露天開采與空區(qū)處理一體化技術(shù)

高建敏，林衛(wèi)星

(1.洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 河南洛陽市 471500;2.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

露天開采與空區(qū)處理一體化技術(shù)

高建敏1，林衛(wèi)星2

(1.洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 河南洛陽市 471500;2.長沙礦山研究院， 湖南長沙 410012)

介紹了國內(nèi)礦山采空區(qū)現(xiàn)狀及采空區(qū)治理方法，對地下轉(zhuǎn)露天生產(chǎn)的礦山提出了全新的露天開采與空區(qū)處理一體化技術(shù)，論述了其空區(qū)探測、空場處理、深孔控制爆破、安全防范等關(guān)鍵技術(shù)，并將該技術(shù)成功應(yīng)用于洛鉬集團(tuán)三道莊露天礦，取得了良好的效果。最后探討了該技術(shù)的應(yīng)用前景和進(jìn)一步的研究方向，為露天開采與空區(qū)處理一體化技術(shù)在我國地下轉(zhuǎn)露天礦山的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

露天開采;空區(qū)處理;一體化技術(shù);深孔控制爆破;采空區(qū)探測

0 前言

我國已成為世界金屬非金屬礦產(chǎn)資源開采大國，金屬非金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用成為了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。然而我國金屬非金屬礦山采空區(qū)規(guī)模巨大，賦存特征、條件非常復(fù)雜，采空區(qū)均存在不同程度的安全隱患，已成為礦山企業(yè)重要危險源之一，嚴(yán)重制約了礦山的發(fā)展。對于地下轉(zhuǎn)露天的礦山而言，地下空區(qū)的存在使露天生產(chǎn)極不安全，不進(jìn)行空區(qū)處理則無法進(jìn)行露天采礦;處理空區(qū)時，露天不能停產(chǎn)，而且還要保產(chǎn)、增產(chǎn)。如何解決露天開采與地下空區(qū)處理同步進(jìn)行之間的矛盾，實現(xiàn)復(fù)雜地下采空區(qū)條件下露天安全高效開采成為礦山急需解決的難題。因此，本文提出露天開采與空區(qū)處理一體化技術(shù)，為國內(nèi)外同類型礦山的強(qiáng)化開采開創(chuàng)了新起點(diǎn)。

1 礦山采空區(qū)處理現(xiàn)狀

1.1 礦山采空區(qū)現(xiàn)狀分析

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)我國礦山采空區(qū)總體積已達(dá)43217.26萬m3，據(jù)估計，全國地下開采礦山采空區(qū)的規(guī)模以2000～3000萬m3/a的速度遞增。據(jù)不完全統(tǒng)計，因采礦引發(fā)的塌陷面積達(dá)1150 km2，發(fā)生采礦塌陷災(zāi)害的礦業(yè)城市有30多個，每年因采礦地面塌陷造成的損失達(dá)4億元以上。按行業(yè)分布，有色金屬行業(yè)采空區(qū)體積占總量的43.67%，黑色金屬行業(yè)采空區(qū)體積占總量的18.18%，黃金礦山采空區(qū)體積占總量的7.51%，化工礦山采空區(qū)體積占查總量的17.44%，建材礦山采空區(qū)體積占總量的13.20%。

國內(nèi)有色金屬礦山采空區(qū)的形成過程十分復(fù)雜，采空區(qū)的分布特征與礦體賦存形態(tài)、礦山開采所用采礦方法等有直接的關(guān)聯(lián)，同時，不規(guī)范和無序開采也是一個重要的影響因素。有色礦山如承德銅興礦業(yè)有限公司(原壽王墳銅礦)、洛鉬集團(tuán)三道莊鉬鎢礦、廣西大廠銅坑礦、甘肅廠壩鉛鋅礦、湖南柿竹園多金屬礦、廣東大寶山鐵礦、河南永煤集團(tuán)南泥湖鉬礦等采空區(qū)規(guī)模巨大，其中壽王墳銅礦、洛鉬集團(tuán)三道莊鉬鎢礦空區(qū)體積超過了1000萬m3。

