露天礦地下采空區(qū)探測(cè)與綜合整治技術(shù)研究

林毅斌，董凱程，賴(lài)淵平，林春平

(1.西藏巨龍銅業(yè)有限公司，拉薩 850200；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

我國(guó)科研及生產(chǎn)單位在露天礦開(kāi)采過(guò)程中的地下未知采空區(qū)空區(qū)探測(cè)、治理與監(jiān)測(cè)等方面取得了一定的研究成果及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)不同情況提出了相應(yīng)的理論及實(shí)踐方案。賈三石等[1]提出基于模糊數(shù)學(xué)的露天鐵礦采空區(qū)地球物理探測(cè)評(píng)價(jià)方法。解聯(lián)庫(kù)等[2]提出采空區(qū)地球物理探測(cè)及爆破崩落處置方法。楊樹(shù)志等[3]提出利用三維激光掃描技術(shù)探測(cè)復(fù)雜采空區(qū)群，利用邊坡自由面及加大局部采空區(qū)側(cè)的炸藥單耗的方法爆破治理復(fù)雜采空區(qū)群。李杰林等[4]研究無(wú)人機(jī)三維激光掃描技術(shù)在地下采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用，對(duì)于人員設(shè)備可進(jìn)入的采空區(qū)提供了一種有效的精確探測(cè)方法。實(shí)際露天開(kāi)采過(guò)程中如何對(duì)未知地下采空區(qū)進(jìn)行有效的探測(cè)，制定切實(shí)有效的采空區(qū)處置及殘礦回采方案，仍有一些亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，例如：露天開(kāi)采過(guò)程中的采空區(qū)快速精確探測(cè)、采空區(qū)處置與露天協(xié)同開(kāi)采、大規(guī)模采空區(qū)群集約化處置等。露天開(kāi)采過(guò)程中的地下未知采空區(qū)具有極大的安全隱患，對(duì)周邊作業(yè)的人員和設(shè)備造成安全威脅。探測(cè)方式不當(dāng)、處理方式不合理很有可能誘發(fā)安全事故，造成人員設(shè)備及經(jīng)濟(jì)上的重大損失。因此，有必要對(duì)露天開(kāi)采過(guò)程中的未知采空區(qū)進(jìn)行快速、精確探測(cè)，研究制定安全合理的采空區(qū)整治方案，從根本上消除安全隱患，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)整治與露天開(kāi)采的協(xié)同化進(jìn)行。

針對(duì)已經(jīng)探明的采空區(qū)，處理的方法較為成熟，處理的效果也較為理想。對(duì)于地下未知采空區(qū)，如何在露天開(kāi)采過(guò)程中對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)與處理并回采殘礦資源，需要進(jìn)行系統(tǒng)性的研究論證，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施驗(yàn)證方案的可靠性，獲取相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為礦山大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，為同類(lèi)露天礦開(kāi)采過(guò)程中的地下采空區(qū)處置提供借鑒。

1 礦區(qū)開(kāi)采技術(shù)條件

知不拉礦礦區(qū)內(nèi)共有四個(gè)銅礦體。Ⅰ號(hào)銅礦體為知不拉主礦體之一，礦體由四個(gè)子礦體組成，I-1、I-2、I-3、I-4號(hào)礦體呈平行狀沿近東西向?qū)娱g斷裂破碎帶分布。紫金礦業(yè)在礦山資源整合后，采用露天的方式大規(guī)模開(kāi)采。原民采采空區(qū)主要位于Ⅰ、Ⅱ號(hào)礦體，采用淺孔留礦法進(jìn)行開(kāi)采，采礦的范圍較大、分布零散、開(kāi)采的采空區(qū)形態(tài)極不規(guī)則。

表1 5 336 m及5 348 m采空區(qū)鉆探代表性數(shù)據(jù)Table 1 5 336 m and 5 348 m platform representative goaf drilling data

礦山露天開(kāi)采過(guò)程中防止采空區(qū)垮塌造成安全事故，在露天臺(tái)階鉆孔過(guò)程中施工了部分孔對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，利用炮孔來(lái)獲取頂板高度及采空區(qū)高度信息，大致確定采空區(qū)賦存范圍。目前主要對(duì)5 336 m、5 348 m兩個(gè)生產(chǎn)的作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行采空區(qū)鉆孔探測(cè)。

