露天采場地下采空區(qū)防治技術(shù)研究

喻 鴻，藍(lán) 宇

露天采場地下采空區(qū)防治技術(shù)研究

喻 鴻，藍(lán) 宇

(大寶山礦業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān)市 512127)

為有效改善礦山安全生產(chǎn)狀況，推進綠色礦山建設(shè)，對大寶山礦露天下部采空區(qū)的形成歷史及分布特征進行了分析研究，針對地下采空區(qū)對礦山安全生產(chǎn)的危害及其表現(xiàn)形式，通過引進高科技設(shè)備及采空區(qū)處理技術(shù)研究，提出了露天下部采空區(qū)的有效技術(shù)措施和防治方法，為礦山安全生產(chǎn)提供了可靠的保障，取得了突出的社會效益和經(jīng)濟效益。

露天開采;采空區(qū)治理;微震監(jiān)測;強制崩落

0 引 言

近年來，隨著我國礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，礦山開采技術(shù)取得了長足的進步。礦產(chǎn)資源開發(fā)利用總體上還比較傳統(tǒng)粗放，安全事故頻發(fā)，生態(tài)破壞、環(huán)境問題十分突出。為有效改善目前礦山開采現(xiàn)狀，國家提出礦山開采在加強安全生產(chǎn)的同時推進綠色礦山、生態(tài)文明的建設(shè)。一方面加強安全生產(chǎn)工作，防止和減少生產(chǎn)安全事故，保障人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，促進社會經(jīng)濟持續(xù)健康的發(fā)展，國家修訂了安全生產(chǎn)法，尤其“十九大”以后相繼出臺了一系列政策、法規(guī)，旨在落實安全生產(chǎn)主體責(zé)任，強化安全紅線意識和底線思維，全面深化隱患排查整治,改善安全生產(chǎn)形勢。另一方面大力推進綠色礦山和綠色礦業(yè)發(fā)展示范區(qū)建設(shè)，通過一系列治理規(guī)劃，到2020年基本建成節(jié)約高效、環(huán)境友好、礦地和諧的綠色礦業(yè)發(fā)展模式，從根本上改變目前大部分礦山粗放式的開采模式。

為響應(yīng)國家相關(guān)政策，消除礦山安全生產(chǎn)隱患，建成綠色現(xiàn)代化礦山。廣東省大寶山礦業(yè)有限公司針對礦山頭號安全隱患——露天采場下部采空區(qū)開展了系統(tǒng)的治理工作。

1 大寶山礦采空區(qū)現(xiàn)狀

大寶山礦始建于1958年，1966年開始進行大規(guī)模建設(shè)和生產(chǎn)，1975年正式投產(chǎn)，1995年更名為廣東省大寶山礦業(yè)有限公司，現(xiàn)隸屬廣晟資產(chǎn)經(jīng)營有限公司，屬國有獨資企業(yè)。建礦初期，礦山規(guī)劃為鐵、銅、鉛鋅、硫等礦產(chǎn)資源，主要采用露天開采，露天開采結(jié)束以后，轉(zhuǎn)入井下開采。1980年代，周邊民采對井下銅硫鉛鋅資源進行了掠奪式開采，民窿最多達(dá)112條，大規(guī)模無序盜采，嚴(yán)重制約了礦山開采秩序，礦產(chǎn)資源流失嚴(yán)重。為了治理民采，保護礦產(chǎn)資源，1997年礦山被迫終止銅采場露天采剝，轉(zhuǎn)入井下開采，形成露天采鐵與井下采銅聯(lián)合開采的格局。

為保證礦山安全開采，大寶山礦井下開采過程中對民窿盜采形成的不規(guī)則采空區(qū)進行治理，但由于民采范圍大、開采區(qū)域不確定，治理工程遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到采充平衡的要求，2004年發(fā)生了3次大塌方，嚴(yán)重影響到井下安全生產(chǎn)。為此，大寶山礦區(qū)地下開采于2005年8月15日停產(chǎn)整頓，進行采空區(qū)隱患整改、治理，并重新規(guī)劃大露天開采，在露天開采過程中進行采空區(qū)有序處理。據(jù)統(tǒng)計，礦山井下開采過程中形成的采空區(qū)及已探明的部分盜采空區(qū)約為120萬m3，此類采空區(qū)資料較全，露天開采過程中較易處理。另外井下仍存在一部分不明采空區(qū)，該類采空區(qū)不可控，嚴(yán)重威脅礦山的安全生產(chǎn)。

