采空區協同利用機制

陳慶發 ，周科平，古德生，蘇家紅

(1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2.廣西大學 資源與冶金學院，廣西 南寧，530004；3.廣西華錫集團股份有限公司，廣西 柳州，545006)

自20世紀80年代以來，我國礦業開采秩序較為混亂，非法和無規劃的亂采濫挖給許多礦山留下大量規模不等的采空區，致使礦山開采條件惡化、礦柱變形破壞及地表塌陷，給礦山生產和安全帶來嚴重影響[1]。據不完全統計，近年來在我國廣西、山東和河北等省發生了數十起礦山采空區坍塌重大災害事件[2]，如：2004年5月20日嶧城石膏礦區發生采空區大面積塌陷事故，礦區塌陷面積達14.47×104m2，總質量超過230×104t，冒落的體積約為100×104m3；2005年11月6日邢臺縣尚汪莊石膏礦區的康立石膏礦、林旺石膏礦和太行石膏礦發生特別重大坍塌事故，坍塌區面積為5.3×104m2，塌陷區中心下沉約8 m。采空區處理是預防與控制采空區災害的重要組成部分，從地壓控制的角度，將采空區處理方法分為崩落法、充填法、支撐法、封閉隔離法和聯合法 5類[3]。近年來，隨著科學技術的進步，采空區處理技術取得了一些新進展，李俊平[4]提出了控制爆破局部切割槽放頂技術處理采空區，千海洪等[5]基于VCR法采用深孔牙輪鉆機利用高臺階崩落法處理復合采空區，解決了復合采空區處理難的問題，周科平等[6?7]提出了采用爆破擾動誘發頂板失穩的誘導崩落空區處理技術，陳友東等[8]提出類框架結構采空區處理技術。本文作者從礦山工程系統合理布局出發，廣泛汲取多領域學術營養與多學科優化理念，結合巖體力學性質分析，從協調資源開采的角度提出了“協同利用”采空區處理新技術。

1 采空區協同利用的提出

1.1 思想起源

(1)“采礦環境再造”

為了實現復雜條件下軟破礦體的安全高效回采，古德生等[9?10]基于對采礦工程系統復雜性、動態性和非線性特性的深刻認識，準確把握了采礦科學未來的發展趨勢，站在礦業可持續發展的高度上，創造性提出了“采礦環境再造”這一科學命題。其基本內涵是“突破傳統的采礦方法設計思想的限制，應用新的理論、方法和技術，營造一個良好的礦巖開采環境，最終實現礦石資源的高效回采”。

(2)協同論[11?12]

協同理念是20世紀60年代由Ansoff教授提出，隨后該理念便一直成為理論界、企業界、工程界研究很多問題的指導原則。所謂協同指的是事物與事物之間的一種關系，一種相互之間的和諧與正向配合的關系。系統協同指的是通過某種方法來組織和調控所研究的系統，尋求解決矛盾或沖突的方案，使系統從無序轉換到有序，達到協同或和諧的狀態。系統協同的目的就是減少系統的負效應，提高系統的整體輸出功能和整體效應。

(3)“內嵌式設計”理念

內嵌式設計是為滿足某一功能需要，將某一元件嵌入系統之中而進行的設計。該理念在電信、電子、電氣、網絡、機電等行業中應用居多，如電視上天氣預報中的內嵌式廣告、網頁中的內嵌式播放器、耳環中的內嵌式收音機、編程語言中的內嵌式函數等。

(4)巖石力學

傳統的采礦設計采用的是經驗類比法，靠“查手冊”來進行開采方案的設計和確定采場結構參數，以至長期以來，人們習慣地認為采礦只是一門工藝，而不是一門科學。采礦是一門復雜的系統科學工程，巖石力學是使采礦從工藝向科學轉變的一座橋梁[13]。巖體的力學性質包括巖體穩定性特征、強度特征和變形特征等，且這些性質隨著工程尺寸和開挖方向的不同而不斷變化[14]。目前，巖石力學已經廣泛應用到了采礦工程中的各個領域，地下開采現代技術與礦山巖石力學相互交叉及滲透已密不可分。