從現(xiàn)場(chǎng)鉆孔數(shù)據(jù)來(lái)看，采空區(qū)高度0.3～28.8 m不等，采空區(qū)(巷道除外)高度基本平均在15 m左右。設(shè)計(jì)的炮孔深度為30 m左右，不考慮打穿的巷道，采空區(qū)頂板厚度(空區(qū)頂板距離平臺(tái)作業(yè)面高度)8.5～31 m。利用鉆孔數(shù)據(jù)分析的5 336 m平臺(tái)形成的采空區(qū)寬度約16 m，長(zhǎng)度約49 m，從采空區(qū)的空間信息分析，原地下采空區(qū)主要采用空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采，采空區(qū)形成的時(shí)期較為久遠(yuǎn)，產(chǎn)生一定程度的垮落，因此頂板呈現(xiàn)不同的高度，總體形態(tài)較為復(fù)雜。

2 采空區(qū)探測(cè)方案

2.1 探測(cè)方法分析

地下采空區(qū)探測(cè)的手段較多，常用的方式有地球物理探測(cè)、三維激光掃描探測(cè)、鉆孔探測(cè)等。國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦山都是采用其中一種或幾種相結(jié)合的方式進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)[5]。

驅(qū)龍銅礦知不拉礦區(qū)采用露天開(kāi)采，原民采施工的坑道已經(jīng)被凍住且發(fā)生嚴(yán)重垮塌，導(dǎo)致人員設(shè)備無(wú)法進(jìn)入。且原開(kāi)采資料缺失，地下空區(qū)分布情況不明，成為威脅露天安全開(kāi)采的主要隱患。隨著露天開(kāi)采的不斷推進(jìn)，亟需對(duì)井下采空區(qū)進(jìn)行安全、有效的探明，并進(jìn)行有效的處理。

綜合分析國(guó)內(nèi)外常用的采空區(qū)探測(cè)手段，地球物理方法探測(cè)速度快，但其探測(cè)精度有限，無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)設(shè)計(jì)的精度需求[6]。三維激光掃描的方式進(jìn)行掃描，需要對(duì)采空區(qū)資料有充分的掌握，或能夠進(jìn)入采空區(qū)周邊實(shí)施掃描作業(yè)，且地下采空區(qū)的環(huán)境能夠滿(mǎn)足激光掃描作業(yè)條件[7]。鉆孔探測(cè)能夠直接探測(cè)采空區(qū)頂板底板高度，通過(guò)多個(gè)鉆孔探測(cè)結(jié)果可以繪制采空區(qū)形態(tài)輪廓，但探測(cè)速度較慢，探測(cè)的成本也較高[8]。

總體來(lái)說(shuō)，三維激光掃描探測(cè)方式的精度最高，能夠得到采空區(qū)準(zhǔn)確的三維形態(tài)。地球物理探測(cè)方式的精度較低、受外界干擾較大，能夠大致確定采空區(qū)分布范圍。鉆孔探測(cè)的方式能夠獲取采空區(qū)的大致輪廓形態(tài)，同時(shí)可以為后續(xù)激光掃描探測(cè)創(chuàng)造條件，用于探測(cè)的炮孔也可以在采空區(qū)爆破崩落時(shí)使用，炮孔的利用率高。

2.2 探測(cè)方案

結(jié)合知不拉礦區(qū)開(kāi)采條件，露天礦現(xiàn)在正在進(jìn)行鑿巖爆破等作業(yè)，具備現(xiàn)場(chǎng)施工鉆孔的條件。三維激光掃描方式的精度較高，可利用鉆孔下放至采空區(qū)獲取其準(zhǔn)確三維形態(tài)。因此，采用“鉆孔探測(cè)與三維激光掃描相結(jié)合”的方式，能夠滿(mǎn)足露天礦地下采空區(qū)探測(cè)的要求。實(shí)際生產(chǎn)中，采用露天生產(chǎn)爆破的鉆孔按照一定網(wǎng)度和深度進(jìn)行鉆孔施工(圖1)，探測(cè)到采空區(qū)后采用鉆孔式三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行掃描測(cè)量，獲取采空區(qū)精確的三維形態(tài)。

