大型露天礦山采場層面塌陷采空區(qū)處置技術(shù)研究

邱振華，林秀云

(廣東省大寶山礦業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān)市 512128)

1 礦山基本情況

廣東省大寶山礦業(yè)有限公司為大型露天開采礦山，設(shè)計產(chǎn)能330 萬t/a。1980 年代，大量民窿由南部礦區(qū)（15 線以南）進入，對整個礦區(qū)進行掠奪式開采，嚴重破壞礦體，開采深度從+470～+690 m，空場法采礦后形成大小不一、位置不詳、隱蔽性高的獨立空區(qū)。1990 年代后期，礦山為保護銅硫資源，在礦區(qū)0～51 勘探線+430～+730 m 之間，利用空場法及干式充填法進行井下開采。2010 年—2014 年期間，非法民采活動利用礦山原有巷道，再次進入礦區(qū)進行瘋狂盜采，第3 次形成大量隱蔽采空區(qū)。

經(jīng)歷3 次地下開采活動，大寶山礦區(qū)遺留大量隱蔽采空區(qū)，給露天采場安全帶來嚴重隱患。2012年3 月18 日，民采活動引發(fā)697 層面大塌陷，面積達2283 m2，深度達20 m。據(jù)統(tǒng)計，近幾年來，礦區(qū)每年發(fā)生數(shù)十起層面塌陷險情，僅2020 年就發(fā)生54 起，嚴重威脅安全生產(chǎn)。采空區(qū)危害主要包括：

（1）造成人員、設(shè)備損傷；

（2）影響安全生產(chǎn)，造成生產(chǎn)停產(chǎn)；

（3）引發(fā)地質(zhì)災害或邊坡失穩(wěn)。

因此，亟待開展大型露天采場層面塌陷采空區(qū)處置技術(shù)研究。

2 采空區(qū)塌陷類型

按照塌陷起因，大寶山礦采空區(qū)層面塌陷類型可大致分為頂板失穩(wěn)自然塌陷、爆破擾動塌陷、設(shè)備作業(yè)擾動塌陷（包括挖機產(chǎn)裝、載重卡車碾壓等）、雨水浸入塌陷及民采活動引發(fā)塌陷等5 類。據(jù)2019 年發(fā)生的78 次塌陷事故統(tǒng)計分析表明：設(shè)備作業(yè)引起塌陷39 起，占50%；爆破引起塌陷26起，占33.3%；其他原因引起塌陷13 起，占16.7%。設(shè)備引起的塌陷事件為采場安全隱患防治重點。大寶山礦采空區(qū)塌陷典型案例主要有以下幾類。

2.1 采空區(qū)頂板失穩(wěn)自然塌陷

2020 年5 月18 日，安全管理人員開工前安全巡查時，發(fā)現(xiàn)采場649 層面35 線發(fā)生一起采空區(qū)層面塌陷，如圖1 所示。經(jīng)測量塌陷面積為181.4 m2，深度約8 m。

圖1 頂板失穩(wěn)自然塌陷采空區(qū)

2.2 爆破引起采空區(qū)塌陷

2020 年6 月19 日，采場649 層面39 線臺階爆破后，引發(fā)爆區(qū)后方出現(xiàn)采空區(qū)塌陷，如圖2 所示，經(jīng)測量塌陷區(qū)面積為59 m2，深度為4 m。

圖2 爆破引起塌陷采空區(qū)

2.3 設(shè)備作業(yè)引起采空區(qū)塌陷

2019 年6 月17 日，采場709 層面45 線挖機產(chǎn)裝作業(yè)時，發(fā)生一起層面小塌陷，未造成人員設(shè)備損傷，如圖3 所示。經(jīng)測量面積為5.5 m2，深度為3.5 m。

圖3 設(shè)備作業(yè)引起塌陷采空區(qū)

2.4 雨水浸入引起采空區(qū)層面塌陷

2019 年6 月24 日，南部采場32 線645 石料堆場平臺發(fā)生一起層面塌陷事件，如圖4 所示。經(jīng)測量塌陷面積為239 m2，深度為3 m。

圖4 雨水浸入引起塌陷采空區(qū)

2.5 民采活動引發(fā)采空區(qū)層面塌陷

2012 年3 月18 日，采場697 層面49 線發(fā)生一起采空區(qū)大面積塌陷事件，如圖5所示。面積為2283 m2，塌陷最深處為20 m，所幸未造成設(shè)備人員損傷。

圖5 民采活動引發(fā)塌陷采空區(qū)

