露天礦山采空區(qū)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(shù)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(nèi)存在或明或暗的地下采空區(qū)。從國內(nèi)露天礦山的實際情況來看，造成地下采空區(qū)存在的原因主要有3種:一是隨著礦產(chǎn)資源價值的提高，使原來不具有大規(guī)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(zhuǎn)露天開采;二是在國家鼓勵對礦產(chǎn)資源的集約化、大型化開采利用的背景下，對大型礦床內(nèi)多家小礦山分割礦權(quán)開采的情況進行了大規(guī)模整合后轉(zhuǎn)為露天開采的;三是露天采場周邊存在地下盜采現(xiàn)象。采空區(qū)的存在，威脅著露天開采的生產(chǎn)安全，因此，采空區(qū)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(nèi)采空區(qū)方面大量資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者的工程實踐經(jīng)驗，從采空區(qū)探測、穩(wěn)定性分析、處理以及處理后評價等方面，對每一個技術(shù)流程進行了總結(jié)，并探討各種技術(shù)的優(yōu)缺點。最后，簡要介紹了某礦山采空區(qū)工程實例，以進一步具體說明實際應用。

1 采空區(qū)探測、穩(wěn)定性評價及處理

采空區(qū)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(qū)資料，是實現(xiàn)采場生產(chǎn)安全和采空區(qū)有效管理的前提條件。

采空區(qū)探測前的準備工作包括已有資料的收集、分析，主要包括區(qū)域內(nèi)采空區(qū)形成歷史、空區(qū)分布、塌陷情況以及探測孔穿孔情況等。在此基礎(chǔ)上，選擇有針對性的技術(shù)手段?，F(xiàn)有的采空區(qū)探測技術(shù)手段主要由以下幾種。

1.1 采空區(qū)探測技術(shù)

1.1.1 鉆探技術(shù)

用超深鉆探測采空區(qū)是較為簡單的技術(shù)，根據(jù)礦山采剝計劃，在空區(qū)可能分布區(qū)域，以一定孔深和孔網(wǎng)參數(shù)超前露天臺階推進方向鉆超深探測鉆孔。超前鉆探發(fā)現(xiàn)空區(qū)時，詳細記錄孔深，并用測繩測出空區(qū)高度，同時保護好穿透孔，待后續(xù)進行三維激光掃描。

用超前鉆探法對采場空區(qū)進行大規(guī)模排查，能提前發(fā)現(xiàn)空區(qū)，規(guī)避危險區(qū)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(qū)的范圍，而不能得到空區(qū)的準確資料。主要用來發(fā)現(xiàn)空區(qū)，為后續(xù)精確的空區(qū)探測提供前期工作。

1.1.2 地球物理探測技術(shù)

近年來，采空區(qū)的地球物理探測技術(shù)發(fā)展很快，目前較為常用的物探技術(shù)根據(jù)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(qū)探測的工程實踐來看，物探技術(shù)主要適用于大范圍的采空區(qū)分布探測，能大體圈定采空區(qū)范圍和數(shù)量，精度較差，無法準確探測采空區(qū)三維分布形態(tài)，且技術(shù)人員的經(jīng)驗對探測結(jié)果影響很大。

1.1.3 三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)主要有CMS系統(tǒng)和C－ALS三維激光掃描系統(tǒng)，這兩種探測系統(tǒng)原理基本相同，而C－ALS三維激光掃描系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能，逐漸成為采空區(qū)精確探測的主要技術(shù)。該系統(tǒng)掃描探頭直徑50 mm，可360°旋轉(zhuǎn)，全方位覆蓋高達150 m范圍內(nèi)的整個空區(qū)。數(shù)據(jù)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(qū)三維模型，準確還原空區(qū)三維空間形態(tài)和位置，由此得出采空區(qū)的準確參數(shù)(長、寬、高、頂板厚度等)，為后續(xù)處理提供可靠的依據(jù)。