2 采空區(qū)災(zāi)害防控與治理

2.1 采空區(qū)危害

露天下部采空區(qū)在露天機械擾動、水化作用和爆破震動等多因素影響下 ,頂板及圍巖巖體強度弱化，出現(xiàn)裂縫并不斷擴展，造成局部巖體失穩(wěn)，進而發(fā)展為采空區(qū)塌陷。采空區(qū)塌陷對礦山主要危害如下：

（1）威脅采場作業(yè)安全。露天礦山生產(chǎn)過程中，采場范圍內(nèi)存在大量的設(shè)備及人員作業(yè)，一旦出現(xiàn)下部采空區(qū)失穩(wěn)引發(fā)地表塌陷，由于瞬間發(fā)生，人員逃生機率幾乎為零，設(shè)備損毀不可避免；

（2）引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。露天邊坡下方采空區(qū)與邊坡穩(wěn)定性相互影響、相互制約，隨著露天開采的推進，邊坡高度逐步加大，巖體應(yīng)力集中程度增加，造成采空區(qū)附近巖體失穩(wěn)，采空區(qū)垮塌，進而引起邊坡失穩(wěn)滑坡，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；

（3）破壞井下設(shè)施。大寶山礦終止地下開采后，仍存在部分井下設(shè)施，如640 m精礦輸送平硐，井下抽水設(shè)施等，由于井下采空區(qū)分布集中，局部采空區(qū)失穩(wěn)易造成連鎖反應(yīng)，出現(xiàn)大面積采空區(qū)垮塌，破壞井下設(shè)備設(shè)施。

2.2 采空區(qū)災(zāi)害防控

在充分分析露天下部采空區(qū)制災(zāi)機理的基礎(chǔ)上，通過制定系統(tǒng)管理制度，引進先進技術(shù)和高科技設(shè)備，大寶山礦形成了一套形之有效的采空區(qū)災(zāi)害防控手段。

（1）引進先進設(shè)備及技術(shù)進行采空區(qū)防控。在充分分析研究大寶山礦采空區(qū)分布情況及地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，引進了一系列先進設(shè)備及技術(shù)對采空區(qū)進行探測及穩(wěn)定性監(jiān)測：一是引進先進的地球物理勘探手段三維地震勘探，確定露天境界下方采空區(qū)分布狀況，防止不明采空區(qū)影響露天安全生產(chǎn)；二是引進淺層便攜式地質(zhì)雷達(dá)探測淺層小型采空區(qū)，同時根據(jù)探測結(jié)果進行鉆探驗證，防止近地表淺埋采空區(qū)突然塌陷；三是引進國際先進IMS微地震監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)重點分布區(qū)域進行全天候動態(tài)監(jiān)測，實時掌控采空區(qū)穩(wěn)定性狀況，對采空區(qū)塌陷進行提前預(yù)警；四是購置多點位移計實時監(jiān)測礦山精礦運輸通道640 m平硐圍巖應(yīng)力變化情況，確保礦山運輸大動脈安全運行。

（2）采空區(qū)防控措施。制定采空區(qū)防塌陷措施，實行區(qū)域封閉、警戒，增加人工巡查；充分發(fā)揮人的主觀能動性，提高現(xiàn)場作業(yè)人員的安全防范意識，做到真正的本質(zhì)安全；分析研究礦床地質(zhì)分布，針對高富礦塊制定專項探測；針對暴雨、寒冷等惡劣天氣，巡查觀察雨水流向和冒煙，加強重點區(qū)域穩(wěn)定性的監(jiān)測，防止產(chǎn)生安全事故。

2.3 采空區(qū)治理

通過多年采空區(qū)治理工程的積累，大寶山礦形成了一套完整的采空區(qū)治理體系，包含采空區(qū)探測、采空區(qū)處理、采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測。

（1）采空區(qū)探測。掌握準(zhǔn)確、全面的采空區(qū)資料，是實現(xiàn)采空區(qū)有效管理、處理方案研究等后續(xù)工作的前提條件。經(jīng)過多年探索，形成了歷史資料分析、地球物理勘探、鉆探和三維激光掃描相結(jié)合的采空區(qū)探測方案，通過多技術(shù)集成，實現(xiàn)了對大寶山采空區(qū)的精準(zhǔn)探測。采空區(qū)三維激光掃描結(jié)果如圖1所示，采空區(qū)三維模型如圖2所示。

