露天開采與空區處理一體化技術

高建敏，林衛星

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

露天開采與空區處理一體化技術

高建敏1，林衛星2

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

介紹了國內礦山采空區現狀及采空區治理方法，對地下轉露天生產的礦山提出了全新的露天開采與空區處理一體化技術，論述了其空區探測、空場處理、深孔控制爆破、安全防范等關鍵技術，并將該技術成功應用于洛鉬集團三道莊露天礦，取得了良好的效果。最后探討了該技術的應用前景和進一步的研究方向，為露天開采與空區處理一體化技術在我國地下轉露天礦山的進一步推廣應用提供了理論指導。

露天開采;空區處理;一體化技術;深孔控制爆破;采空區探測

0 前言

我國已成為世界金屬非金屬礦產資源開采大國，金屬非金屬礦產資源的開發利用成為了社會經濟發展的重要支柱。然而我國金屬非金屬礦山采空區規模巨大，賦存特征、條件非常復雜，采空區均存在不同程度的安全隱患，已成為礦山企業重要危險源之一，嚴重制約了礦山的發展。對于地下轉露天的礦山而言，地下空區的存在使露天生產極不安全，不進行空區處理則無法進行露天采礦;處理空區時，露天不能停產，而且還要保產、增產。如何解決露天開采與地下空區處理同步進行之間的矛盾，實現復雜地下采空區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處理一體化技術，為國內外同類型礦山的強化開采開創了新起點。

1 礦山采空區處理現狀

1.1 礦山采空區現狀分析

通過調查發現我國礦山采空區總體積已達43217.26萬m3，據估計，全國地下開采礦山采空區的規模以2000～3000萬m3/a的速度遞增。據不完全統計，因采礦引發的塌陷面積達1150 km2，發生采礦塌陷災害的礦業城市有30多個，每年因采礦地面塌陷造成的損失達4億元以上。按行業分布，有色金屬行業采空區體積占總量的43.67%，黑色金屬行業采空區體積占總量的18.18%，黃金礦山采空區體積占總量的7.51%，化工礦山采空區體積占查總量的17.44%，建材礦山采空區體積占總量的13.20%。

國內有色金屬礦山采空區的形成過程十分復雜，采空區的分布特征與礦體賦存形態、礦山開采所用采礦方法等有直接的關聯，同時，不規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有限公司(原壽王墳銅礦)、洛鉬集團三道莊鉬鎢礦、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、河南永煤集團南泥湖鉬礦等采空區規模巨大，其中壽王墳銅礦、洛鉬集團三道莊鉬鎢礦空區體積超過了1000萬m3。

1.2 采空區治理方法

地下采空區除在特定條件下可以支撐并永久保留外，通常都應當進行處理，其目的在于消除空場，避免沖擊地壓隱患。歸納國內外的空場處理方法，不外乎崩落和充填兩大類，進一步細分為有5類，即“崩”、“充”、“撐”、“封”和前述某幾種方法的“聯合”。

(1)崩落法。用崩落圍巖回填空場并形成緩沖保護墊層，以防止空場內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，防止應力過分集中和大規模的地壓活動，并且可以簡化處理工藝，提高勞動生產力，而且處理成本低，已為國內外礦山廣泛應用。

(2)充填法。從坑內外通過車輛運輸或管道輸送運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，頂板又相當穩定的礦體。

(4)“封”就是用封閉和隔離的手段處理采空場。該方法是一種經濟、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回采的大礦體上部的采空場。

(5)聯合法。即在一個空場內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、生產狀況不一，各單一空場處理方法均有局限性，某些空場內采用單一方法很難做到經濟合理、簡便適用，因而就產生了聯合法。

從國內外空區處理方法和經驗分析，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制崩落法處理空區;洛鉬集團三道莊鉬礦、河南永煤集團南泥湖鉬礦、廣東大寶山鐵礦等地下轉露天礦山采用地表中深孔崩落法處理空區。

2 露天開采與地下空區處理一體化技術

地下轉露天開采的礦山，在露天開采范圍內存在大量復雜地下采空區。露天開采與空區處理一體化技術以實現露天強化開采為目標，將露天采場按空區分布進行了區域劃分，對整個地下空區按危險等級和處理難易程度進行了系統科學的分類，對露天開采和空區處理進行統籌規劃，按分期、分段進行;創新開發了探測、監測、采礦、處理并舉，探測先行系統作業法，對空區頂板先行探測，確認空區頂板原巖厚度，同時對高危空區進行巖移監測，建立空區安全預警系統，形成了集探測、監測、開拓、采礦、鏟裝、運輸、空區處理、安全預警為一體同步進行，依實施法、分期分段的強化開采技術系統，解決了露天開采與地下空區處理同步進行之間的矛盾及多層大型高危地下采空區條件下露天強化開采的科學技術問題。

