露天礦山采空區探測與處理

蘇 偉，牛小明

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012;2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南長沙 410012)

0 前言

由于多方面的原因，有些露天礦山采場內存在或明或暗的地下采空區。從國內露天礦山的實際情況來看，造成地下采空區存在的原因主要有3種:一是隨著礦產資源價值的提高，使原來不具有大規模開采價值的低品位大型礦床有了開采價值，因而促使一些儲量大、品位低的大型礦山進行了地下轉露天開采;二是在國家鼓勵對礦產資源的集約化、大型化開采利用的背景下，對大型礦床內多家小礦山分割礦權開采的情況進行了大規模整合后轉為露天開采的;三是露天采場周邊存在地下盜采現象。采空區的存在，威脅著露天開采的生產安全，因此，采空區的探測及處理逐漸受到礦山的重視。

遵循先進、實用的原則，在參考國內采空區方面大量資料的基礎上，結合筆者的工程實踐經驗，從采空區探測、穩定性分析、處理以及處理后評價等方面，對每一個技術流程進行了總結，并探討各種技術的優缺點。最后，簡要介紹了某礦山采空區工程實例，以進一步具體說明實際應用。

1 采空區探測、穩定性評價及處理

采空區最大的風險是其分布狀況不明。因此，掌握客觀、準確、全面的采空區資料，是實現采場生產安全和采空區有效管理的前提條件。

采空區探測前的準備工作包括已有資料的收集、分析，主要包括區域內采空區形成歷史、空區分布、塌陷情況以及探測孔穿孔情況等。在此基礎上，選擇有針對性的技術手段。現有的采空區探測技術手段主要由以下幾種。

1.1 采空區探測技術

1.1.1 鉆探技術

用超深鉆探測采空區是較為簡單的技術，根據礦山采剝計劃，在空區可能分布區域，以一定孔深和孔網參數超前露天臺階推進方向鉆超深探測鉆孔。超前鉆探發現空區時，詳細記錄孔深，并用測繩測出空區高度，同時保護好穿透孔，待后續進行三維激光掃描。

用超前鉆探法對采場空區進行大規模排查，能提前發現空區，規避危險區域，該方法的缺點是工程量很大，工程費用較高，只能大致了解空區的范圍，而不能得到空區的準確資料。主要用來發現空區，為后續精確的空區探測提供前期工作。

1.1.2 地球物理探測技術

近年來，采空區的地球物理探測技術發展很快，目前較為常用的物探技術根據其所使用的原理，主要有重力測量、電法測量和地震測量。電法測量又可分為電阻率層析成像法、瞬變電磁法、甚低頻電磁法、探地雷達、MT法、CSAMT法和EMAP法。地震測量亦可分為淺層地震反射波法、瑞雷波法和鉆孔彈性波CT等。

從目前礦山采空區探測的工程實踐來看，物探技術主要適用于大范圍的采空區分布探測，能大體圈定采空區范圍和數量，精度較差，無法準確探測采空區三維分布形態，且技術人員的經驗對探測結果影響很大。

1.1.3 三維激光掃描

三維激光掃描技術主要有CMS系統和C－ALS三維激光掃描系統，這兩種探測系統原理基本相同，而C－ALS三維激光掃描系統以其優越的性能，逐漸成為采空區精確探測的主要技術。該系統掃描探頭直徑50 mm，可360°旋轉，全方位覆蓋高達150 m范圍內的整個空區。數據捕捉率可達每秒200點，精確度為±5 cm，同時用自帶MDL軟件自動成圖。將掃描原始文件導入Surpac，建立空區三維模型，準確還原空區三維空間形態和位置，由此得出采空區的準確參數(長、寬、高、頂板厚度等)，為后續處理提供可靠的依據。

該方法的優點是從地表穿透鉆孔下放探頭，作業環境較好，保證了作業人員的安全，探測精度較高，速度很快;由于空區大多是不規則的，有突起物阻擋激光傳播時，造成空區探測不完全，存在一定的盲區，其次是地下空區霧氣濃重時，也會造成空區掃描范圍受限。通過多孔探測，多次掃描圖像復合的方式能有效克服這些缺點。

總之，由于采空區形態的復雜性，決定了對其進行精確探測是極其困難的，現有技術各有所長，單一的技術手段難以達到準確性的要求。因此，應把多種技術手段結合使用，才能取得較好的效果。為了使空區探測、管理和處理工作科學化、制度化、規范化，應根據礦山實際情況，制定相應的探測方案。經過綜合分析礦山工程實踐，資料收集、人工調查、超前鉆探與三維激光掃描相結合的方式，基本上能滿足礦山對采空區探測的技術要求。

