區探測相結合的方法對采空區進行探測，取得了一定的成效。

1 露天開采復雜采空區的探測

1.1 大寶山礦采空區分布情況

大寶山礦由于采用空場法進行地下開采，特別是民采泛濫，在開采區段即11～57線沿走向2000m地段，形成了大量的采空區。最為密集的區段為45～49線及25～29線，且采空區面積較大，其中21～49線存在有相互貫穿的采空區群。在采空區的水平范圍內，其密集程度隨著采礦中段的作業程度呈增加趨勢，從470m水平至670m水平均有采空區分布，特別是在該區段內有多個中段采空區相互貫通，構成了大跨度、大高度采空區(如圖1所示)。

圖1 大寶山礦采空區縱投影圖

1.2 采空區的探測方法

采用超前勘探和自動激光掃描系統相結合的方法進行采空區探測[1-2]。超前勘探能及時發現采空區的位置，但采空區的具體形狀只有通過自動激光掃描系統才能確定[3]。大寶山礦采空區主要采用國際上先進的空區激光三維探測設備C-ALS(空區自動激光掃描系統)進行探測。采用C-ALS可以對下覆空區進行精確測量，一方面可以詳細了解下覆空區以指導安全生產，另一方面可以為空區處理提供詳實的數據。

1.2.1 采空區鉆探的原則

本著“有疑必探、先探后進”的原則，探明地下采空區情況，具體問題具體分析，確保爆破孔、裝藥、爆破、挖裝、運輸等環節的施工安全。

原則上要求勘探孔深度不小于一個臺階高度加上保安層厚度(根據本工程中的地質條件，勘探孔設計深度約為19m)。由于采空區塌陷區范圍內絕大部分巖層已破碎或是存在大量裂隙，所以在本工程中經常遇到打不到設計深度的情況。為了保證施工過程中的安全，在臺階推進過程中，根據挖機作業情況，在挖機前方每隔一定距離布設勘探孔，然后再用三維激光掃描系統探測采空區和塌陷區的具體形狀[4-5]。

采空區鉆孔勘探的依據為：①原地下開采采空區的資料及物探探明的空區資料；②原地下采空區治理圖；③鉛鋅礦、高品位銅礦富集區(因為無論民采還是大寶山礦開采，均是開采價值較高的礦體，部分民窿沒有詳細資料，民采過程中發現好的盲礦體，往往進行采掘留下空區)。

1.2.2 采空區鉆孔勘探

本工程采用分體式阿特拉斯高風壓潛孔鉆機，鉆進過程中遇裂隙或破碎帶時采用黃泥護壁等措施進行處理。鉆探的主要目的是保證運輸道路的安全，保證作業平臺的安全以及探明采空區的崩落處理情況。

1)鉆孔位置的選擇。由于采場經歷了3次大的塌方，可以推斷大部分采空區已經坍塌，因此在布設勘探孔時，應把著重點放在采空區中心和空區邊緣地帶，勘探孔設計孔深應根據采空區跨度來設計，孔位應由測量人員現場放樣，本工程主要采用超前垂直孔勘探(圖2)和超前傾斜孔勘探(圖3)兩種方法。

2)鉆孔的施工。首先，在存在采空區的工作平臺的上一個臺階布設超前勘探孔(圖2)，如果因上部虛碴過厚或裂隙發育，垂直勘探孔無法正常鉆進至空區，但依據原有資料，下部確實存在多層空區，為確保安全，在臺階邊坡上或在工作臺階上打傾斜孔，依據探測情況及時調整處理方案；若因地質條件差，巖層裂隙發育，超前垂直和傾斜勘探孔均無法正常施工，則應在臺階推進過程中，根據實際情況每隔一定距離布設勘探孔，采用邊探測邊挖運作業。在露天剝采施工中采用此法取得了一定成效。

采空區鉆探過程中，施工員應全程監控，對鉆進情況編錄，發現空區或疑似空區，應實測空區深度后報現場主管及技術主管，在鉆孔作業時，必須有專人觀察周圍巖層的動態，發現異常，立即撤離。

圖2 超前垂直勘探孔

圖3 超前傾斜勘探孔

1.2.3 三維激光掃描探測

根據采空區鉆探探明的空區，結合原有空區資料，利用穿透空區的鉆孔將三維激光探測儀激光探頭下放至空區，進行全方位掃描，由地表計算機記錄探測數據，再由Surpac或AutoCAD軟件根據采集的數據繪制空區三維空間圖，然后由測量人員現場放樣圈定，進一步核實的采空區范圍，并在工作面上樹立明顯標志，禁止無關人員進入該區域。根據三維激光探測儀掃描結果，編寫采空區崩落設計方案，進行采空區的處理。

