分析地下礦山采空區(qū)探測(cè)與綜合治理

韋天能

摘要：本文詳細(xì)分析了采空區(qū)的特點(diǎn)、分類及危害，介紹了常見(jiàn)的探測(cè)手段、穩(wěn)定性分析方法及綜合治理方法。提出了空區(qū)探測(cè)、建模、穩(wěn)定性分析及治理的一體化空區(qū)圍巖穩(wěn)定性評(píng)判綜合治理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜空區(qū)探測(cè)（CMS 空區(qū)探測(cè)）—采空區(qū)三維模型構(gòu)建（3Dmine 建立空區(qū)三維模型）—數(shù)值計(jì)算（采用FLAC3D程序模擬）之間的耦合鏈接。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；探測(cè)；穩(wěn)定性分析；綜合治理

采空區(qū)是由人為挖掘在地表下面產(chǎn)生的“空洞”，采空區(qū)伴隨著空?qǐng)龇ǎㄈ娣ā⒘舻V法、房柱法）、崩落法（少部分）和充填法（極少量）的回采進(jìn)行而形成。目前，我國(guó)大多數(shù)礦山均不同程度地存在著一些未處理的采空區(qū)，這給礦山生產(chǎn)及周邊環(huán)境帶來(lái)了巨大安全隱患。

1 采空區(qū)特點(diǎn)及其危害

采空區(qū)特點(diǎn)：隱伏性強(qiáng)、規(guī)整性差、空間分布特征規(guī)律性差、空間形態(tài)變異性大、頂板冒落塌陷情況難以預(yù)測(cè)。

采空區(qū)可根據(jù)存在狀態(tài)、形成時(shí)間、可控程度等進(jìn)行分類。按存在狀態(tài)可分為單一空區(qū)、貫通空區(qū)和群落空區(qū)（空區(qū)變形嚴(yán)重、成片連通、面積大、體積大、形態(tài)變化大、穩(wěn)定性差的群空區(qū)）；按形成時(shí)間可分為老采空區(qū)、現(xiàn)采空區(qū)和未來(lái)采空區(qū)（計(jì)劃開(kāi)采的區(qū)域）；按可控性分為明晰空區(qū)、模糊空區(qū)和未知空區(qū)。

國(guó)內(nèi)外每年因采空區(qū)冒落引發(fā)的安全事故時(shí)有發(fā)生，如2008 年8 月11 日廬江龍?zhí)稕_鐵礦采空區(qū)坍塌造成3 人死亡，2008 年6 月25 日桃沖鐵礦崩落塌陷禁區(qū)坍塌引起山體滑坡，造成12 人下落不明等。據(jù)安監(jiān)總局對(duì)2010 年非煤礦山死亡事故統(tǒng)計(jì)分析，與采空區(qū)有關(guān)的事故占33. 6%，采空區(qū)作為影響礦山安全生產(chǎn)及周邊環(huán)境的重大危險(xiǎn)源，已引起礦山主管部門和企業(yè)的高度重視，近年來(lái)國(guó)家加大了對(duì)這方面的監(jiān)管、研究與治理力度。

2 采空區(qū)探測(cè)及穩(wěn)定性分析研究

2. 1 采空區(qū)探測(cè)技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)未知空區(qū)的探測(cè)手段是物探加鉆探，主要物探方法有高密度電法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法、微重力法、地震法、大地電磁法等。其中在金屬礦山地下未知采空區(qū)探測(cè)方面應(yīng)用較多的有電阻率層析成像技術(shù)、瞬變電磁法以及鉆孔彈性波CT技術(shù)。

針對(duì)已知空區(qū)，采空區(qū)的精確探測(cè)是采空區(qū)穩(wěn)定性分析、殘礦回收與綜合治理的首要條件。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的激光3D 掃描技術(shù)為采空區(qū)的三維精確探測(cè)提供了硬件保障，如加拿大CMS 空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)、英國(guó)的鉆孔式激光掃描儀C - ALS 及探桿式掃描儀VS150 等，這些系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是可精確探測(cè)人員無(wú)法進(jìn)入的采空區(qū)及形態(tài)極不規(guī)整的復(fù)雜采空區(qū)。CMS 的探測(cè)硬件設(shè)備與數(shù)據(jù)流程圖及工作原理如圖1，空區(qū)探測(cè)時(shí)將激光探測(cè)設(shè)備伸入到空區(qū)內(nèi)部，便可對(duì)空區(qū)進(jìn)行平面和立面雙向360°掃描，并記錄每個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。對(duì)CMS 記錄的空區(qū)三維坐標(biāo)經(jīng)過(guò)后處理便可建立空區(qū)三維實(shí)體模型，然后通過(guò)三維模型可任意切割剖面、計(jì)算空區(qū)容積等。

1—掃描探頭；2—電源；3—控制PDA；

4—電腦；5—數(shù)據(jù)處理軟件

基于以上空區(qū)探測(cè)技術(shù)，經(jīng)過(guò)大量研究和實(shí)踐，得到了有效探測(cè)復(fù)雜采空區(qū)的可靠方法，即采空區(qū)探測(cè)技術(shù)路線：開(kāi)采資料調(diào)研—礦體賦存特征分析—物探（探測(cè)空區(qū)的存在性和大致范圍）—鉆探（修正物探成果）—CMS 探測(cè)（精確探測(cè)空區(qū)三維坐標(biāo)）—空區(qū)三維模型建立（利用相關(guān)礦業(yè)軟件）。