1.2 采空區(qū)治理方法

地下采空區(qū)除在特定條件下可以支撐并永久保留外，通常都應(yīng)當(dāng)進(jìn)行處理，其目的在于消除空場，避免沖擊地壓隱患。歸納國內(nèi)外的空場處理方法，不外乎崩落和充填兩大類，進(jìn)一步細(xì)分為有5類，即“崩”、“充”、“撐”、“封”和前述某幾種方法的“聯(lián)合”。

(1)崩落法。用崩落圍巖回填空場并形成緩沖保護(hù)墊層，以防止空場內(nèi)大量巖石突然冒落所造成的危害。采用崩落法，能及時消除空場，防止應(yīng)力過分集中和大規(guī)模的地壓活動，并且可以簡化處理工藝，提高勞動生產(chǎn)力，而且處理成本低，已為國內(nèi)外礦山廣泛應(yīng)用。

(2)充填法。從坑內(nèi)外通過車輛運(yùn)輸或管道輸送運(yùn)來廢石或濕式充填材料充填采空場，限制圍巖移動。

(3)支撐法。留下永久礦柱或構(gòu)筑人工礦柱支撐采空場的頂板。該方法一般適用于緩傾斜薄至中厚以下，用空場類方法回采且地表允許冒落，頂板又相當(dāng)穩(wěn)定的礦體。

(4)“封”就是用封閉和隔離的手段處理采空場。該方法是一種經(jīng)濟(jì)、簡便的處理方法，適用于處理孤立小礦體開采后形成的采空場、端部礦體開采后形成的和需繼續(xù)回采的大礦體上部的采空場。

(5)聯(lián)合法。即在一個空場內(nèi)同時采用幾種基本方法處理采空場。由于各礦礦體賦存條件各異、生產(chǎn)狀況不一，各單一空場處理方法均有局限性，某些空場內(nèi)采用單一方法很難做到經(jīng)濟(jì)合理、簡便適用，因而就產(chǎn)生了聯(lián)合法。

從國內(nèi)外空區(qū)處理方法和經(jīng)驗分析，實際上真正得以使用的為崩落法和充填法。如湖南柿竹園多金屬礦、廣西大廠銅坑礦等空場法礦山在井下采用強(qiáng)制崩落法處理空區(qū);洛鉬集團(tuán)三道莊鉬礦、河南永煤集團(tuán)南泥湖鉬礦、廣東大寶山鐵礦等地下轉(zhuǎn)露天礦山采用地表中深孔崩落法處理空區(qū)。

2 露天開采與地下空區(qū)處理一體化技術(shù)

地下轉(zhuǎn)露天開采的礦山，在露天開采范圍內(nèi)存在大量復(fù)雜地下采空區(qū)。露天開采與空區(qū)處理一體化技術(shù)以實現(xiàn)露天強(qiáng)化開采為目標(biāo)，將露天采場按空區(qū)分布進(jìn)行了區(qū)域劃分，對整個地下空區(qū)按危險等級和處理難易程度進(jìn)行了系統(tǒng)科學(xué)的分類，對露天開采和空區(qū)處理進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，按分期、分段進(jìn)行;創(chuàng)新開發(fā)了探測、監(jiān)測、采礦、處理并舉，探測先行系統(tǒng)作業(yè)法，對空區(qū)頂板先行探測，確認(rèn)空區(qū)頂板原巖厚度，同時對高危空區(qū)進(jìn)行巖移監(jiān)測，建立空區(qū)安全預(yù)警系統(tǒng)，形成了集探測、監(jiān)測、開拓、采礦、鏟裝、運(yùn)輸、空區(qū)處理、安全預(yù)警為一體同步進(jìn)行，依實施法、分期分段的強(qiáng)化開采技術(shù)系統(tǒng)，解決了露天開采與地下空區(qū)處理同步進(jìn)行之間的矛盾及多層大型高危地下采空區(qū)條件下露天強(qiáng)化開采的科學(xué)技術(shù)問題。

