非煤礦山采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系研究*

李 倩，彭孟長，馬存金，李全明，3

(1.北京中安科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，北京 100012;2.北京市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，北京 100053;3.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

我國非煤地下礦山采空區(qū)總量大且分布廣。采空區(qū)易引發(fā)透水、坍塌、冒頂片幫等多種形式的災(zāi)害，造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。2016年6月國務(wù)院安委會下發(fā)《金屬非金屬地下礦山采空區(qū)事故隱患治理工作方案》，要求加強(qiáng)采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)管控和隱患排查治理。為了更好的“分級管控、突出重點(diǎn)”。建立采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，劃分采空區(qū)危險(xiǎn)等級，對后續(xù)采空區(qū)的監(jiān)管與治理具有重要意義。

隨著采空區(qū)事故的發(fā)生，近幾年對于地下礦山采空區(qū)的研究逐漸增多。李夕兵、李地元等對金屬礦地下采空區(qū)的探測、處理與安全評判進(jìn)行了研究[1]；馬海濤、賀紅生、付士根對采空塌陷影響因素及穩(wěn)定性分級方法進(jìn)行了研究[2]；閻曉榮、柯波、羅黎明、李爽以云南某礦山工程為例，利用層次分析法對影響采空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行了定量分析并對穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)[3]；馬海軍、黃德鏞在二維風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型的基礎(chǔ)上，提出了采空區(qū)三維風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型[4]；馬海濤、劉寧武等對金屬礦山采空區(qū)災(zāi)害防治技術(shù)進(jìn)行了研究[5]；李山存、劉曉明對金屬礦山地下采空區(qū)定量風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法進(jìn)行了研究[6]；唐碩、羅周全、徐?；谀：镌姆椒▽Σ煽諈^(qū)穩(wěn)定性就行了評價(jià)研究[7]；田曉宇、劉雪嶸基于模糊數(shù)學(xué)理論，對采空區(qū)穩(wěn)定性等級進(jìn)行定量評價(jià)[8]等。

目前，對地下礦山采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系研究中選取的指標(biāo)范圍較大，針對性不強(qiáng)。針對這些問題本文對非煤地下礦山采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系進(jìn)行研究。

1 采空區(qū)形成原因及危害

一是正常開采留下的空區(qū)，例如空場法開采造成的空區(qū)；二是無序開采、采富棄貧留下的空區(qū)；再有就是民采、盜采及亂采濫挖留下的空區(qū)，是采空區(qū)形成的主要原因。

地下采空區(qū)對現(xiàn)有工程的危害明顯，首要危害是采空區(qū)頂板大面積冒落，造成地表沉陷和開裂，破壞地面環(huán)境和影響露天作業(yè)；再有就是在礦山開采過程中，采空區(qū)圍巖受爆破震動影響導(dǎo)致巖體裂隙發(fā)育，甚至貫通地表[9]，例如2015年12月25日，因臨近的廢棄石膏礦采空區(qū)坍塌引發(fā)山東平邑玉榮商貿(mào)有限公司石膏礦發(fā)生坍塌。

2 采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

根據(jù)我國非煤地下礦山采空區(qū)數(shù)量較大的特點(diǎn)，將采空區(qū)分類，對采空區(qū)的監(jiān)管具有重要意義。

通過對采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)的分析，將與采空區(qū)安全有關(guān)的參數(shù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行歸類，初步建立采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，對采空區(qū)的危險(xiǎn)度進(jìn)行分級。

2.1 體系的建立

通過對采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的相關(guān)性分析，刪除具有較大相關(guān)性的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，最終形成了具有相互獨(dú)立性的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，如圖1所示，指標(biāo)體系分為3大類，分別是地質(zhì)條件、空區(qū)特征和地面條件。3大類共包含13個(gè)指標(biāo)[10-12]。根據(jù)選取的指標(biāo)，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)[13-15]的方法建立對象集U：

U={U1,U2,…,Ui}，(i=1,2,…,13)

(1)

該指標(biāo)體系為采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)分級提供前提條件。

圖1 采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系Fig.1 Risk index system of mined out area

2.2 指標(biāo)權(quán)重

為了準(zhǔn)確得到采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重，本文利用地下礦山專家系統(tǒng)對各指標(biāo)對采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度進(jìn)行評估，并結(jié)合重要度系統(tǒng)評比法、多比例對比法以及層次分析法等，最終得到各指標(biāo)的權(quán)重A：

A={a1,a2,…,ai}，(i=1,2,…,13)

(2)

各指標(biāo)權(quán)重如表1所示。

表1 采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)各指標(biāo)權(quán)重

2.3 指標(biāo)分析

根據(jù)大量的有關(guān)采空區(qū)事故案例，并利用國內(nèi)地下礦山專家系統(tǒng)和結(jié)合工程使用中可操作性，將采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行分級，共分為4個(gè)級別，指標(biāo)體系的分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

2.4 確定隸屬函數(shù)

采用邏輯分區(qū)法確定隸屬函數(shù)，用矩陣R表示：

(3)

式中：M1,M2，…,M5為采空區(qū)災(zāi)害指標(biāo)級別；U1,U2,…,Ui為采空區(qū)災(zāi)害主要影響因素；rij為第i個(gè)影響因素對應(yīng)第j等級的隸屬值。采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值為：A級為1，B級為3，C級為7，D級為10。

2.5 危險(xiǎn)度等級劃分

在綜合上面等級劃分方法的基礎(chǔ)上，通過模糊評判矩陣P確定采空區(qū)危險(xiǎn)等級。

(4)

