為采空區加上“安全鎖”

馬海濤

采空區是“采礦活動中隨礦石開采后留下的可能誘發礦山災害的空間”。我國是世界上礦山生產第一大國，有地下礦井3萬多座，每年從地下開采礦石總量超過50億t。地下礦石被采出后留下的空間如果不進行充填處理，就會形成采空區。金屬礦山由于圍巖較為堅硬，頂板滯后冒落，往往容易形成巨大采空區，這是誘發地表突然塌陷、井下大規模冒頂和井下透水的主要危險源。

井下冒頂災害是采空區頂板在自重作用下突然垮落造成的危害，是事故起數最多、死亡人數最多、分布范圍最廣的災害類型之一，占礦山事故總量的30%以上。金屬礦山由于圍巖堅硬，往往能夠形成上百萬立方米的大面積采空區，一旦被破壞會形成大規模垮落，并伴隨著著強大的沖擊波，瞬間摧毀整個礦井。井下的大面積冒頂如果持續向地表發展，會導致地面塌陷，進而誘發人員墜落、建筑物倒塌、山體崩塌、河流倒灌等多種事故和災害。1980年6月，湖北省遠安縣鹽池河磷礦采空區塌陷誘發山崩，淹沒下游建筑，造成307人死亡。

在所有事故類型中，采空區水害是礦井重大水害事故的主要類型，所占數量比例已經超過80%。礦體回采完畢后，采空區在地表和地下水的長期補給下，充滿大量積水，一旦新的采掘工程誤與采空區聯通，積水瞬間涌出將發生淹井，造成人員傷亡和財產的巨大損失。

研究背景

金屬礦山行業采空區問題非常普遍。由于生產設備和工藝較為落后，安全生產投入長期不足，大量采空區沒有處理；整頓關閉后的民采礦井遺留大量采空區無法查明，給周邊礦井開采帶來嚴重安全隱患。隨著開采深度逐年下降、開采規模逐年擴大，采空區埋深和規模也越來越大，形成的安全隱患不容忽視。然而在采空區研究方面，相關研究仍缺乏系統性，甚至在采空區的概念上經常混淆，在其定義、范圍、分類、分等方法上尚未形成準確的、科學的、統一的結論，造成了國家礦山安全監管的技術障礙。

中國五礦集團公司在金屬礦山行業，排名處于世界第四、我國第一，是國有重要骨干企業。公司下轄30余家礦山企業，開采50余座礦山，年產礦石量2 200萬t，是我國地下金屬礦產量最大的集團公司。作為金屬礦山行業的龍頭企業，中國五礦集團公司高度重視采空區問題，將其列為安全監管的主要危險源進行管理，并于2013年與中國安全生產科學研究院合作，開展了“金屬礦山采空區安全隱患治理”項目研究，旨在通過技術研究，解決礦山企業存在的典型采空區安全問題，帶動金屬礦山行業在采空區隱患治理方面提升科技水平。

研究過程

研究項目以五礦集團公司下屬金屬采空區災害治理為核心，以采空區的探測、分析、評估為主線，以采空區的管理和災害預警為目標，從金屬采空區的精確探測、風險評估、分級管理和監測預警4個方面入手，開展研究工作。

在采空區探測方面，項目組綜合分析了金屬礦山采空區地表、井下探測方法和技術的適應性，在高密度電法、地質雷達、瞬變電磁法、微重力法、淺層地震法等綜合地球物理方法的基礎上，提出了“井下地震波三維層析成像結合激光鉆孔掃描”對采空區危險源進行地質超前預報的技術，并建立了與礦山生產相結合的采空區的精確探測工藝方法。

在采空區風險評估方面，基于非線性彈性的本構關系，項目組建立了采空區“多米諾”效應的三維分析模型，歸納總結了采空區空氣沖擊性災害、地表塌陷災害、井下透水災害、火區自燃災害等的風險評估指標閾值和等級。

在采空區管理方面，項目組以五礦集團礦山采空區數據源為基礎，建立了采空區災害風險評價的指標體系和計算方法，編制了《五礦集團金屬礦山采空區風險分級標準》，開發了采空區管理系統（見圖1），劃分了礦山采空區風險等級，實現了集團公司內部礦山企業采空區的風險分級管理。

在采空區監測預警方面，提出了單點監測的絕對值預警、變化速率預警、加速度預警和多點面預警等方法，研發了采空區圍巖應力錨桿在線監測系統，結合InSAR（合成孔徑雷達干涉測量技術）和微震技術，實現了采空區井下圍巖變形和地表沉降的實時監測，為采空區災變的動態監測與預警提供了有效的手段。

成果應用

項目組對中國五礦集團公司下屬33家企業的49座礦山，共4 810個采空區（總體積4 292.92萬m3）進行了調查統計及風險評估，在8家典型礦山開展了具體應用，解決了企業的采空區難題，取得了顯著經濟效益和社會效益。

針對民采空區盜采侵擾的典型問題，在五礦集團錫礦山銻礦引用地球物理綜合探測方法，對盜采范圍進行探測與定位，評估了民采空區的危害，提出了礦山防盜采監測系統的設計方案，結合地方政府資源整合措施，有效防范了周邊盜采破壞。

針對民采空區出現安全威脅的典型問題，項目組在五礦集團西石門鐵礦開展了井下地震波三維超前預報，確保井下兩年安全開拓6 km，預報平均準確率達75.56%。在確保安全的同時，大幅減少了井下鉆探量、提高了掘進效率。

針對嶺南地區百年鎢礦采空區典型問題，項目組在五礦集團盤古山鎢礦、瑤崗仙鎢礦、漂溏鎢礦的典型采空區，進行了三維激光（C-ALS）掃描（見圖2），獲得采空區空間形態的精準三維點云數據（見圖3），建立了采空區精確模型，評估采空區和地表山體穩定性，有針對性地提出了采空區治理措施。

針對點柱式空場采空區大規模失穩的問題，項目組在五礦集團香爐山鎢礦，開展了“多米諾”效應三維量化計算，對礦山上千根礦柱的安全性進行校核，按照10年、20年、50年的時間序列，指出了可能失效的礦柱位置和頂板區域，并在此基礎上給出了合理的充填治理方案。（見圖4）

針對“三下”（建筑物下、鐵路下和水體下）開采的地表塌陷典型問題，項目組在五礦集團張家洼鐵礦、萊新鐵礦開展星載InSAR的動態監測（見圖5），并與GPS實際測量結果對比，分析得出誤差均值小于1 cm。項目組在此基礎上劃定了村莊警戒范圍，提出了礦井充填工藝改進方法，保證了礦山和周邊村民安全。

發展前景

礦山生產必須面對采空區問題，并伴隨著礦石開采規模的不斷擴大，采空區對安全生產的威脅日趨嚴重。我國礦山采空區災害面臨的安全形勢和復雜科學問題在世界上是史無前例的，目前在采空區隱患治理方面，主要面臨4大需求：不明確采空區探測、采空區分級分類評估、采空區地壓監測與災害預警、采空區治理技術。

對于中國安科院承擔的“金屬礦山采空區安全隱患治理”項目，我國采礦安全專家、中國工程院院士蔡美峰對其給予了高度評價：“這是首次系統、大范圍地進行了采空區安全隱患探測、預警與治理研究，研究成果將有助于減少礦山采空區災害事故，具有廣泛的推廣應用前景。”

編輯 楊 璇endprint