1.2 采空區協同利用的提出及意義

采空區協同利用是指將現有采空區直接或通過某種技術手段環境改造后被納入整個礦山的開采布局之中，作為開采系統中的部分井巷工程、切割工程、自由爆破空間、硐室空間等加以利用，使礦山取得較好的協同效果和較高的協同效應。

新方法區別于“充”、“崩”、“撐”、“封”等常規采空區處理方法，如用一個字來表示這種采空區處理理念，那就是“用”，這種“用”區別于礦山閉坑后的用，是資源開采過程中的“用”，是從系統的內部出發，積極地、主動地和能動地“用”。

新方法的提出具有以下意義：

(1)突破了從地壓控制角度劃分采空區處理方法的限制，首次提出“協同利用”空區處理新技術模式。

(2)進一步豐富和發展了采空區處理技術體系。

2 采空區協同利用基本原則與模式

2.1 采空區協同利用基本原則

(1)安全第一性

采空區協同利用，不能以犧牲工程穩定性為代價，在保證工程穩定的前提下，變被動為主動，變不利為有利，充分合理地開發利用采空區。工程安全性應包含宏觀上工程整體穩定性與微觀上的施工安全。

(2)工藝合理性

采空區利用本質是使得采空區所在空間位置能夠在最大程度上內嵌入開采布局中。采空區利用對采礦方法設計提出了要求，因此，在采礦方法選擇時就應同步考慮到采空區的協同利用。

(3)經濟節約性

采空區協同利用需要考慮經濟性，如果僅考慮工藝方便，而花費代價太高就使利用意義大打折扣。如果能夠直接利用，不進行采空區物理環境的改造，此時成本最低。

2.2 采空區協同利用基本模式

從利用過程中采空區所起的作用不同，將采空區協同利用分為以下3大類基本模式。

(1)作為開采空間利用

結合選用的采礦工藝，調整開采布局，將采空區調整為開采布局的一部分，充分利用采空區，節省工程量，提供施工方便。對于復雜的空區群，可能有多套調整利用方案，需進行綜合比較確定最佳方案。

按改造的程度不同，作為開采空間利用模式又可分為4亞類。

① 直接調整利用

根據采空區空間形狀，規模，方位，將其調整為開采系統中的部分井巷工程、切割工程、自由爆破空間和硐室空間等直接利用，適用于中小規模的獨立采空區。

② 崩落部分圍巖后利用

基于采礦方法的開采布局中如果不能直接將采空區利用，可以采用崩落部分圍巖后將采空區調整為部分井巷工程，切割工程或自由爆破空間利用，適用于中小規模的獨立采空區。

③ 部分充填后利用

采礦方法的開采布局中如不能直接將采空區直接利用，也可以借鑒采礦環境再造技術，采取先進行部分充填后將其調整為部分井巷工程，切割工程或自由爆破空間利用，適用于大中型采空區，圖1所示為部分上向分層充填與條柱式充填表現形式，圖2所示為部分不同表現形式的人工礦柱水平投影圖。

④ 聯合處理后利用

對于復雜形狀的大中型采空區或者復雜空區群體，經多種常規采空區方法或采礦環境再造方式處理后再進行利用。

圖1 水平分層充填與條礦柱式充填Fig.1 Upward slice filling and strip-pillar filling mode

圖2 人工礦柱水平投影圖Fig.2 Artificial pillar horizontal projection map

(2)作為轉換空間利用

綠色、無廢開采也是21世紀采礦技術的重要發展方向[15?16]。將采空區看作為轉換空間進行利用，是指將廢石、尾礦等礦山固體廢料直接充填至井下采空區，少廢或無廢排放。采空區作為轉換空間利用不僅解決了這些廢料的排放堆積問題，而且強化了工程穩定性。采空區周邊資源回采也可與轉換空間的利用協同進行，系統輸出較高的協同效應。