2.1 地下空區(qū)精確探測技術(shù)

地下采空區(qū)的范圍、大小具有不確定性和動態(tài)變性。隨著露天開采臺階的推進(jìn)，礦山需要準(zhǔn)確掌握臺階下采空區(qū)情況，以便確定出露天開采時人員、設(shè)備作業(yè)安全的隔離層厚度，并對可能塌落的采空區(qū)位置與范圍進(jìn)行科學(xué)判斷，對露天開采中存在的危險提出警戒和預(yù)報，為井下采空區(qū)綜合治理提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料，從而盡可能減少或完全消除作業(yè)人員及設(shè)備在采空區(qū)陷落的危險，最終確保露天開采人員及設(shè)備安全。

目前國內(nèi)外關(guān)于采空區(qū)的探測方法，一是傳統(tǒng)的鉆孔探測法(潛孔鉆或地質(zhì)鉆)，其次是借助地質(zhì)探礦中使用的地球物理方法，以及近年來從國外引進(jìn)的三維激光探測儀(C－ALS)。鉆孔探測法可精確控制采空區(qū)頂板厚度、采空區(qū)高度和采空區(qū)的平面位置，可用于有資料的空區(qū)的驗證，但作業(yè)量大，須多次穿孔探測，對無資料的空區(qū)探測盲目性大;地球物理探測方法施工方便、成本低，但相對于鉆孔法來說精度較低，地表浮渣層厚度大時誤差較大，難以指導(dǎo)生產(chǎn);三維激光掃描探測法施工簡單、探測精度高，并能自動成像，但使用該法探測必須有通往空區(qū)的探測孔，另外當(dāng)有礦柱阻擋時不能獲取完整的空區(qū)圖像。

基于地下采空區(qū)的動態(tài)變化以及空區(qū)探測方法的片面性，在臺階生產(chǎn)過程空區(qū)探測應(yīng)采用多種手段相結(jié)合的綜合探測技術(shù)，以鉆孔探測為主，三維激光掃描儀探測為輔，參考地球物理探測結(jié)果對地下空區(qū)的位置、范圍、體積進(jìn)行科學(xué)判斷。在露天臺階生產(chǎn)過程應(yīng)始終堅持對各臺階工作面、運(yùn)輸?shù)缆烦安贾锰綔y孔，提前采用鉆孔探測臺階面、運(yùn)輸?shù)缆废虏康目諈^(qū)情況，確保人員、設(shè)備的安全。鉆孔探測提前時，原巖地段采用潛孔鉆探測，有較厚浮碴覆蓋地段采用地質(zhì)鉆探測，鉆孔打透空區(qū)后立即采用三維激光掃描儀探測，準(zhǔn)確掌握空區(qū)范圍、體積規(guī)模。在地表采用中深孔崩落處理空區(qū)時，也應(yīng)布置探測孔來準(zhǔn)確定位空區(qū)頂板厚度，確定炮孔的合理孔深，確保空區(qū)成功崩落。

2.2 采空區(qū)處理技術(shù)

采空區(qū)處理的實質(zhì)是轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中部位，緩解巖體應(yīng)力集中程度，或釋放圍巖應(yīng)變，使應(yīng)力達(dá)到新的相對平衡，以達(dá)到控制和管理地壓的目的，保證礦山安全生產(chǎn)。各類采空場處理方法都有特定的適用條件，在其特定的條件下各有利弊，從國內(nèi)外空區(qū)處理方法和經(jīng)驗分析，實際上真正得以使用的為崩落法和充填法。但對地下轉(zhuǎn)露天的礦山來講，采用充填法來處理空區(qū)，存在系統(tǒng)建設(shè)投資大、充填量大、效率低以及運(yùn)營成本高、工藝復(fù)雜、對露天生產(chǎn)影響嚴(yán)重等缺點(diǎn)，更嚴(yán)重的是充填物充填至井下后難以和礦石區(qū)分，加大礦石貧化，因此該法不可取。地表崩落處理法與充填法相比具有施工方便、充填效果好、速度快、成本低、能有效的與生產(chǎn)結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，同時該法能與露天生產(chǎn)相結(jié)合，實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)，為空區(qū)處理的有效方法。