1.2 空區穩定性研究

為保障礦山安全生產，合理評估采空區危險程度，為采空區處理提供科學的依據，在采空區探測完成后，還需要開展采空區穩定性研究。

采空區穩定性評價中，采空區保安層厚度是關鍵的參數，它決定了采空區安全和處理時機的選擇。這項工作需要對采空區所處地質環境進行詳細的地質調查和巖石力學試驗，在此基礎上采用理論分析和數值模擬的方法，對各種地質條件和巖性中的采空區進行系統的穩定性評價。

1.3 空區處理

空區掃描完成后，根據穩定性研究結論，對其保安層厚度進行驗算，處于安全臨界值時，需要及時排除隱患。由采空區形態及周圍工況，靈活制定處理措施，一般采用爆破崩落頂板或者充填空區的方法消除危險。

2 工程實例

本文以某露天礦山1755－1空3號采空區為例，說明采空區探測、穩定性評價和處理技術的應用。

2.1 空區概況

經超前鉆探，1755 m平臺有Z2、Z6、Z8超深鉆孔穿透，初步判斷下方存在空區。通過這3個鉆孔，對目標空區進行了三維激光掃描，掃描圖如圖1所示，經MDL成圖，導入Surpac軟件進行復合，得到了空區復合模型(如圖2所示)。經綜合分析，得到表1所列的空區參數。

圖1 掃描結果

表1 采空區參數

2.2 采空區穩定性評價

采空區頂板巖性為灰巖，根據前期穩定性研究，得出采空區跨度與巖層保安層厚度的關系為:h=0.697b－0.122，式中，h為保安層厚度，m;b為采空區跨度，m。經計算，保安層厚度應為12.4 m，采空區處于臨界狀態，應及時處理，以排除危險。

2.3 采空區處理

通過對采空區進行現場勘查和分析研究，確定處理方案為:以臨近空區的臺階為自由面，采用爆破法崩落空區頂板。采空區上方炮孔加密布置，孔網參數為3.5 m×2.75 m，采空區頂部鉆孔均穿透，孔內下部填塞3 m，孔口填塞3.5 m，采用連續裝藥結構，同排同段起爆，逐排微差爆破。由于采空區部分區域頂板厚度小于安全要求，施工過程嚴禁大型設備進入，限制場內同時工作人數，停止周圍爆破施工，禁止夜晚施工，加強現場監測。

經過前期施工準備，成功實施了爆破處理。本次爆破共使用炸藥6391.4 kg，爆破方量約為7542 m3，計算單耗 0.85 kg/m3。

2.4 處理后評價

對爆破前后采空區情況進行現場測量，根據計算，得出爆破前后該采空區的情況，如表2所示。

表2 爆破前后1755－1－空3采空區情況統計表

從上表可以看出，爆破后地表產生凹陷區體積為2480 m3，稍大于計算所得修正后理論凹陷區體積，誤差較小，說明空區松散體基本充填了空區。現場調查表明，1755－1－空3采空區處理基本達到了預期目的，效果良好。

圖2 掃描結果復合模型

3 結語

露天采場境界內分布的大量不明空區，嚴重阻礙了礦山基建剝離工程進度，大大提高了礦山投資建設的風險程度，通過建立空區探測、保安層厚度確定、空區處理、后評價的制度化管理模式，有效降低、化解了采空區對采場安全作業的威脅。為礦山安全有序的建設創造了條件，提升了礦山可持續發展能力，促進了礦產資源的合理開發利用，為企業取得良好的經濟和社會效益打下了堅實的基礎，也為礦山的后續建設積累了工程經驗。

［1］謝九敬，等.露天境界內地下復雜采空區的探測與治理［J］.采礦技術，2009，9(2):49-61.

［2］甄云軍.甕福磷礦穿巖洞礦段地下采空區處理方法［J］.化工礦物與加工，2008(8):20-23.

［3］姚 建.大寶山地下采空區穩定性分析及處理技術［D］.長沙:中南大學，2006.

［4］陳 敏，等.金屬礦山地下采空區風險評價體系的研究［J］.采礦技術，2007，7(3):22-27.

［5］鄭懷昌，等.地下采空區危險性及其分析［J］.礦山壓力與頂板管理，2005(4):127-129.

［6］楊布華.我國非煤礦山地下采空區穩定性研究進展［J］.礦產與地質，2008，22(5):473-478.

［7］吳成平，胡祥云.采空區的物探勘查方法［J］.地質找礦論叢，2007，22(1):19-22.