(3)作為卸荷空間利用

深部資源的不利開采條件主要表現為“三高一擾動”的特點，即“高地應力、高地溫、高巖溶水壓和強烈的開采擾動”[17]。近年來，深部資源卸壓開采技術取得了較大進展，其卸荷原理是通過合理的回采順序，使開采區域的適當部位產生局部弱化，以合理調整圍巖應力分布狀態，在開挖結構的近表層形成低應力卸荷圈，使應力集中部位向深部轉移，在圍巖深部形成應力集中的自承載圈[18]。

通過調整開采布局，可將部分現有空區調整為卸荷開采中卸荷槽的一部分加以利用。圖3所示為采空區作為部分卸荷空間的利用模式。

圖3 采空區作為卸荷空間的利用模式Fig.3 Cavity using mode as a part of unloaded space

3 采空區協同利用機制

(1)開采布局可依據現有采空區的賦存特征進行適當調整，采空區微環境可通過技術手段再造或改造，因此，采空區內嵌入開采布局中具有客觀可行性。

(2)采空區協同利用適宜的采礦方法主要有空場法、空場嗣后充填法，或采礦環境再造系列采礦法。

(3)工藝調整過程必須以巖體力學性質的計算分析為指導，如：階段(分段)高度的調整、采礦環境再造方式的確定、施工順序的決策等。

(4)中小規模采空區可直接內嵌入礦山開采布局中，作為開采系統中的部分井巷工程、切割工程、自由爆破空間、硐室空間等加以利用。

(5)較大規模采空區或復雜空區首先通過采礦環境再造的方式，劃大空區為小空區或劃連續空區為孤立空區，然后將小空區或孤立空區內嵌入礦山開采布局中加以利用。

4 應用研究

4.1 工程背景

高峰礦區 105號礦體為埋藏較深的大型特富礦體，屬于高硫和高鐵的錫石-硫化礦床，價值巨大，礦石中含錫、鋅、鉛和銻等多種金屬，綜合品位在20%上，且含硫和鐵均高達28%以上。礦體位于100號礦體的下部，在?79 m標高與100號礦體相連接，向下延伸至?300 m標高。礦體為南北走向，呈弧形彎曲，沿走向長300 m左右，已揭露的礦體水平厚度為8～40 m。礦體在?114～?145 m之間稱為碎裂礦段，碎塊大小約10 cm，未膠結，易脫落；因其品位高，近年來受民采干擾，形成了多個形態不一的采空區。

碎裂礦段礦石品位較高，價值貴重，決定了礦段回采需采取回收率高、貧化率低的采礦方法，同時礦體埋藏較深，礦體碎裂，基本可以排除單純的崩落法和空場法；由于礦石含硫較高，有自燃的可能性，充填法中應排除與留礦法有關的采礦方法；礦體節理裂隙異常發育，工作面穩定性和堅固性差，如采用常規的分層充填法[19]，則存在開采安全性差，生產效率低，地質災害隱患多等現象；此外，賦存在其中的采空區也對資源開采提出了更高的要求，如預先充填空區，則用分層充填法開采中充填體自身存在較大隱患，如不充填，如何能保證對周邊碎裂資源安全回采。綜上所述，對空區條件下碎裂資源開采問題，迫切需要引入新觀點、新方法、新思維加以解決。

4.2 單空區協同利用方案

基于連續采礦與采礦環境再造理論和技術，在采空區信息不全的情況下，陳慶發等[20]提出了采礦環境再造分段鑿巖階段礦房采礦法，介紹了單空區協同利用方案。

4.3 多空區協同利用方案

多空區條件下的隱患資源開采，如繼續沿用單空區采礦方法無法保證礦山安全生產，本著采空區協同利用及在最大程度上規避風險的宗旨，發明了采礦環境再造分層分條中深孔落礦采礦法(見圖4)。

圖4 采礦環境再造分層分條中深孔落礦采礦法Fig.4 Mining environment reconstructing layering and stripping medium-length hole caving mining method