（2）采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測。為有效預(yù)防采空區(qū)塌方發(fā)生安全事故，引進目前最先進的微震監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)密集區(qū)域進行穩(wěn)定性重點監(jiān)測（包括不明采空區(qū)以及采空區(qū)處理穿爆過程中）。該套系統(tǒng)通過采集巖層破裂所產(chǎn)生的微震事件，對破裂地點進行準(zhǔn)確定位，提前對可能出現(xiàn)的采空區(qū)塌方進行預(yù)測預(yù)報。同時微震監(jiān)測系統(tǒng)可收集采場范圍內(nèi)的所有聲波信號，包括打鉆、放炮、機械震動等，因此對民采作業(yè)形成的不明采空區(qū)的判斷有重要指導(dǎo)意義。圖3為微震監(jiān)測采集的采場爆破波形，采空區(qū)塌陷事件微震監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警見圖4。

圖1 采空區(qū)三維掃描結(jié)果

圖2 采空區(qū)三維立體模型

圖3 采場爆破波形

圖4 采空區(qū)塌陷失穩(wěn)預(yù)警

（3）采空區(qū)處理。針對不同采空區(qū)賦存形態(tài)，相繼開展了爆破強制崩落處理、誘導(dǎo)崩落處理、爆破一次成井充填采空區(qū)等多種方式處理采空區(qū)，其中爆破強制崩落處理為礦山最常用的采空區(qū)處理方法。設(shè)計采空區(qū)范圍內(nèi)的鉆孔全部打穿采空區(qū)，爆破孔網(wǎng)參數(shù)采用4.0 m×4.0 m。采空區(qū)頂板較薄的位置布置加強孔，在加強孔區(qū)域內(nèi)設(shè)計3個底部裝藥鉆孔，吊孔裝藥實施強制爆破。歷史上最大的一次采空區(qū)處理爆破前后對照見圖5。

圖5 強制崩落爆破前后對比圖

3 結(jié) 論

大寶山礦采空區(qū)分布情況極為復(fù)雜，為數(shù)眾多，形狀多樣，大部分采空區(qū)隱埋位置和標(biāo)高不確定。大寶山礦經(jīng)過多年摸索，積極引進國內(nèi)外先進經(jīng)驗及設(shè)備，取得的主要成果如下：

（1）響應(yīng)國家相關(guān)政策，消除了礦山安全生產(chǎn)隱患，為推進綠色礦山和綠色礦業(yè)發(fā)展示范區(qū)建設(shè)提供了可靠保障；

（2）總結(jié)出了一套詳盡且行之有效的采空區(qū)處理體系：通過采空區(qū)深孔鉆探和潛孔加密探測、精準(zhǔn)三維激光掃描、微震技術(shù)和精密設(shè)備穩(wěn)定性監(jiān)測以及現(xiàn)場人工加強監(jiān)測，采空區(qū)有效爆破處理，成功解決了困擾大寶山礦的采空區(qū)問題，確保了礦山安全生產(chǎn)；

（3）大寶山采空區(qū)防治技術(shù)的研究，不但有效消除了露天下部采空區(qū)對礦山安全的威脅，改善了礦山生態(tài)環(huán)境，創(chuàng)造了卓著的社會效益，而且?guī)椭V山有效回采空區(qū)周邊隱患資源120萬m3，采出礦量408萬t，盤活了資源，延長了礦山服務(wù)年限。實現(xiàn)產(chǎn)值5.72億元，新增利稅2.04億元，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。研究成果極具推廣應(yīng)用價值，可為國內(nèi)類似礦山提供借鑒的依據(jù)。

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

[2] 姚 建.大寶山地下采空區(qū)穩(wěn)定性分析及處理技術(shù)[D].長沙:中南大學(xué),2006.

[3] 喻 鴻,陳光木,潘 懿.露天礦下部群疊采空區(qū)處理技術(shù)應(yīng)用研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2019,39(09):36-40.

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

[5] 楊布華.我國非煤礦山地下采空區(qū)穩(wěn)定性研究進展[J].礦產(chǎn)與地質(zhì), 2008,22(5):473-478.

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

[7] 甄云軍.甕福磷礦穿巖洞礦段地下采空區(qū)處理方法[J].化工礦物與加工,2008(08):20-23.

(2019-07-04)

喻 鴻(1968—)，男，遼寧遼陽人，高級工程師，主要從事采礦技術(shù)、礦山安全和綠色礦山建設(shè)，Email: 79716311@qq.com。