高危空區(qū)群下地下轉露天協(xié)同開采技術研究

何斌全 湯永平

（1.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司，湖南郴州423037；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南長沙410012；3.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南長沙410012）

柿竹園礦現保有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號礦帶工業(yè)儲量約2億t，北東部毗鄰野雞尾露天坑。礦體厚大集中，傾角5°～20°，南北長860 m，東西寬1 100 m，平均厚245 m，西部出露地表標高620 m，塌陷區(qū)北部及東部山脊覆巖土厚達180 m，平均剝采比2.21 t/t 小于經濟合理剝采比7.53 t/t，礦石品位上貧下富，適合進行露天開采。礦區(qū)礦巖穩(wěn)固、工程和水文地質條件簡單，傳統(tǒng)由上而下分臺階采剝，基建剝離量1 314.54 萬m3，且先期礦石品位低。建礦初期，因礦石品位低、可選性差、螢石無法綜合回收和經濟受限等影響，該礦采用385 m 平硐—溜井+490 m 平硐—斜坡道開拓，優(yōu)先地下開采采區(qū)中部長315 m、寬313 m 范圍內的富礦，采礦生產能力達到214.5 萬t/a。該礦開采先后經歷了兩個階段，第一階段采用分段空場階段出礦法回采礦體中部品位最高的315 m×313 m 范圍、490～558 m 標高間富礦，只回采礦房；第二階段采用15次中深孔大爆破連續(xù)階段崩落法對315 m×313 m 范圍內的礦柱回采至588 m 標高，導致地表累計塌陷7.97 萬m2，最大塌陷深200 m。地表塌陷給該礦地下正常和安全生產帶來了一系列難題，如地表泥水混入井下導致礦石貧化且影響選礦，塌陷區(qū)北部和東北部高陡懸崖導致地表滾石和滑坡顯現，塌陷區(qū)南部形成跨度100 m 的懸臂空區(qū)、不穩(wěn)定間柱與已采大空區(qū)形成高危群空區(qū)，含礦1 315.24 萬t 的塌落大塊堵塞出礦巷等。確保該礦地下轉露天安全協(xié)同開采的關鍵技術包括前期采剝境界優(yōu)化，井下安全協(xié)同作業(yè)整體方案設計，采空區(qū)精準探測與分類，空區(qū)穩(wěn)定性分析、處理與實時穩(wěn)定性監(jiān)測等。

近年來，國內在空區(qū)探測與分類、空區(qū)穩(wěn)定分析與處理方面研究成果豐碩。李太啟［1］采用鉆孔沖洗液法+鉆孔電視法對采空區(qū)進行了準確探測，但該法工程量較大、耗時長、費用高。馬法成［2］采用高密度電阻率法圈定異常、鉆探驗證和三維激光掃描建模的綜合探測方法對某鐵礦山采空區(qū)進行了高效、經濟、精準探測。譚卓英等［3］在地下轉露天開采實踐中將采空區(qū)類型歸納為規(guī)劃開采形成空區(qū)、古采和非法盜采形成空區(qū)、充填不充分或充填體沉降形成空區(qū)以及二次垮塌形成空區(qū)，并利用探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）精準、高效、經濟地探測了露天境界內淺地表范圍內的復雜空區(qū)。李群等［4］、章林等［5］利用空區(qū)探測儀（MDL-VS150 或CMS）對空區(qū)進行激光掃描獲取點云數據，結合3Dmine 軟件建立了采空區(qū)三維實體模型，并運用FLAC3D軟件進行了空區(qū)穩(wěn)定性分析，對于空區(qū)穩(wěn)定性評價具有重要意義；此外，上述研究中對采空區(qū)進行了分類，按空區(qū)存在狀態(tài)分為單一采空區(qū)、貫通采空區(qū)和群落采空區(qū)，按形成時間分為老采空區(qū)、現采空區(qū)和未來采空區(qū)（計劃開采區(qū)），按可控性分為明晰采空區(qū)、模糊采空區(qū)和未知采空區(qū)。于世波等［6］采用數值模擬、相似模型試驗和有限元強度折減法對甲瑪銅多金屬礦露天與井下協(xié)同開采方法進行了研究，認為地下采空區(qū)充填后對于邊坡穩(wěn)定性的影響甚微。黃先文［7］總結了磷礦露天臺階下地下空區(qū)跨度與安全頂板厚度的關系。趙興［8］研究了大寶山礦采空區(qū)處理問題，認為該礦露天境界下的單層空區(qū)宜采用中深孔或切割孔爆破處理，多層空區(qū)采用分層分次處理法和側翼揭露崩落充填法處理較為妥當。河南洛鉬地下轉露天開采與柿竹園礦開采具有高度的相似性，其協(xié)同開采關鍵技術值得借鑒。王春毅等［9］、林衛(wèi)星等［10］提出了洛鉬礦先采用高密度電法和地震映象法初探空區(qū)，再利用鉆孔探測和三維激光掃描技術精確探測空區(qū)，然后利用微震監(jiān)測方法實時監(jiān)測立體空區(qū)穩(wěn)定性的總體技術思路，并結合空區(qū)賦存特點和處理的難易程度，一次或分次采用碎石充填或控制爆破技術處理空區(qū)。