2.1 地下空區精確探測技術

地下采空區的范圍、大小具有不確定性和動態變性。隨著露天開采臺階的推進，礦山需要準確掌握臺階下采空區情況，以便確定出露天開采時人員、設備作業安全的隔離層厚度，并對可能塌落的采空區位置與范圍進行科學判斷，對露天開采中存在的危險提出警戒和預報，為井下采空區綜合治理提供準確的數據資料，從而盡可能減少或完全消除作業人員及設備在采空區陷落的危險，最終確保露天開采人員及設備安全。

目前國內外關于采空區的探測方法，一是傳統的鉆孔探測法(潛孔鉆或地質鉆)，其次是借助地質探礦中使用的地球物理方法，以及近年來從國外引進的三維激光探測儀(C－ALS)。鉆孔探測法可精確控制采空區頂板厚度、采空區高度和采空區的平面位置，可用于有資料的空區的驗證，但作業量大，須多次穿孔探測，對無資料的空區探測盲目性大;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，難以指導生產;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的探測孔，另外當有礦柱阻擋時不能獲取完整的空區圖像。

基于地下采空區的動態變化以及空區探測方法的片面性，在臺階生產過程空區探測應采用多種手段相結合的綜合探測技術，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果對地下空區的位置、范圍、體積進行科學判斷。在露天臺階生產過程應始終堅持對各臺階工作面、運輸道路超前布置探測孔，提前采用鉆孔探測臺階面、運輸道路下部的空區情況，確保人員、設備的安全。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鉆探測，鉆孔打透空區后立即采用三維激光掃描儀探測，準確掌握空區范圍、體積規模。在地表采用中深孔崩落處理空區時，也應布置探測孔來準確定位空區頂板厚度，確定炮孔的合理孔深，確保空區成功崩落。

2.2 采空區處理技術

采空區處理的實質是轉移應力集中部位，緩解巖體應力集中程度，或釋放圍巖應變，使應力達到新的相對平衡，以達到控制和管理地壓的目的，保證礦山安全生產。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，從國內外空區處理方法和經驗分析，實際上真正得以使用的為崩落法和充填法。但對地下轉露天的礦山來講，采用充填法來處理空區，存在系統建設投資大、充填量大、效率低以及運營成本高、工藝復雜、對露天生產影響嚴重等缺點，更嚴重的是充填物充填至井下后難以和礦石區分，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、能有效的與生產結合等優點，同時該法能與露天生產相結合，實現安全高效生產，為空區處理的有效方法。

地表中深孔崩落法處理地下采空區時，首先根據露天開采現狀、空區的賦存形態、分布位置、礦巖穩固條件以及空區處理的難易程度，對礦區地下空區進行分區、分類，實行分區管理。在臺階生產中根據各分區臺階推進情況，布置鉆孔對空區進一步探測，臺階推進同時，根據鉆探實際，結合空區資料布置監測孔，及時預報地壓情況。最后根據生產實際，針對不同類別采空區進行處理:簡單容易處理的空區，采取單層中深孔爆破處理;復雜難處理的多層復合空區，采取深孔爆破一次處理，或先處理上層空區，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;極復雜極難處理多層復合空區，可采取深孔切割爆破處理，或將生產臺階并段布置切腳削弱工程進行處理。露天永久邊坡下的小規模采空區，采用混凝土充填法或下向式臺階再造技術對永久邊坡下空區進行治理。

多層復合空區一次處理的方法有:側翼揭露斜孔分次法、強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

國內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。地下轉露天開采的礦山，露天爆破既是為了采礦，也是為崩落空區頂板、礦柱或圍巖，成功處理空區。復雜多層高危空區條件下的深孔控制爆破為露天采礦與空區處理最關鍵的技術之一。為解決復雜多層高危空區條件下深孔爆破抵抗線差別大、爆區面積大、爆破夾制性大、炮孔深、露天無側向自由面等爆破技術難題，空區處理深孔控制爆破采用差別抵抗線深孔爆破技術、同步一次中深孔強拉槽爆破技術、大面積單孔和排間分段復合起爆技術，實現露天強化開采及協同處理地下空區。

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

(2)差別抵抗線深孔爆破技術。根據采空區及其爆破自由面的形態特征、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，達到所需爆破能量和應供爆破能量的平衡。

(3)大面積單孔和排間分段復合起爆技術。在一次爆破中同時采用單孔起爆與排間分段起爆的復式網絡，采用SHOTPLAN軟件進行起爆網絡設計，將單孔起爆時間、拋擲方向、等時線、任意間隔時間內的起爆孔數、模擬現場爆炸和松散度等進行精確計算，保證網絡安全，滿足臺階生產與空區處理的要求，實現露天強化開采。

