某鐵礦采空區治理與露天開采協同技術應用實踐

李建華 劉俊龍 樊保龍 張 威 蒲加永 張亞群 張立華

(北方爆破科技有限公司)

隨著國民經濟的發展，我國逐漸成為礦產資源開發利用大國，由于資源賦存條件、采礦方法和開采規模等客觀因素的限制，一些遺留下來的地下礦山空區治理問題逐漸顯現。如何有效消除空區及其帶來的影響已成為礦產資源整合企業在安全生產中面臨和亟需解決的問題之一[1-2]。

空場采礦法是我國金屬礦山應用最為廣泛的一種采礦方法，要求礦石與圍巖達到中等以上穩固，具有成本低、能力大、效率高等優點；但在開采工作結束后會在采場留下大量的礦柱與采空區[3]。伴隨著礦房、巷道、硐室等地下工程周邊的巖體松動變形，會出現塌方、冒落等情況，造成安全隱患，基于此，對露天開采范圍內的地下采礦工程及空區進行詳細的勘測，及時消除空區隱患，為露天開采提供一個相對安全的工作環境，具有重要的實際意義。

隨著國家“十三·五”去產能工作的開展，礦產資源整合力度不斷加大，河北省北部一礦山企業通過資源整合，將礦區內10余個地采礦井所形成的采空區進行了規劃，采用露天開采與采空區治理相結合的方式進行一體化協同處理，消除空區隱患，保障安全生產的前提下實施露天采礦生產，以達到采空區治理與露天開采兼顧的目的。

1 工程概況

某礦企礦石為磁鐵礦，密度為3.35 t/m3；脈石有透閃石、方解石等，密度為2.75 t/m3；采場臺階高度為12 m，設計采剝總量為1 000萬t/a，采用φ150 mm潛孔鉆機開采。該礦企空區多為之前的小規模民采空場法采礦形成，其地下有平巷、豎井、巷道、斜坡道、盲豎井、各水平進路礦體崩落形成的采空區等多種類型工程。礦井內部分工程如巷道、礦房等周邊圍巖在重力作用下有垮塌跡象，因鐵礦石圍巖具有強度高、穩定性好的特點，地下工程仍較穩定。據統計，已探明采空區面積約36萬m2，體積約330萬m3，最大空區高度為35 m。

2 采空區治理與露天開采技術思路

采空區治理與露天開采協同技術是采用超前勘測等技術手段對露天采礦生產下部的空區進行探測，并采取相應的防控措施，以形成探測、充填、強制崩落和地表采裝運輸為一體的協同開采生產組織模式，其核心技術為采空區勘測和頂板崩落。

采空區處理須考慮礦山地質賦存條件、采礦方法、空區形態、地壓顯現特征等因素，經論證分析后，有針對性地提出安全對策[4]。采空區處理方法分為“崩、充、撐、封”以及聯合施工方法。以往空區治理采用自然塌落和頂板爆破崩落方式，勘測多為技術員憑感覺、經驗判斷及潛孔鉆穿孔驗證，缺乏必要的地下采礦資料及空區數據支撐。針對空區類型制定不同方案，建立地采資料收集匯編—采空區勘測—科技檢測—資料分析反饋—采場實地放點—生產勘探6個程序化的采空區監測方案。在露天采礦生產中形成探測、監測、充填或崩落處理、采裝、運輸、安全預警為一體的協同技術方案，解決露天開采與地下采空區治理之間的矛盾，保障露天采礦生產的安全高效。

3 采空區治理與露天開采技術關鍵要素

采空區與露天開采一體化作業中，完善的安全規章及完備的采空區治理技術方案必不可少，特別是采空區上部的采礦生產作業須制定切實可行的安全技術管控措施，采空區治理與露天開采協同技術有幾種情況須明確：

(1)采礦終了境界圈定應確認鄰近露天邊坡30 m 內無空區。

(2)對境界內的空區資料進行完整匯總和詳細分析，聘請專業的測繪公司對空區類型及周界進行測繪。

(3)不同類型的空區應當制定并采取不同的治理方案，做到一個采空區對應一個方案。

(4)對于形狀、大小不明空區，采用潛孔鉆超前勘探。

4 采空區治理與露天開采協同技術應用

4.1 采空區資料收集

抽調涵蓋地質、測量、采礦、安全等專業的技術力量，將露采境界范圍內的地下采礦及民采項目資料進行匯總，建立完善采空區資料檔案。

匯總采空區的實地測繪、科技勘測、生產勘探網格分析等相關的數據和地質資料，作為采空區治理依據，為空區治理及露天開采協同提供數據支持。

聘請測繪公司及科研機構對地下采礦工程及空區實地勘測，存留影像及實測空區周界坐標資料；進行地質編錄，并對斷層、破碎帶隨空區垮落形成的二次空區進行測繪和研判。生產勘探以實現對采空區頂板及周界控制為目的，對疑似采空區及空區資料不明確的部位采用潛孔鉆機穿孔，布置一定的網格參數，重點是礦體部位的穿孔查勘，并對下部礦體形態及空區進行預測。某水平生產勘探參數見表1。