為有效解決柿竹園礦存在的生產技術難題，借鑒“協(xié)同開采”理念［11-15］以及已有研究成果［16-20］，本研究提出的協(xié)同開采技術方案包括：首先對塌陷區(qū)周邊的高?？諈^(qū)群采用低品位礦石充填；再禁止塌陷區(qū)南部井下采出礦石，清表后在地表采用深孔爆破技術崩落高危懸臂礦巖；然后對塌陷區(qū)北部和東北部高陡懸崖實施地表削坡剝離并回填塌陷區(qū)；最后由地下開采過渡到露天開采，并探索性回采塌陷區(qū)內的巨塊礦石。

1 采空區(qū)類型劃分

根據礦山現場工程地質調查和巖移研究，收集了礦山高10～12 m 的中分段及時更新實測圖和地表塌陷區(qū)及周邊實測圖，結合分層塌陷區(qū)滑移面和巖石結構面分析，繪制了如圖1所示的礦區(qū)地表剝離及塌落區(qū)分布圖。地表塌陷區(qū)現狀如圖2所示。

根據礦山地形地貌、地下采空區(qū)情況、巖石性質、結構面特征、巖體失穩(wěn)破壞特點等因素，本研究將采空區(qū)劃分為地表和各分段塌陷區(qū)、部分充填的過渡型（懸臂）區(qū)、高危明空區(qū)、外圍空區(qū)等4種類型。并結合井下采空區(qū)調研成果，如實測地表塌陷區(qū)、各分段塌落巖移實測點圈成分段塌落區(qū)、嚴重變形的礦間柱等，利用3Dmine 軟件建立的空區(qū)三維模型如圖3所示。

（1）塌陷區(qū)（圖3A 區(qū)）。該區(qū)內大塊懸拱暗空區(qū)和散巖廣泛分布，潛孔鉆機成孔難度大，機械探測方法難以實施。運用物理探測技術［2］可實現對暗空區(qū)探測，主要方法有雷達波法、微重力法、高密度視電阻率法、淺層地震法等。雷達波法［3］和電阻率法在國內外廣泛采用，準確率達到90%以上。該區(qū)井下停止采出礦石并露天堆填壓實低品位礦石后，采用物探方法探明并處理暗空區(qū)，確保安全后，再探索性回采該區(qū)域礦石。

（2）過渡型空區(qū)（圖3B 區(qū)）。該區(qū)暗空區(qū)和明空區(qū)同時存在，如塌落與部分充填的空區(qū)形成過渡型空區(qū)。對暗空區(qū)探測和危害防治法與A區(qū)相同，對明空區(qū)探測和危害防治法與高危明空區(qū)（C 區(qū)）相同。該空區(qū)主要分布于塌落區(qū)南部，該區(qū)域禁止再采出礦石，對井下適宜充填的過渡型空區(qū)進行充填處理；對井下無法充填的大懸臂高?？諈^(qū)，在地表采用深孔爆破技術崩落礦巖充填過渡型空區(qū)。