該方法優點是施工簡單，探測精度高，探測周期短，但是要求孔徑不小于90mm，孔壁穩定且孔內不能有大量水。另外，有時應根據需要隨時補加鉆孔，確保掃描工作無盲區。

2 采空區探測結果分析

2.1 采空區的判斷方法

根據潛孔鉆吹出的鉆屑和鉆孔過程情況，并結合已經收集的資料可推斷采空區的情況：

1)若取樣分析鉆探到鉛鋅礦、高品位銅礦，則很可能存在采空區。

2)若鉆孔過程中發現空洞，則有空區，可以根據鉆孔深度判別保安層厚度。

3)若在塌陷區鉆探，巖石完整則可能存在整體移位的局部小采空區。

4)若在塌陷區鉆探，巖石松軟則說明前期塌陷已經基本將原采空區填充滿。

5)當巖層未塌時，形成的采空區巖層透氣性差，當發生坍塌并延伸至地表，由于采空區上部巖層的裂隙增加，微通道豐富，低溫的差異，地下壓力的差別，在對流作用下，在地表會冒明顯的熱氣，則說明下部采空區已基本坍塌。

6)一般情況下，鉆探過程中巖性比較完整，且有一定的保安層厚度，能夠保證作業平臺的安全，頂板塌陷前有一定的征兆，如地表開裂等。

7)一般情況下，鉆探過程中巖性比較松軟，如果繼續塌陷，則地表出現局部沉降、滑落、滾石等現象。

2.2 采空區探測存在的問題

1)急需一種能有足夠鉆力的鉆機。本工程也采用過立軸式純回轉地質鉆機，其優點就是鉆探深度遠遠大于CM351型潛孔鉆機。但是在塌陷區內施工的過程中，我們發現沖洗液漏失嚴重，另外該鉆機占地面積大，移動不便，且是純回轉鉆機，因此鉆進速度較慢，收效甚微。

目前本工程較多采用的是CM351型高風壓露天潛孔鉆機。此鉆機的缺點就是大范圍長時間的鉆探深孔存在很大的風險，而且正循環排碴，若遇較破碎地層，很難將碴吹出來，也就無法鉆進至設計深度，無法進行較為準確的安全分析。洛陽欒川鉬礦曾嘗試引入潛孔錘反循環鉆進技術，也取得了不錯的成效[6]，此項課題在大寶山礦還有待進一步研究。

2)若空區內水較多，則下放的三維探測儀很難進行激光掃描，也就不能準確的圈定空區的形狀，進而不能進行空區的安全分析。

3 結語

采空區塌陷會給礦山帶來巨大的經濟損失，因此，采空區范圍內施工作業的安全問題是露天開采過程中剝采工作的重中之重。采空區安全生產問題并不可怕，但必須引起足夠重視。頂板塌陷前有一定的征兆，如地表開裂、局部沉降、滑落、滾石等現象，所以在采空區塌陷區內施工，必須要堅持“有疑必探，先探后進”的原則，做好技術交底，堅持按章操作。

采用超前勘探和自動激光掃描系統相結合的方法對大寶山礦采空區進行了探測。探測結果表明，該方法能獲得采空區的精確空間數據，對采空區探測具有較好的實用價值，對指導礦山安全生產具有現實意義。

[1] 彭欣，崔棟梁，李夕兵，等.特大采空區近區開采的穩定性分析[J].中國礦業，2007,16(4):70-72.

[2] 李夕兵，李地元，趙國彥，等.金屬礦地下采空區探測、處理與安全評價[J].采礦與安全工程學報，2006,23(1):24-28.

[3] 過江, 古德生, 羅周全. 金屬礦山采空區3D 激光探測新技術[J].礦冶工程, 2006,26(5):16-18.

[4] 龐曰宏,宮德玉,彭衛杰. 采空區失穩分析及監控[J].化工礦物與加工,2009(10) ：31-32.

[5] 郭廣禮,何國清,崔曙光. 部分開采老采空區覆巖穩定性分析[J]. 礦山壓力與頂板管理,2003(3):70-73.

[6] 李冬霜,王茂森,梁毅. 洛陽欒川鉬礦復雜地層鉆進工藝研究與試驗[J]. 探礦工程：巖土鉆掘工程,2009(6):10-12.