圖1 探測(cè)鉆孔布置平面(單位：m)Fig.1 Layout plan of probe hole(Unit：m)

為保障露天坑上部及周邊采空區(qū)鉆孔探測(cè)的安全性，采空區(qū)鉆孔探測(cè)須超前露天開(kāi)采，由坑底向邊坡方向進(jìn)行鉆探推進(jìn)。結(jié)合露天開(kāi)采的臺(tái)階高度、礦體的厚度，鉆孔的深度設(shè)計(jì)為30 m，鉆孔的直徑為152 mm，鉆孔的間距為5 m，鉆孔的排距為10 m。探測(cè)到采空區(qū)后，分析采空區(qū)頂板和底板標(biāo)高及采空區(qū)高度信息，利用鉆桿式三維激光伸入采空區(qū)掃描，根據(jù)采空區(qū)形態(tài)實(shí)施后續(xù)鉆孔探測(cè)施工或采空區(qū)處置(圖2)。

圖2 探測(cè)鉆孔布置剖平面Fig.2 Sectional plane of probe hole

采空區(qū)探測(cè)的鉆孔同時(shí)可以被后續(xù)露天采礦及采空區(qū)爆破崩落使用，三維激光掃描獲取的采空區(qū)三維形態(tài)是分析采空區(qū)上部露天生產(chǎn)安全性的關(guān)鍵依據(jù)，通過(guò)鉆孔和三維激光掃描相結(jié)合的探測(cè)方式能夠充分兼顧礦山生產(chǎn)及空區(qū)掃描需求，為后續(xù)采空區(qū)處置創(chuàng)造良好的條件。

3 采空區(qū)治理方案

在炮孔探測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合露天開(kāi)采及采空區(qū)處置的特點(diǎn)，制定合理的采空區(qū)治理方案，消除安全隱患的同時(shí)回采殘礦資源，實(shí)現(xiàn)露天開(kāi)采與地下采空區(qū)處置的協(xié)同進(jìn)行。

3.1 采空區(qū)治理方法分析

對(duì)于采空區(qū)治理而言，常用的方法為充填、封閉、崩落以及上述三種方式聯(lián)合進(jìn)行處理。采用尾砂、廢石等充填的方法處理采空區(qū)，能夠徹底將采空區(qū)進(jìn)行處置，解決采空區(qū)空置導(dǎo)致的地壓?jiǎn)栴}，有利于采空區(qū)內(nèi)殘礦資源的回采。但需要建立相應(yīng)的充填系統(tǒng)，一次建設(shè)投資大且采空區(qū)處理的成本也較高[9]。采空區(qū)封閉主要針對(duì)地下礦山的小型采空區(qū)，采空區(qū)封閉后使其對(duì)周邊采礦區(qū)不造成影響，對(duì)于露天開(kāi)采而言并不適用。崩落處理采空區(qū)的方式，在露天礦處理采空區(qū)中較為常見(jiàn)[10-11]，常用的VCR采礦方法和露天臺(tái)階開(kāi)采方法處理。采用崩落的方式，能夠充分利用前期空區(qū)探測(cè)炮孔，空區(qū)崩落后可消除安全隱患同時(shí)回采殘礦資源。對(duì)于知不拉礦區(qū)露天開(kāi)采而言，采用崩落法處理采空區(qū)成本最低，經(jīng)濟(jì)性最佳。

知不拉礦區(qū)原采用地下開(kāi)采的方式，地下形成眾多不明采空區(qū)?，F(xiàn)采用露天開(kāi)采的方式進(jìn)行殘礦回采及后續(xù)開(kāi)采作業(yè)。根據(jù)礦山的開(kāi)采工藝及開(kāi)采技術(shù)條件，采用崩落處理采空區(qū)同時(shí)回采殘礦的方式較為適用。一方面可以通過(guò)崩落的方式解決采空區(qū)安全隱患，同時(shí)可以利用露天開(kāi)采工藝過(guò)程充分回采殘礦資源。