（3）高危明空區(qū)（圖3C 區(qū)）。該區(qū)大部分人員可進入空區(qū)或在空區(qū)附近開展相關調查，也可采用高精度三維激光探測儀掃描成圖［4］。在實踐中，一般以導入井巷導線點為控制點進行編錄，方位和坡度以地質羅盤控制，用標準皮尺丈量長度，配以LeiCa 激光測距儀確定頂板高度，以提高空區(qū)的編錄精度。對于不明老空區(qū)或人員無法測量的老采空區(qū)，在露天生產中，采用穿孔鉆機水平間隔20～50 m 實施孔深24 m的鉆探［2］，以便準確把握空區(qū)頂板厚度和空區(qū)平面輪廓。用上述手段收集的空區(qū)資料，誤差可在1 m以內。對于該區(qū)域的空區(qū)，可采用低品位礦石充填或超前揭露采剝方式進行處理，以控制其危害。

（4）外圍空區(qū)（圖3D 區(qū)）。該空區(qū)一般位于塌陷區(qū)范圍50 m 以外、600 m 標高以下，受塌陷區(qū)影響小，采空區(qū)一般穩(wěn)定、規(guī)則、較簡單，成線型分布（如平巷及規(guī)則間隔的采場采空區(qū)），對先期的露天剝離安全影響很小。該區(qū)域的空區(qū)中個別是對于未來露天開采生產安全有影響的大采空區(qū)，參考C區(qū)控制技術進行充填處理；其他的小空區(qū)隨著生產臺階下降，可進行超前揭露采剝處理，以控制其危害。

2 地表剝離境界方案優(yōu)化

根據工程地質調研成果，通過分析和研究礦山縱橫剖面圖及生產現狀中分段實測圖等資料，利用3Dmine 軟件建模，以塌陷區(qū)中部采區(qū)下方315 m×313 m 范圍、集中出礦中段492 m 標高為底，按假定的70°錯動角圈定的巖移范圍作為本研究地表剝離重點作業(yè)區(qū)，如圖4所示。

結合礦床賦存條件與塌陷區(qū)的關系，分析認為：①錯動范圍內表土及巖石絕大部分位于732 m 標高以上，720 m 水平能見到品位較低的工業(yè)礦；②塌陷邊界北側的長100 m、寬50 m 半塌陷拱以及南側長234 m、寬100 m 半塌陷拱巖體由于斷層、下部出礦及高陡山坡影響已局部出現滑塌；③除了K5-0/1N盤區(qū)和K3-8 礦房外，剩余部分跨度為20 m 的井下半塌陷拱和單個空區(qū)基本位于塌陷區(qū)南側及北側600 m 標高以下；④除了塌陷區(qū)西部地面標高約640 m 外，其他區(qū)域地面標高均660 m以上。

為盡快解決當前生產問題、減少前期剝離投入，緩解上山公路修建困難，按露天剝離境界底距塌陷區(qū)邊界30 m、采空區(qū)頂板厚不少于50 m［18-19］、最終邊坡小于45°［18］的原則，根據東北部坑底平臺標高732、720、708 m，分別命名為732、720、708 剝離境界，并通過3Dmine軟件建模，進行了方案比選與分析，結果如表1 所示。通過方案比選，優(yōu)化確定的720 剝離境界如圖5至圖7所示。

720采剝境界內巖土總量399.68 萬m3，其中覆蓋層表土40 萬m3排入原太平里排土場，359.68 萬m3巖土中的低品礦石推排入塌陷區(qū)。剝離境界采剝標高為660～885 m，采深225 m，臺階高12 m，臺階坡面角70°，最終邊坡角42°～45°，安全平臺寬3 m，清掃平臺寬6 m，坑內運輸道路寬12 m（個別為6 m）。720剝離境界將為露采基建創(chuàng)造有利條件，按采剝能力不少于150萬m3/a配套設備，剝離年限約2.4 a。結合西南部淺埋礦體露天剝離，實現總采剝能力約280萬m3/a，爭取2～4 a 完成首期露天開采基建，為地下轉露天開采奠定基礎與提供生產經驗。