3 塌陷區(qū)處置關(guān)鍵技術(shù)及流程

為了確保安全生產(chǎn)正常進行，快速恢復塌陷區(qū)周邊作業(yè)，需要查明塌陷原因，徹底消除塌陷區(qū)隱患。從現(xiàn)場管控、資料采集分析、處置方案制定及實施等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，介紹大寶山如何處置采空區(qū)隱患。

3.1 塌陷現(xiàn)場管控與資料采集分析

3.1.1 現(xiàn)場管控

發(fā)生塌陷后，塌陷區(qū)周邊設(shè)備、人員迅速撤離現(xiàn)場；塌陷區(qū)域影響范圍設(shè)警戒封閉，樹立安全警示牌標識；在塌陷影響范圍內(nèi)設(shè)置測量監(jiān)控點，定時對塌陷區(qū)進行沉降監(jiān)測，避免二次塌陷。

3.1.2 資料采集分析

對塌陷區(qū)進行測量，獲取塌陷區(qū)范圍方位坐標、面積、深度等基礎(chǔ)資料；核查塌陷區(qū)下方原有井下采空區(qū)資料，核查該區(qū)域下方有無采空區(qū)記錄資料；核查地質(zhì)資料，核對塌陷區(qū)下部區(qū)域的礦體、圍巖賦存的水文地質(zhì)狀況；核查塌陷區(qū)周邊原有鉆探情況，包括地質(zhì)探礦鉆探、采空區(qū)勘探鉆孔等。

綜合塌陷區(qū)相關(guān)資料，結(jié)合周邊作業(yè)情況包括爆破、設(shè)備作業(yè)以及天氣等因素分析采空區(qū)塌陷原因。

3.2 處置方案

根據(jù)資料分析，推測塌陷區(qū)周邊是否還潛伏隱蔽采空區(qū)，編制采空區(qū)探孔設(shè)計；編制塌陷區(qū)周邊安全作業(yè)方案，如挖機設(shè)備、車輛安全停放位置、車輛行駛安全路線等。

先實施采空區(qū)探孔鉆探，若探測結(jié)果無隱蔽采空區(qū)，則按處置方案；對塌陷區(qū)進行施工，現(xiàn)場有專職安全管理人員全程監(jiān)督。探孔探測發(fā)現(xiàn)隱蔽盲采空區(qū)，則先對隱患采空區(qū)進行三維激光掃描，掌握盲采空區(qū)三維參數(shù)。根據(jù)掃描結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場情況，制定隱患采空區(qū)處置方案。針對面積小于5 m2淺層小微型塌陷，鉆孔探測及資料明確無其他潛在安全隱患的，制定塌陷開挖、回填處置。

4 工程實例及分析

4.1 現(xiàn)場管控與數(shù)據(jù)采集

以2020 年“5-18”采場649 層面35 線采空區(qū)層面塌陷處置為例，發(fā)現(xiàn)塌陷后立即對塌陷區(qū)進行警戒封閉，樹立安全標識牌，嚴禁設(shè)備人員進入塌陷區(qū)范圍。對該塌陷區(qū)進行測量，確定塌陷區(qū)位置如圖6 所示。

圖6 塌陷區(qū)位置

（1）該塌陷區(qū)四周分別被4 個已經(jīng)探明的采空區(qū)環(huán)繞，其北面7.4 m 為640 平硐，16.4 m 為623采空區(qū)；東面4.1 m 為623 采空區(qū)；南面1.2 m 僅僅挨著630 采空區(qū)；西面22.6 m 為596 采空區(qū)。核對井下623 中段采礦資料為礦柱，空區(qū)標識高度6 m。

（2）塌陷區(qū)北部邊緣存在地質(zhì)鉆孔4，該探孔開口標高為673.3 m，鉆至43.64 m 見3.46 m 空區(qū)，其空區(qū)頂板標高為629.7 m，底板標高626.2 m。

（3）經(jīng)核對35 線地質(zhì)剖面圖資料以及地質(zhì)鉆孔4 巖心情況，見圖7，該塌陷區(qū)頂板標高647～635 m 為8 m 厚完整矽卡巖化砂巖，635 m 以下為高品位銅硫礦，含銅品位約1%，含硫21%。

圖7 塌陷區(qū)地質(zhì)狀況

4.2 原因分析

（1）外部因素。一是頂板受壓因素，塌陷區(qū)處于臨時運輸?shù)缆飞戏?，重車?jīng)過頻繁震動，造成空區(qū)頂板抗壓能力減弱并產(chǎn)生裂隙；二是爆破震動因素，塌陷區(qū)東面為661 m 臺階，臺階推進頻繁爆破振動，引起采空區(qū)頂板冒落，使頂板變??；三是雨水因素，進入4，5 月份雨水較多，5 月17 日夜間強降暴雨，雨水滲入頂板裂隙，巖性變?nèi)酢?/p>