采空區(qū)危險(xiǎn)性分級的等級劃分如表3所示，共分為4個(gè)等級，等級越大越危險(xiǎn)。

表3 采空區(qū)危險(xiǎn)性分級等級

危險(xiǎn)等級1級，采空區(qū)安全或基本安定，不需要對采空區(qū)進(jìn)行處理；危險(xiǎn)等級2級，采空區(qū)初步呈現(xiàn)不安定，存在危險(xiǎn)，例如空區(qū)體積較小，與作業(yè)區(qū)域距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以根據(jù)采空區(qū)實(shí)際情況，加強(qiáng)巡檢，暫不進(jìn)行專項(xiàng)治理，若今后生產(chǎn)及其他作業(yè)需要處理時(shí)再進(jìn)行治理；危險(xiǎn)等級3級，采空區(qū)呈中等不穩(wěn)定，例如采空區(qū)與現(xiàn)有開采區(qū)域距離較近或可納入同一采場時(shí)，可根據(jù)采礦進(jìn)度，待掘進(jìn)至距離空區(qū)較近處處理空區(qū)或與現(xiàn)有工程產(chǎn)生的空區(qū)合并處理；危險(xiǎn)等級4級，采空區(qū)呈高度不穩(wěn)定，空區(qū)面積較大，周邊有作業(yè)人員時(shí)，應(yīng)立即處理，通常采用崩落圍巖和物料充填法處理采空區(qū)。

3 實(shí)例應(yīng)用

本文以我國中東部某鐵礦為例，根據(jù)建立的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，對采空區(qū)危險(xiǎn)度分級。

3.1 工程概況

該鐵礦采空區(qū)存在露天采場南北端幫，為留礦法回采形成。礦體走向長320～350 m，傾向W，傾角一般為60°～65°，礦體呈似層狀產(chǎn)出，分支復(fù)合頻繁。礦體厚度變化大，最大20 m，一般為1～5 m。南端幫采空區(qū)設(shè)計(jì)階段高度20 m，采礦高度8～15 m，礦房間留有10 m的間柱；北端幫采空區(qū)設(shè)計(jì)階段高度20 m，采礦高度10～15 m，礦房間留有10～20 m的間柱。在露天采場終了邊坡平臺上沿礦體走向掘進(jìn)5 m×5 m的分段巷道。采礦施工沿礦體走向采掘，并留有保安礦柱。

礦區(qū)露巖層主要為各類片麻巖，發(fā)育不同程度的構(gòu)造節(jié)理，巖石一般較完整、堅(jiān)硬。圍巖主要以黑云角閃斜長片麻巖為主，其次為含磁鐵片麻巖等各種類型的片麻巖。

該采空區(qū)于2006年至2012年間形成。目前北端幫采空區(qū)東50 m為臨時(shí)運(yùn)輸公路，西部和北部各約100 m為生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域，作業(yè)人員約85人。南端幫未生產(chǎn)作業(yè)，南端幫上為施工隊(duì)辦公區(qū)，常駐人員15人左右。

3.2 采空區(qū)探測結(jié)果

根據(jù)礦山實(shí)際情況，采空區(qū)賦存狀態(tài)如表4所示。

采空區(qū)分布圖如圖2所示。

表4 采空區(qū)賦存狀態(tài)

圖2 采空區(qū)分布Fig.2 The map of the goaf distribution

3.3 采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級劃分

根據(jù)礦山實(shí)際情況，該鐵礦風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)等級如表5所示。

根據(jù)表1及表5中的取值計(jì)算采空區(qū)的危險(xiǎn)分值P=0.03×1+0.10×1+0.03×10+0.04×1+0.20×1+0.03×3+0.03×3+0.06×7+0.04×10+0.10×10+0.04×10+0.10×10+0.20×10=6.07，危險(xiǎn)等級4，屬高危險(xiǎn)空區(qū)，應(yīng)立即處理。

根據(jù)采空區(qū)基本特征和企業(yè)實(shí)際情況，采取崩落法和膠結(jié)充填法對采空區(qū)進(jìn)行治理。

3.3.1 單層采空區(qū)

單層采空區(qū)采用深孔爆破強(qiáng)制崩落法進(jìn)行處理，采空區(qū)頂板所有鉆孔穿透頂板，爆破后采空區(qū)頂板充填采空區(qū)。

表5 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)等級

3.3.2 多層重疊采空區(qū)

當(dāng)重疊采空區(qū)間隔層厚度h2大于采空區(qū)2的保安層厚度時(shí)，直接簡化為單層采空區(qū)分別進(jìn)行爆破處理。處理采空區(qū)1時(shí)，在空區(qū)底部構(gòu)筑緩沖墊層，防止巖石塌落對下部保安層的沖擊破壞，如圖3所示。

圖3 簡化單層空區(qū)處理方案Fig.3 Simplified as a single layer of empty to deal with the program

當(dāng)重疊采空區(qū)間隔層厚度h2小于采空區(qū)2的保安層厚度時(shí)，上部采空區(qū)1處理完成后，先不裝運(yùn)，A臺階和B臺階并段，采用水平孔或斜孔進(jìn)行爆破處理采空區(qū)2，待爆堆穩(wěn)定后一并裝運(yùn)，如圖4所示。

圖4 多層重疊空區(qū)處理方案Fig.4 Multi-layer overlapping empty area processing scheme

4 結(jié)論

1)根據(jù)我國非煤礦山特點(diǎn)，選取與采空區(qū)相關(guān)的3大類共13個(gè)指標(biāo)建立采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系。采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系可按危險(xiǎn)程度對采空區(qū)進(jìn)行分類，從而確定采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級。

2)根據(jù)建立的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系對某鐵礦采空區(qū)危險(xiǎn)度進(jìn)行分級，分級結(jié)果確定該礦山采空區(qū)危險(xiǎn)等級4級。建立的采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系可較好的劃分采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級，為采空區(qū)分級管控提供指導(dǎo)。

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