地表中深孔崩落法處理地下采空區(qū)時，首先根據(jù)露天開采現(xiàn)狀、空區(qū)的賦存形態(tài)、分布位置、礦巖穩(wěn)固條件以及空區(qū)處理的難易程度，對礦區(qū)地下空區(qū)進(jìn)行分區(qū)、分類，實行分區(qū)管理。在臺階生產(chǎn)中根據(jù)各分區(qū)臺階推進(jìn)情況，布置鉆孔對空區(qū)進(jìn)一步探測，臺階推進(jìn)同時，根據(jù)鉆探實際，結(jié)合空區(qū)資料布置監(jiān)測孔，及時預(yù)報地壓情況。最后根據(jù)生產(chǎn)實際，針對不同類別采空區(qū)進(jìn)行處理:簡單容易處理的空區(qū)，采取單層中深孔爆破處理;復(fù)雜難處理的多層復(fù)合空區(qū)，采取深孔爆破一次處理，或先處理上層空區(qū)，然后邊鏟裝邊鉆探，摸清情況后，再采用中深孔處理下層空區(qū);極復(fù)雜極難處理多層復(fù)合空區(qū)，可采取深孔切割爆破處理，或?qū)⑸a(chǎn)臺階并段布置切腳削弱工程進(jìn)行處理。露天永久邊坡下的小規(guī)模采空區(qū)，采用混凝土充填法或下向式臺階再造技術(shù)對永久邊坡下空區(qū)進(jìn)行治理。

多層復(fù)合空區(qū)一次處理的方法有:側(cè)翼揭露斜孔分次法、強(qiáng)拉槽深孔切割崩落法、臺階分段或并段深孔崩落法。

2.3 深孔控制爆破技術(shù)

國內(nèi)外露天礦均為正常臺階爆破，鑿巖條件好、成孔率高、爆破自由面充足。地下轉(zhuǎn)露天開采的礦山，露天爆破既是為了采礦，也是為崩落空區(qū)頂板、礦柱或圍巖，成功處理空區(qū)。復(fù)雜多層高危空區(qū)條件下的深孔控制爆破為露天采礦與空區(qū)處理最關(guān)鍵的技術(shù)之一。為解決復(fù)雜多層高危空區(qū)條件下深孔爆破抵抗線差別大、爆區(qū)面積大、爆破夾制性大、炮孔深、露天無側(cè)向自由面等爆破技術(shù)難題，空區(qū)處理深孔控制爆破采用差別抵抗線深孔爆破技術(shù)、同步一次中深孔強(qiáng)拉槽爆破技術(shù)、大面積單孔和排間分段復(fù)合起爆技術(shù)，實現(xiàn)露天強(qiáng)化開采及協(xié)同處理地下空區(qū)。

(1)同步一次中深孔強(qiáng)拉槽爆破技術(shù)。在整體爆破的同時，利用空區(qū)為自由面，前段中深孔強(qiáng)行一次拉槽，使無自由面的深孔爆破轉(zhuǎn)換成側(cè)向爆破，為無露天臺階側(cè)向自由面的露天深孔處理地下空區(qū)和采礦帶來了生機(jī)。