（2）內(nèi)部因素。該塌陷區(qū)最大跨度約為10 m，空區(qū)頂板厚度約為8.0 m，巖層完整，保安層厚度計算式h=0.71b?1.02，計算可得h=6.08 m，可以判斷改頂板處于安全狀態(tài)。

綜合分析認為，由于649 層面下部被民采盜采形成了623 盲采空區(qū)，長期受到重車碾壓、臺階爆破振動、雨水滲入等因素的影響而引起垮塌。

4.3 處置方案與實施

4.3.1 處置方案

根據(jù)資料情況，對塌陷區(qū)北側(cè)及西側(cè)設(shè)計采空區(qū)探鉆，進一步探測該塌陷區(qū)是否存在隱患采空區(qū)。如圖8 所示，在塌陷區(qū)北側(cè)和西側(cè)共設(shè)計4 個探孔對下部采空區(qū)情況進行探測，探孔設(shè)計深度25 m。

圖8 探孔設(shè)計及623 盲采空區(qū)

運用潛孔鉆機對4 個探孔實施鉆探，其中探孔1 開口標高647.2 m，鉆至16 m 見3.9 m 空區(qū)；其余3 個探孔鉆至25 m 未見采空區(qū)。對探孔1 探明的采空區(qū)進行三維激光掃描，經(jīng)掃描獲得采空區(qū)面積為114.7 m2，最低標高為627.2 m，最高標高為632.0 m，最大跨度11.3 m，掃描空區(qū)平面投影圖見圖8，為627 盲隱患采空區(qū)。

4.3.2 安全保障措施

（1）繼續(xù)封閉塌陷區(qū)，布置監(jiān)控點定期實施測量監(jiān)控；

（2）利用微震監(jiān)測系統(tǒng)加強對該塌陷區(qū)、周圍已探明的5 個采空區(qū)頂板穩(wěn)定性實時監(jiān)控；

（3）重新規(guī)劃運輸?shù)缆罚?61 層面往東側(cè)推進新修649 運輸?shù)缆?，并對新修道路每?0 m 布置30 m 探孔探測，確保運輸?shù)缆钒踩?/p>

（4）塌陷區(qū)周邊探明5 個采空區(qū)進行層面管理，一是實施警戒封閉采空區(qū)，并樹立警示牌標識；二是制定采空區(qū)爆破崩落頂板處理計劃，其中西側(cè)596 采空區(qū)相對安全，制定在637 層面爆破崩落頂板處理，其余4 個采空區(qū)等待637 層面推到邊界后進行爆破崩落頂板處理，如圖9 所示。

圖9 塌陷區(qū)處置措施

4.4 處置效果評價

治理流程具科學性，由現(xiàn)場管控到資料收集、分析再到處置方案制定最后方案實施，過程環(huán)環(huán)相扣緊密關(guān)聯(lián)，操作性強，安全可靠。經(jīng)過處置后,徹底查明并消除潛伏隱蔽采空區(qū)安全隱患，避免了二次采空區(qū)隱患險情發(fā)生，使塌陷區(qū)周圍盡早恢復安全生產(chǎn)作業(yè)。該方法為礦山后續(xù)采空區(qū)治理提供了技術(shù)指導。

5 結(jié)論

（1）隱蔽采空區(qū)的層面塌陷險情嚴重影響著安全生產(chǎn)，制定一套科學可靠、安全可行的處置技術(shù)方案及快速實施，不僅能徹底查明并消除潛在隱蔽盲采空區(qū)的隱患，避免二次險情發(fā)生，還能最快消除塌陷區(qū)所造成周邊安全生產(chǎn)的影響，盡早恢復生產(chǎn)。

（2）發(fā)生塌陷時，及時做好塌陷區(qū)現(xiàn)場管控尤為重要，應(yīng)及時撤離人員設(shè)備并對塌陷區(qū)進行警戒封閉，避免二次事故發(fā)生。

（3）處置方案要綜合塌陷區(qū)采礦、地質(zhì)、環(huán)境、外在干擾等因素，分析并結(jié)合現(xiàn)場實際來制定，實施過程中要求加強現(xiàn)場管控，保障人員設(shè)備安全，避免二次事故的發(fā)生。