2. 2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

目前國(guó)內(nèi)外采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法主要有理論分析（模糊理論、灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、彈性梁理論、砌體梁理論、太沙基地壓、普氏地壓等）、相似模擬、數(shù)值模擬（有限單元法、有限差分法、離散單元法、邊界元法、剛體元法等）和工程類比法等。由于采空區(qū)圍巖的特點(diǎn)是隨采場(chǎng)不斷推進(jìn)，巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不斷變化，圍巖中的應(yīng)力分布狀態(tài)不斷調(diào)整，即采空區(qū)穩(wěn)定性分析要充分考慮巖體的非均質(zhì)性及其在采動(dòng)影響下破裂失穩(wěn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，這使得采空區(qū)穩(wěn)定性問(wèn)題通常無(wú)法用解析方法簡(jiǎn)單地求解，相比之下，數(shù)值模擬計(jì)算方法具有較廣泛的適用性。

采空區(qū)治理方案制定前首先要對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)判，其前提是要基本明確采空區(qū)的三維真實(shí)形態(tài)。大量研究和工程實(shí)踐表明，采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)判的可靠性和空區(qū)模型的真實(shí)性極為密切。

3 采空區(qū)綜合治理技術(shù)

3. 1 采空區(qū)治理思路

采空區(qū)如何處理要因地制宜、因時(shí)制宜，不同的礦山和不同的采空區(qū)類型應(yīng)分別對(duì)待。從大的方面來(lái)講，采空區(qū)治理方法就是“崩”、“充”、“封”3 種。

3. 2 采空區(qū)治理方法

3. 2. 1 崩落法處理采空區(qū)

崩落法處理空區(qū)的前提是地表允許塌陷，基本方式是通過(guò)崩落圍巖至空區(qū)全部被廢石充填滿或空區(qū)頂板崩塌至地表，再將地表塌陷坑回填。其特點(diǎn)是處理成本低、見(jiàn)效快、工藝簡(jiǎn)單，在國(guó)內(nèi)礦山空區(qū)處理中廣泛采用?；竟に嚢床傻V方法不同有下面兩種情況：

（1）采用崩落法開(kāi)采礦山。當(dāng)圍巖穩(wěn)固性較好，頂板不能隨采礦的進(jìn)行而自行冒落時(shí)形成采空區(qū)。此類采空區(qū)一般整體規(guī)模較大，采空區(qū)形態(tài)、范圍不明。此時(shí)采用深孔或硐室爆破進(jìn)行強(qiáng)制或誘導(dǎo)崩落頂板巖體冒落。

（2）采用空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采礦山。該類采空區(qū)一般保留有礦柱，空區(qū)整體穩(wěn)定性相對(duì)較好，但由于空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采礦山礦石回收率較低，因此空區(qū)處理要與礦柱回采密切結(jié)合，此時(shí)通過(guò)分區(qū)段、分段等爆破方式崩落礦柱和圍巖，在處理空區(qū)的同時(shí)，充分回收礦體。

3. 2. 2 充填法處理空區(qū)

用碎石、尾砂、水砂、混凝土等充填料充填空區(qū)，控制地壓活動(dòng)。充填法處理空區(qū)適用范圍廣，特別對(duì)地表建筑物保護(hù)，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)等有獨(dú)特的作用。充填法可分為干式充填和濕式充填兩種。前者建立充填系統(tǒng)投資少，充填總成本低，簡(jiǎn)單易行，但充填能力低，多用于礦體規(guī)模不大的中小礦山及老礦山。后者充填料流動(dòng)性好，充填速度快，效率高，多用于厚大礦體的開(kāi)采，但需一整套充填輸送系統(tǒng)和設(shè)施，投資大，其中膠結(jié)充填比水砂、尾砂充填成本高。

3. 2. 3 隔離和封堵處理采空區(qū)

利用封堵墻將采空區(qū)進(jìn)行封堵，將工作區(qū)域和采空區(qū)進(jìn)行隔離，一方面避免人員誤入，另一方面避免采空區(qū)突然大面積冒落時(shí)，采空區(qū)坍塌所形成的沖擊氣浪危及井下作業(yè)區(qū)的安全。但該方法對(duì)地表起不到任何保護(hù)作用，地表移動(dòng)帶仍需監(jiān)測(cè)、隔離。該方法成本低，周期短，投資少。

4 結(jié)論

綜上所述，針對(duì)采空區(qū)的特點(diǎn)，提出了空區(qū)探測(cè)、建模、穩(wěn)定性分析及治理的一體化空區(qū)圍巖穩(wěn)定性評(píng)判綜合治理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜空區(qū)探測(cè)（CMS 空區(qū)探測(cè)）—采空區(qū)三維模型構(gòu)建（采用有關(guān)礦業(yè)軟件）—數(shù)值計(jì)算（采用FLAC3D等）之間的耦合鏈接。

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