(2)差別抵抗線深孔爆破技術(shù)。根據(jù)采空區(qū)及其爆破自由面的形態(tài)特征、深部炮孔抵抗線的大小、匹配爆破能量，布置不同孔徑的深孔，形成集中藥包和條形藥包組合爆破，達(dá)到所需爆破能量和應(yīng)供爆破能量的平衡。

(3)大面積單孔和排間分段復(fù)合起爆技術(shù)。在一次爆破中同時采用單孔起爆與排間分段起爆的復(fù)式網(wǎng)絡(luò)，采用SHOTPLAN軟件進(jìn)行起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，將單孔起爆時間、拋擲方向、等時線、任意間隔時間內(nèi)的起爆孔數(shù)、模擬現(xiàn)場爆炸和松散度等進(jìn)行精確計算，保證網(wǎng)絡(luò)安全，滿足臺階生產(chǎn)與空區(qū)處理的要求，實現(xiàn)露天強(qiáng)化開采。

2.4 露天開采地壓監(jiān)測技術(shù)

在空區(qū)上方的臺階生產(chǎn)作業(yè)區(qū)，應(yīng)進(jìn)行地壓監(jiān)測，對空區(qū)頂板巖石應(yīng)力情況即時預(yù)報。地壓監(jiān)測網(wǎng)的布置與露天臺階生產(chǎn)緊密結(jié)合，對空區(qū)上方的開采區(qū)實行重點(diǎn)監(jiān)測。監(jiān)測網(wǎng)的覆蓋面要廣，采取整體宏觀監(jiān)控與局部重點(diǎn)監(jiān)測相結(jié)合，以固定點(diǎn)監(jiān)測為主，臨時點(diǎn)監(jiān)測為輔。同時地壓監(jiān)測方法采用流動間斷性監(jiān)測與連續(xù)監(jiān)測的方法進(jìn)行。

不同礦段、不同時期的露天開采與空區(qū)處理過程中的臺階推進(jìn)、穿孔、鏟裝、運(yùn)輸?shù)仁┕?yīng)有相應(yīng)的安全措施，同時制定應(yīng)急預(yù)案。

3 三道莊露天礦應(yīng)用實例

洛鉬集團(tuán)三道莊鉬鎢礦床鉬礦地質(zhì)儲量達(dá)20億t，位居亞洲第一，世界第三。該礦床自1960年代至2005年底前以地采為主，為合理利用資源，1990年代初，開始露天建設(shè)，2006年7月形成30000 t/d的露天生產(chǎn)規(guī)模。三道莊礦區(qū)經(jīng)過30多年的地下開采，在露天開采境界內(nèi)形成了大量的地下空區(qū)，共有空區(qū)面積120萬m2，空區(qū)體積1200萬m3。同時，地下所有的空區(qū)均未進(jìn)行充填，空區(qū)形態(tài)不規(guī)則，大小、高低不一致，空區(qū)頂板連續(xù)暴露面積大，上下空區(qū)重疊交錯，空區(qū)間隔層薄，甚至幾層相互采透貫通，形態(tài)極其復(fù)雜。

隨著礦山生產(chǎn)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，臺階下降速度加快，露天臺階下深部大量不規(guī)則、多層重疊的復(fù)雜采空區(qū)的存在嚴(yán)重影響了礦山的正常生產(chǎn)，經(jīng)常出現(xiàn)空區(qū)垮塌，甚至有設(shè)備掉入井下等事故，給礦山施工的人員和設(shè)備帶來了極大的安全威脅。

長沙礦山研究院與洛鉬集團(tuán)進(jìn)行項目攻關(guān)，在大量技術(shù)分析與現(xiàn)場工業(yè)試驗的基礎(chǔ)上，通過試驗組人員的共同努力和艱苦奮斗，使洛鉬集團(tuán)三道莊礦實現(xiàn)了露天開采與空區(qū)處理一體化。采用VB與CAD相結(jié)合的剖面圖自動生成技術(shù)，建立空區(qū)剖面數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)新建立了差別抵抗線混合孔徑深孔爆破、深孔鉆探與三維激光掃描自動成圖技術(shù)，形成了集探測、監(jiān)測、開拓、采礦、鏟裝、運(yùn)輸、空區(qū)處理、安全預(yù)警為一體同步進(jìn)行的強(qiáng)化開采技術(shù)系統(tǒng)，解決了露天開采與地下空區(qū)處理同步進(jìn)行之間的矛盾。