注：①階段高12 m，臺階坡面角70°；②每2 個臺階設長40 m 緩坡段；③安全平臺寬3 m，清掃平臺寬6 m，每3 個安全平臺留1 個清掃平臺；④道路寬一般為12 m，坡度8%～9%，708 m標高以下道路6 m寬，轉彎半徑15 m；④按150萬m3/a計算剝離年限。

3 地下轉露天安全協(xié)同開采技術

3.1 推排、回填、壓實塌陷區(qū)礦巖

對于塌陷區(qū)凹陷坑，通過采剝低品位礦石，經汽車運至凹陷坑（或大裂隙）外10～15 m 安全地段邊緣，由推土機或裝載機將其自塌陷坑外邊緣向中心分步推排至塌陷坑內。塌陷區(qū)正下方停止采出礦石并被低品位礦石堆填、壓實形成平臺后，再結合物探與鉆探等勘察手段探明塌陷區(qū)內的懸拱、暗空區(qū)等危險源。在采取必要措施、確保安全的條件下，其他設備和人員方可進入塌陷區(qū)內進行分臺階采剝塌陷區(qū)內的低品位礦石與露采（或地采）的高品位礦石配礦，運至東波選廠進行綜合利用。

3.2 露天與地下協(xié)同作業(yè)安全措施

采區(qū)315 m×313 m 范圍井下采空區(qū)面積3.3 萬m2，體積373 萬m3，96%的采空區(qū)基本被塌落的礦巖充填，從根本上緩解了該礦地壓集中難題。當前是露天與井下協(xié)同作業(yè)的最佳時期，可采取以下協(xié)同技術措施：

（1）標高648 m 以上露天采剝與標高600 m 以下地下協(xié)同開采期間，最低平臺底板（即懸臂梁、單個大采空區(qū)）最小安全厚度≥50 m，最終邊坡角≤45°。

（2）標高600 m 以上禁止地下開采和禁止大跨度全盤區(qū)式地下開采。對安全影響較大的塌陷區(qū)南部禁止井下采出礦石；對北部K5-0/1N 全盤區(qū)采空區(qū)、南部KS1和KS2等大采空區(qū)盡快實施充填作業(yè)，以防地表突陷。

（3）地下開采轉移至塌陷區(qū)東部和490 m 以下礦體。采區(qū)313 m×315 m 內先回采490 m 以上已塌陷的殘礦；然后490 m 以下“隔一采一”先空場法后崩落法回采類鍋底形礦體。東部采區(qū)與塌落區(qū)間留設50 m 隔離礦柱，優(yōu)先考慮自東向露天境界開采490 m 以下礦體，為地下轉露天開采提供6～8 a的協(xié)同開采過渡期。

（4）對于井下集中的采礦點，需要進行實時微震監(jiān)測（圖8）和圍巖變形自動監(jiān)測（圖9），對塌陷區(qū)周邊應開展GPS 位移觀測，塌陷區(qū)內礦巖開展沉降觀測。一旦發(fā)現異常聲響、地壓活動、地表位移與變形，應及時分析原因并采取有效的處理措施。

（5）采用實測+物探+鉆探手段，超前探明采剝境界內的溶洞、不明空區(qū)等，及時標定在平剖面圖上并設警示標識。對于影響協(xié)同開采安全的高危大采空區(qū)實施超前充填作業(yè)，大跨度的懸臂梁進行超前深孔爆破崩落，其他穩(wěn)定空區(qū)根據實際情況露天超前1～2個臺階進行采剝處理。