該方法的優(yōu)點是從地表穿透鉆孔下放探頭，作業(yè)環(huán)境較好，保證了作業(yè)人員的安全，探測精度較高，速度很快;由于空區(qū)大多是不規(guī)則的，有突起物阻擋激光傳播時，造成空區(qū)探測不完全，存在一定的盲區(qū)，其次是地下空區(qū)霧氣濃重時，也會造成空區(qū)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(qū)形態(tài)的復雜性，決定了對其進行精確探測是極其困難的，現(xiàn)有技術(shù)各有所長，單一的技術(shù)手段難以達到準確性的要求。因此，應把多種技術(shù)手段結(jié)合使用，才能取得較好的效果。為了使空區(qū)探測、管理和處理工作科學化、制度化、規(guī)范化，應根據(jù)礦山實際情況，制定相應的探測方案。經(jīng)過綜合分析礦山工程實踐，資料收集、人工調(diào)查、超前鉆探與三維激光掃描相結(jié)合的方式，基本上能滿足礦山對采空區(qū)探測的技術(shù)要求。

1.2 空區(qū)穩(wěn)定性研究

為保障礦山安全生產(chǎn)，合理評估采空區(qū)危險程度，為采空區(qū)處理提供科學的依據(jù)，在采空區(qū)探測完成后，還需要開展采空區(qū)穩(wěn)定性研究。

采空區(qū)穩(wěn)定性評價中，采空區(qū)保安層厚度是關(guān)鍵的參數(shù)，它決定了采空區(qū)安全和處理時機的選擇。這項工作需要對采空區(qū)所處地質(zhì)環(huán)境進行詳細的地質(zhì)調(diào)查和巖石力學試驗，在此基礎(chǔ)上采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對各種地質(zhì)條件和巖性中的采空區(qū)進行系統(tǒng)的穩(wěn)定性評價。

1.3 空區(qū)處理

空區(qū)掃描完成后，根據(jù)穩(wěn)定性研究結(jié)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(qū)形態(tài)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(qū)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(qū)為例，說明采空區(qū)探測、穩(wěn)定性評價和處理技術(shù)的應用。

2.1 空區(qū)概況

經(jīng)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(qū)。通過這3個鉆孔，對目標空區(qū)進行了三維激光掃描，掃描圖如圖1所示，經(jīng)MDL成圖，導入Surpac軟件進行復合，得到了空區(qū)復合模型(如圖2所示)。經(jīng)綜合分析，得到表1所列的空區(qū)參數(shù)。

圖1 掃描結(jié)果

表1 采空區(qū)參數(shù)

2.2 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

采空區(qū)頂板巖性為灰?guī)r，根據(jù)前期穩(wěn)定性研究，得出采空區(qū)跨度與巖層保安層厚度的關(guān)系為:h=0.697b－0.122，式中，h為保安層厚度，m;b為采空區(qū)跨度，m。經(jīng)計算，保安層厚度應為12.4 m，采空區(qū)處于臨界狀態(tài)，應及時處理，以排除危險。

2.3 采空區(qū)處理

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

經(jīng)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(qū)情況進行現(xiàn)場測量，根據(jù)計算，得出爆破前后該采空區(qū)的情況，如表2所示。

表2 爆破前后1755－1－空3采空區(qū)情況統(tǒng)計表

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

圖2 掃描結(jié)果復合模型

3 結(jié)語

露天采場境界內(nèi)分布的大量不明空區(qū)，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(shè)的風險程度，通過建立空區(qū)探測、保安層厚度確定、空區(qū)處理、后評價的制度化管理模式，有效降低、化解了采空區(qū)對采場安全作業(yè)的威脅。為礦山安全有序的建設(shè)創(chuàng)造了條件，提升了礦山可持續(xù)發(fā)展能力，促進了礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)利用，為企業(yè)取得良好的經(jīng)濟和社會效益打下了堅實的基礎(chǔ)，也為礦山的后續(xù)建設(shè)積累了工程經(jīng)驗。

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