從2006年至2009年底，三道莊露天礦共處理空區(qū)148次，處理空區(qū)面積40.9萬m2，處理空區(qū)體積438.1 m3，共采出礦石 1136萬 t，生產(chǎn)鉬精礦23626 t，同時沒有出現(xiàn)任何一起因空區(qū)而發(fā)生的人員傷亡和設(shè)備損失的事故。其中2006年共處理空區(qū)24次，處理空區(qū)面積5.3萬m2，處理空區(qū)體積45.6萬m3;2007年共處理空區(qū)38次，處理空區(qū)面積8.2萬 m2，處理空區(qū)體積101.2萬 m3，并成功進(jìn)行了2次多層復(fù)合空區(qū)的處理;2008年的空區(qū)處理40次，面積12.7萬 m2，處理空區(qū)體積132.7 萬 m3，進(jìn)行極復(fù)雜復(fù)合區(qū)(三層以上)處理4次，處理面積32000 m2，復(fù)合空區(qū)(二層空區(qū))處理12次，處理面積41000 m2;2009年共進(jìn)行空區(qū)處理46次，面積14.7 萬 m2，處理空區(qū)體積158.6 萬 m3。

事實證明，露天開采與空區(qū)處理一體化技術(shù)已成功應(yīng)用于洛鉬集團(tuán)三道莊露天礦，該技術(shù)是安全可靠、切實可行的，其經(jīng)濟(jì)和社會效益也十分明顯。

4 結(jié)論

國內(nèi)外地下轉(zhuǎn)露天開采的礦山均存在有大量的地下采空區(qū)，露天開采與空區(qū)處理一體化技術(shù)是類似礦山發(fā)展的主方向。實踐證明，該技術(shù)是集探測、監(jiān)測、開拓、采礦、鏟裝、運(yùn)輸、空區(qū)處理、安全預(yù)警為一體，依實施法、分期分段的強(qiáng)化開采集成技術(shù)系統(tǒng)，解決了露天開采與地下空區(qū)處理同步進(jìn)行之間的矛盾，為國內(nèi)外同類型礦山開采開創(chuàng)了新起點(diǎn)。進(jìn)一步推廣和使用該技術(shù)，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，從而對中國礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到重大作用。同時，應(yīng)用實踐發(fā)現(xiàn)，露天開采與空區(qū)處理一體化技術(shù)在以下幾個方面還有待于進(jìn)一步的研究和完善。

(1)地下空區(qū)情況復(fù)雜、地層復(fù)雜，露天臺階大多有較厚浮碴覆蓋，如何提高物理探測法精度，從而用于指導(dǎo)生產(chǎn)，應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)研究。

(2)露天強(qiáng)化開采與空區(qū)處理過程中，安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)非常重要。目前多井下空區(qū)常用的監(jiān)測手段為巖體聲發(fā)射監(jiān)測或微震監(jiān)測，需要在現(xiàn)有的監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)上，提高巖體監(jiān)測對時間、空間的定位，準(zhǔn)確預(yù)報各類巖體事件。

(3)為保證作業(yè)安全，滿足空區(qū)頂板最小安全厚度要求，空區(qū)處理經(jīng)常需要深孔爆破，炮孔深度一般為40～60 m。因此，應(yīng)該進(jìn)行深孔鉆機(jī)與遙控鉆機(jī)等裝備的研發(fā)。

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2010－02－18)

高建敏(1965－)，男，河南洛陽人，工程師，主要從事于礦山采礦安全生產(chǎn)及管理。