2.4 露天開采地壓監測技術

在空區上方的臺階生產作業區，應進行地壓監測，對空區頂板巖石應力情況即時預報。地壓監測網的布置與露天臺階生產緊密結合，對空區上方的開采區實行重點監測。監測網的覆蓋面要廣，采取整體宏觀監控與局部重點監測相結合，以固定點監測為主，臨時點監測為輔。同時地壓監測方法采用流動間斷性監測與連續監測的方法進行。

不同礦段、不同時期的露天開采與空區處理過程中的臺階推進、穿孔、鏟裝、運輸等施工應有相應的安全措施，同時制定應急預案。

3 三道莊露天礦應用實例

洛鉬集團三道莊鉬鎢礦床鉬礦地質儲量達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，2006年7月形成30000 t/d的露天生產規模。三道莊礦區經過30多年的地下開采，在露天開采境界內形成了大量的地下空區，共有空區面積120萬m2，空區體積1200萬m3。同時，地下所有的空區均未進行充填，空區形態不規則，大小、高低不一致，空區頂板連續暴露面積大，上下空區重疊交錯，空區間隔層薄，甚至幾層相互采透貫通，形態極其復雜。

隨著礦山生產規模的進一步擴大，臺階下降速度加快，露天臺階下深部大量不規則、多層重疊的復雜采空區的存在嚴重影響了礦山的正常生產，經常出現空區垮塌，甚至有設備掉入井下等事故，給礦山施工的人員和設備帶來了極大的安全威脅。

長沙礦山研究院與洛鉬集團進行項目攻關，在大量技術分析與現場工業試驗的基礎上，通過試驗組人員的共同努力和艱苦奮斗，使洛鉬集團三道莊礦實現了露天開采與空區處理一體化。采用VB與CAD相結合的剖面圖自動生成技術，建立空區剖面數據庫，創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，形成了集探測、監測、開拓、采礦、鏟裝、運輸、空區處理、安全預警為一體同步進行的強化開采技術系統，解決了露天開采與地下空區處理同步進行之間的矛盾。

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

事實證明，露天開采與空區處理一體化技術已成功應用于洛鉬集團三道莊露天礦，該技術是安全可靠、切實可行的，其經濟和社會效益也十分明顯。

4 結論

國內外地下轉露天開采的礦山均存在有大量的地下采空區，露天開采與空區處理一體化技術是類似礦山發展的主方向。實踐證明，該技術是集探測、監測、開拓、采礦、鏟裝、運輸、空區處理、安全預警為一體，依實施法、分期分段的強化開采集成技術系統，解決了露天開采與地下空區處理同步進行之間的矛盾，為國內外同類型礦山開采開創了新起點。進一步推廣和使用該技術，必將產生巨大的經濟效益和社會效益，從而對中國礦業的可持續發展起到重大作用。同時，應用實踐發現，露天開采與空區處理一體化技術在以下幾個方面還有待于進一步的研究和完善。

(1)地下空區情況復雜、地層復雜，露天臺階大多有較厚浮碴覆蓋，如何提高物理探測法精度，從而用于指導生產，應加強技術攻關研究。

(2)露天強化開采與空區處理過程中，安全監測預警技術非常重要。目前多井下空區常用的監測手段為巖體聲發射監測或微震監測，需要在現有的監測技術基礎上，提高巖體監測對時間、空間的定位，準確預報各類巖體事件。

(3)為保證作業安全，滿足空區頂板最小安全厚度要求，空區處理經常需要深孔爆破，炮孔深度一般為40～60 m。因此，應該進行深孔鉆機與遙控鉆機等裝備的研發。

[1] 宋嘉棟，王 堅.地下采空區頂板礦體露天開采工藝[J].有色金屬，2000，(5):14 －18.

[2] 《采礦手冊》編輯委員會.采礦手冊[M].北京:冶金工業出版社，1991.

[3] 王春毅，王永紅，程秀升.露天礦境界內采空區探測方法實踐[J].采礦技術，2008，(11):32 －33.

[4] 秦予輝，林衛星.大面積單孔和排間分段復合起爆技術在處理空區中的應用[J].采礦技術，2010，(5):21 －24.

[5] 謝九敬，趙 興.露天境界內地下復雜采空區的探測與治理[J].采礦技術，2009，(3):49 －51.

[6] 王春毅，程建勇.露天中深孔爆破處理地下采空區的實踐[J].采礦技術，2008，(5):61 －63.

[7] 林衛星，程建勇，歐任澤.地下多層復雜空區處理的工程實踐[J].爆破，2009，(6):31 －34.

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及管理。