首先將?110～?140 m主體資源劃分為10 m厚度的3個分層。分層內按照設計的條柱式連續采礦方法進行開采，條柱斷面為10 m×10 m，條柱長度按礦體具體條件確定。第1循環采取整體上隔一采一的方式，然后進行較高配比的水泥砂漿膠結充填(水泥與砂漿質量比為1:4)；第2循環，在已經隔一采一嗣后充填的條件下，對第2循環內礦體進行隔一采一然后回采礦房，先進行3 m的高配比膠結充填，然后進行低配比的水泥砂漿充填(水泥與砂漿質量比為1:6或1:10)。第1循環和第2循環的回采工藝大致相同，拉槽布置在條柱的端部，然后進行后退式回采，出礦從鑿巖道平底結構鏟運機出礦。充填均通過上一分層的外圍平巷進行，經出礦進路、充填通風聯絡道下放充填管路進行。在形成3 m厚度的人工底柱時，要確保人工底柱的整體性和充填質量。

限于篇幅，僅介紹4分層采空區協同利用方案。

4分層17號和15號空區在礦段開采前已全部充填。為給周邊礦體回采提供了協同空間(爆破補償空間)，18號空區僅充填至?130 m。分層內劃分22個條柱，由2條穿脈巷道把4分層礦脈分為A，B和C 3個區段，如圖5所示。

需要特別說明的是：如將A區和B區資源劃為單個條柱式開采，則條柱過長，不利于工程的安全性與產能搭配；如在A和B區之間留設一斜4～6 m寬的條柱，則上述開采難題迎刃而解。斜條柱礦產資源開采后形成的采空場，不僅解決了A和B資源開采條柱過長與安全性差的問題，與此同時，連同A部分資源開采后部分采場盈余空間也為B部分資源的開采提供了協同空間(通風與充填巷道)，其自身也可與其他條柱在產能上進行合理搭配。斜條柱設計體現了采空區協同利用技術的精髓。

圖5 4分層采空區協同利用方案Fig.5 Cavity synergetic utilization scheme in orebody of layer No.4

4.4 應用效果評價

采空區協同利用作為一種采空區處理新方法新機制，從提出歷經懷疑、接受、肯定、應用多個階段。截止至目前，廣西高峰礦已應用該技術成功處理了多個采空區，積累了一些先進經驗，已將采空區協同利用寫入企業采空區處理技術規程中；同時，依托的“十一五”國家科技支撐計劃課題“高峰礦碎裂礦段安全高效開采綜合技術研究”已順利通過國家科技部專家組驗收。

應用效果表明：新機制不僅成功處理了空區隱患，實現了空區隱患資源的安全開采，同時還大大降低了空區處理成本，甚至零成本；單空區條件下采用的空場類采礦法能夠靈活調節開采布局，充分發揮采空區的協同利用度，輸出最好的協同效果和協同效應；復雜多空區條件下采空區協同利用方案仍有較多技術問題需要深入研究，如時空協同次序優化問題。

可預見，采空區協同利用、采礦環境再造、常規采空區處理技術等耦合形成的聯合處理技術對于復雜空區群災害處理具有廣闊的應用前景。

5 結論

(1)突破常規采空區處理方法分類的限制，首次從協調資源開采的角度提出了“協同利用”采空區處理新技術，對于發展和完善空區處理技術體系具有重要的理論意義。

(2)通過確立空區協同利用基本原則，將采空區協同利用的分為開采空間、轉換空間和卸荷空間3類基本模式，使新技術上升至理論水平和技術可操作階段。

(3)機制研究表明開采布局靈活調整性是采空區協同利用之根本，適宜的采礦方法主要為空場法、空場嗣后充填法或采礦環境再造系列采礦法；采空區協同利用須以工程穩定性準確計算分析為依據。

(4)工程應用效果表明采空區協同利用新機制具有多種優點，對于我國眾多空區隱患資源及殘礦資源的安全開采具有重要的指導意義。

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