表1 某水平生產勘探參數

4.2 空區穩定性影響因素分析

采用有限元軟件對采空區應力狀態及穩定性進行計算分析，經測算，采空區幫壁、頂板與底板為拉應力集中區域，采空區幫壁與頂底板的交界處為壓應力和剪應力集中部位；最大拉應力出現于采空區頂板中央處，最大壓應力和最大剪應力出現于采空區邊角處；頂板拉應力是導致空區失穩的重要原因[5]。將采礦設備與空區進行數值模擬分析，經測算，空區高度小于15 m，面積小于200 m2時，50～100 t設備在空區上方30 m運行，對空區穩定性影響不大；當地表設備質量超過100 t時，對空區穩定性影響較為明顯。同時巖性與地質結構發生變化時，對空區頂板穩定性的影響程度會越大，在露天采礦生產中應予以重視。

4.3 采空區類型及處理方案

針對空區的不同類型，制定不同的處理方法和策略，空區類型及處理方案見表2。

表2 采空區類型及處理方案

4.4 采空區頂板爆破崩落技術的關鍵要素

治理較大的地下空區，如地下礦房和硐室，通常結合露天深孔臺階爆破同步進行。露天爆破要既滿足設備采裝要求，亦作為空區頂板崩落處理的有效手段，對于空區的周界定位尤為關鍵。在采用頂板崩落方法進行采空區治理時，總結出了一套關鍵技術及流程，見圖1。

圖1 采空區頂板崩落處理流程

精準探測采空區周界及頂板至地表距離，在地表對空區范圍圈定放點，根據巖性、地質情況及空區規模進行數值模擬，校核頂板與地面的最小安全距離，以保證空區頂板一次崩落，區分2種情況，見表3。

表3 空區頂板至地表不同距離的爆破方式

在鄰近采空區實施的精細爆破中，對穿孔精度提出了更高的要求，同時需要反復校核孔網參數及爆區規模，以保證爆破后空區頂板完全崩落。

4.5 采空區頂板崩落施工

某空區距地表11 m，穿孔設備為φ150 mm潛孔鉆機，采用露天深孔臺階爆破實施頂板崩落，炮孔布置見圖2，炮孔參數見表4。

采用毫秒延期爆破實施頂板崩落技術有3個關鍵方面：其一，采空區的周界的精準定位；其二，正常炮孔、鄰近空區炮孔和空區上方崩落孔的穿孔精度；其三，充分利用單孔及爆區爆破漏斗效應，實現空區內部頂板及空區支撐圍巖的完全崩落。

圖2 炮孔布置示意

項目孔徑/mm孔網參數/m孔深/m頂板上方崩落孔1504.5×48～9空區邊界臨近炮孔1504.5×414正常炮孔1505×414

5 應用效果

某礦企自2017年初實施采空區治理與露天開采協同技術以來，通過對空區精準勘測和采用頂板精細爆破等一系列技術方法，空區頂板得到有效破碎，2017年度處理空區約2.31萬m3，2018年上半年處理空區1.02萬m3，空區隱患得到有效控制，未出現一起因空區而導致的人員及設備損失。采空區治理同采礦生產實現了良好銜接，未出現因采空區而導致停工、停產，采掘計劃兌現率由2016年的80%提高到2017年的90%，創造經濟效益150余萬元。

6 結 論

以治理露天礦下部空區為切入點，簡述了采空區產生的原因以及常用的治理方法，并以某鐵礦為例，對采空區治理與露天開采協同技術進行了闡述，露天礦山下部空區治理需進行詳勘，研究治理方案，及時消除空區隱患，為露天礦山開采提供一個相對安全的工作環境；采用深孔臺階爆破技術對采空區頂板進行爆破崩落，總結了頂板崩落的技術要點，取得良好的經濟效益、安全效益及社會效益，為類似工程提供借鑒。