3.2 治理方案研究

在對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)獲取采空區(qū)形態(tài)特征信息的基礎(chǔ)上，研究制定相應(yīng)的治理方案。處理方案的制定不僅要考慮采空區(qū)的安全有效處置，同時(shí)要兼顧露天開(kāi)采生產(chǎn)的需求，以實(shí)現(xiàn)露天開(kāi)采與采空區(qū)的處理的協(xié)同進(jìn)行，同時(shí)對(duì)殘礦資源進(jìn)行安全高效開(kāi)采。

1)探測(cè)炮孔布置

在前期采空區(qū)鉆探炮孔的基礎(chǔ)上(網(wǎng)度為10 m×5 m)，加密設(shè)計(jì)采空區(qū)崩落爆破炮孔，使得炮孔整體的網(wǎng)度為5 m×5 m，達(dá)到合理的炮孔探測(cè)網(wǎng)度，提高采空區(qū)探測(cè)的精度。在采空區(qū)上部布置加密炮孔做為后期爆破的拉槽區(qū)。在露天作業(yè)平臺(tái)利用Φ140 mm潛孔鉆向下打垂直孔至距采空區(qū)頂板，并在炮孔施工過(guò)程中逐孔記錄采空區(qū)穿透情況，為后期爆破設(shè)計(jì)提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)(圖3)。

圖3 采空區(qū)崩落處理炮孔布置方案Fig.3 Hole layout scheme for goaf caving treatment

2)采空區(qū)爆破

炮孔內(nèi)采用全長(zhǎng)裝藥，分段微差起爆。即：采用微差起爆的方式，中間拉槽區(qū)先起爆，其余炮孔以臺(tái)階和采空區(qū)為自由面后起爆，一次性對(duì)采空區(qū)進(jìn)行爆破處理。

爆破時(shí)候炮孔布置的范圍盡量控制在礦體范圍之內(nèi)，盡可能在爆破過(guò)程中不產(chǎn)生廢石崩落。采空區(qū)頂板及周邊礦柱一定崩落后形成塌陷區(qū)，露天開(kāi)采時(shí)對(duì)殘礦進(jìn)行回收。

4 工程實(shí)踐

露天坑鉆孔施工作業(yè)過(guò)程中，北露天坑5 324 m平臺(tái)西北2號(hào)礦體探測(cè)到明顯的地下采空區(qū)存在。按照本項(xiàng)目的研究成果，對(duì)該區(qū)域采空區(qū)進(jìn)行炮孔加密探測(cè)，獲取采空區(qū)形態(tài)數(shù)據(jù)，并制定現(xiàn)場(chǎng)爆破崩落方案。

4.1 采空區(qū)探測(cè)

5 324 m西北2號(hào)礦體在平臺(tái)鉆孔施工過(guò)程中有打穿炮孔，為確保平臺(tái)作業(yè)安全，遂對(duì)該區(qū)域進(jìn)行鉆孔超前探測(cè)。目前5 324 m平臺(tái)西北2號(hào)礦體位置已打穿31個(gè)，空區(qū)頂板高度在5.5～29.4 m，空區(qū)深度在1～27.8 m。由于采空區(qū)封閉時(shí)間過(guò)久，采空區(qū)受上部平臺(tái)作業(yè)擾動(dòng)的影響產(chǎn)生了大量粉塵，采空區(qū)三維激光掃描探測(cè)效果欠佳，因此現(xiàn)場(chǎng)采用加密鉆孔探測(cè)的方式。

根據(jù)探測(cè)孔數(shù)據(jù)建立采空區(qū)三維模型(圖4)，通過(guò)三維模型可知采空區(qū)的基本參數(shù)信息，空區(qū)頂板沿礦體走向整體由東往西呈增厚情況，但空區(qū)形態(tài)不規(guī)則，根據(jù)空區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，計(jì)算得到空區(qū)體積為6 639.96 m3，空區(qū)正上方基巖體積為3 902.759 m3。