（6）協(xié)同作業(yè)區(qū)與生產計劃應及時上圖標識，并及時更新三維模型，直觀展示空區(qū)、地下采區(qū)與露天采剝臺階三者之間空間與時間上的關系，實現4維動態(tài)監(jiān)測，實現對危險隱患區(qū)的超前預警。

（7）露天剝離先期作業(yè)平臺狹窄、地形復雜，需因地制宜對高陡的臨空面處、懸臂空區(qū)、大采空區(qū)和狹窄的作業(yè)平臺等采剝區(qū)域開展現場施工圖設計、爆破設計和施工組織方案設計，并制定必要的安全防范技術措施，以確保鑿巖、鏟裝運等作業(yè)安全。

（8）推測塌陷凹坑深多為113 m 左右，按75°巖移角計算，塌陷區(qū)周邊約30 m 范圍內巖石最容易發(fā)生滑塌。因此，按塌陷邊界外30 m 處劃定采剝安全重點防范區(qū)。距離塌陷區(qū)邊界外10 m 處，劃定為剝離危險區(qū)。在上述采剝離區(qū)域內的當班作業(yè)人員應系安全繩并且人數控制在3人以內。

（9）汽車運輸礦巖至塌陷界限外10～15 m 安全平臺后卸載，而后采用遙控鏟裝排設備將礦巖推排至塌陷區(qū)。向塌陷區(qū)推排廢作業(yè)時，嚴禁無關人員在坡底及下方作業(yè)、停留和休息。

（10）對于采剝工作幫、高陡邊幫、剝離安全重點防范區(qū)，應加強現場巡視和生產管理工作。一旦發(fā)現有不安全因素時（可能出現局部邊坡開裂、坍塌），應立即停止作業(yè)，采取有效措施處理后方能繼續(xù)作業(yè)。

4 結 論

在柿竹園礦高?？諈^(qū)群開采技術條件下，為確保地下開采逐步轉露天開采的順利實施，開展了錯動范圍內礦巖露天采剝境界與地下安全協(xié)同開采技術研究，得出了以下結論：

（1）對柿竹園礦高危群空區(qū)開展現場調研和工程地質調查，根據礦山10～12 m 中分段及時更新的實測圖和地表塌陷區(qū)實測圖，并結合巖石力學和巖體結構面研究，采用3Dmine軟件建模分析，可精準劃分塌陷區(qū)、過渡型（懸臂）空區(qū)、高危明空區(qū)、外圍空區(qū)等。

（2）為減少前期剝離投入、緩解剝離境界外修路難的現狀，結合環(huán)山貼坡布置螺旋型階梯狀剝離臺階、道路融入山坡剝離境界等思維，按地表剝離坑底距塌陷邊界外30 m、距采空區(qū)頂板不少于50 m、最終邊坡45°的原則，利用3Dmine 軟件進行建模研究，優(yōu)化確定了720剝離境界。

（3）720 剝離境界能快速地剝離高陡邊坡的表土與不穩(wěn)定滑坡體，構筑截排水平臺，排除該礦井下泥流危害，減少表土混入影響選礦，削坡卸荷以防塌陷區(qū)周邊形成高陡懸崖、滾石、滑坡、地表泥流等地質災害，同時為露采基建創(chuàng)造有利條件，為地下逐步轉露天開采奠定基礎與提供生產經驗。

（4）協(xié)同作業(yè)區(qū)域與生產計劃應及時上圖標識，并及時更新三維模型，直觀展示空區(qū)、地下采區(qū)與露天采剝臺階三者之間在空間與時間上的關系，實現4維動態(tài)監(jiān)測和對隱患區(qū)的超前預警。

（5）通過嚴格規(guī)劃地下開采、回填高陡塌陷區(qū)、實時微震監(jiān)測地下采礦點、GPS監(jiān)測塌陷區(qū)周邊圍巖位移與沉降、實現超前預警、提前處理危險空區(qū)、加強生產管理等一系列露天和井下協(xié)同開采技術措施，解決了該礦當前生產難題，為露天與井下協(xié)同作業(yè)提供了安全保障，可為類似礦山提供有益參考。