圖4 采空區(qū)三維模型Fig.4 3D model of goaf

4.2 采空區(qū)處理方案

北露天坑5 324 m平臺(tái)西北2號(hào)礦體采空區(qū)已通過(guò)鉆孔探測(cè)的方式確定了采空區(qū)基本三維形態(tài)。結(jié)合礦區(qū)生產(chǎn)現(xiàn)狀及前述研究成果，擬采用爆破崩落的方法處理采空區(qū)，即：利用采空區(qū)上部及周邊炮孔爆破的方式，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行崩落處置，崩落后對(duì)礦石和廢石進(jìn)行分出，處理采空區(qū)的同時(shí)，可以有效地回采采空區(qū)周邊殘礦資源。

本次爆破的炮孔共126個(gè)，炮孔內(nèi)采用全長(zhǎng)裝藥的方式(圖5)，孔內(nèi)全長(zhǎng)起爆。炮孔直徑152 mm，炮孔的長(zhǎng)度為2.3～38 m，孔口填塞的長(zhǎng)度為1.3～7.6 m。

圖5 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.5 Charge structure of the hole

本次爆破采用微差起爆方式，深孔采用雙發(fā)16段高精度雷管，地表起爆網(wǎng)絡(luò)采用3段和6段高精度雷管連接孔內(nèi)導(dǎo)爆管雷管形成起爆網(wǎng)絡(luò)(圖6)。起爆點(diǎn)位于臺(tái)階作業(yè)平臺(tái)處，采用電雷管引至安全范圍外起爆。

圖6 采空區(qū)爆破起爆網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.6 Schematic diagram of blasting initiation network in goaf

4.3 采空區(qū)處理效果

本次爆破總的爆破藥量為22 953 kg，雷管510發(fā)，爆破方量為32 862 m3，最大單段藥量為1 094.4 kg，炸藥單耗為0.7 kg/m3。

北露天坑5 324 m平臺(tái)西北2號(hào)礦體采空區(qū)實(shí)施爆破后，采空區(qū)產(chǎn)生明顯的垮塌，露天作業(yè)平臺(tái)可見(jiàn)爆破后的采空區(qū)輪廓(圖7)。本次爆破不僅消除了采空區(qū)的安全隱患，同時(shí)可以有效的回采該區(qū)域的資源，也驗(yàn)證了技術(shù)方案的可行性。

圖7 采空區(qū)爆破效果Fig.7 Goaf blasting effect

5 結(jié)論

在對(duì)比分析不同采空區(qū)探測(cè)及處置方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)知不拉礦區(qū)露天開(kāi)采技術(shù)條件，研究露天礦開(kāi)采過(guò)程中的地下采空區(qū)處置技術(shù)。對(duì)露天礦開(kāi)采過(guò)程中的地下采空區(qū)處理與殘礦開(kāi)采具有很好的借鑒意義。

1)露天開(kāi)采過(guò)程中的地下未知采空區(qū)，宜采用鉆孔探測(cè)和三維激光掃描相結(jié)合的方法進(jìn)行探測(cè)。結(jié)合露天臺(tái)階爆破鉆孔施工，鉆孔探測(cè)到采空區(qū)后對(duì)該區(qū)域利用三維激光掃描的方式進(jìn)行精確探測(cè)，獲取采空區(qū)三維形態(tài)。

2)采空區(qū)采用爆破崩落的方法進(jìn)行處置技術(shù)可行，即：對(duì)露天爆破的炮孔進(jìn)行加密后，利用采空區(qū)和臺(tái)階面作為補(bǔ)償空間進(jìn)行集中崩落。采空區(qū)崩落后進(jìn)行相應(yīng)的出礦作業(yè)，并進(jìn)行礦廢分離。

3)對(duì)5 324 m平臺(tái)2號(hào)礦體進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)爆破，爆破后采空區(qū)得到了有效處置、地下殘礦有效回采，并得到采空區(qū)爆破處置的相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)，總體效果良好，為后續(xù)的大規(guī)模采空區(qū)處置與殘礦開(kāi)采提供了借鑒和依據(jù)。