洛鉬露天礦復雜采空區治理一體化技術應用

王春毅 彭府華

(1.洛陽欒川鉬業集團股份有限公司，河南 洛陽 471500；2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012；3.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南 長沙 410012)

洛鉬露天礦復雜采空區治理一體化技術應用

王春毅1彭府華2,3

(1.洛陽欒川鉬業集團股份有限公司，河南 洛陽 471500；2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012；3.國家金屬采礦工程技術研究中心，湖南 長沙 410012)

介紹了洛鉬露天礦采空區探測、采空區穩定性監測和采空區處理一體化技術。洛鉬露天礦采用高密度電法和地震映象法對采空區位置進行初探，再利用鉆孔探測和三維激光探測方法對采空區賦存形態進行精確探測。利用微震監測技術對采空區穩定性進行全天候、實時和立體監測，在對礦山采區巖體穩定性微震量化評估、爆破震動對采空區穩定性影響和采空區治理前后穩定性監測等方面取得了很好的應用效果。采用碎石充填和控制爆破技術對不同采空區進行處理，并根據采空區的賦存特點和處理的難易程度，對采空區進行分類一次處理或分次處理。洛鉬露天礦采用該一體化技術已經成功治理了大量采空區，保障了礦山的安全生產，對礦山的可持續發展有著重要的意義，對國內外相似礦山有重要的參考價值。

復雜采空區 空區探測 微震監測 采空區處理

由采空區誘發的金屬礦山安全事故頻頻發生，比如:1980年6月3日，湖北省鹽池河磷礦發生山崩，導致284人死亡；1996年7月1日，湖南省漣源市青山硫鐵礦由于采空區頂板大規模冒落，導致礦山被迫關閉；1997年，甘肅省廠壩鉛鋅礦發生露天坑大面積塌陷，導致鉆機設備塌入采空區；2001年7月17日，廣西省拉甲坡錫礦和龍山錫礦因老采空區積水涌入工作面，導致81人死亡；2009年6月5日，重慶武隆雞尾山鐵礦因采空區失穩誘發山體崩塌，造成74人死亡。據不完全統計，因采空區誘發的礦山安全事故導致的人身傷亡事故占全部傷亡事故的40%以上[1-4]。

我國很多金屬礦山的采空區問題往往是由前期開采秩序混亂，加上采空區處理滯后等因素引起的。為此，國內外專家學者在采空區探測技術、采空區安全評價、采空區監測和采空區處理等方面做了大量的研究工作[5]。洛鉬露天礦受前期無序開采的影響，在露天開采境界下方存在大量復雜危險采空區，嚴重影響了礦山的安全生產。洛鉬露天礦經過多年的研究和現場應用，總結出了一套適合自身礦山采空區處理的一體化技術，并且在實際應用中取得了很好的效果。

1 工程背景

洛鉬露天礦是我國特大型鉬鎢生產基地，鉬鎢地質儲量位居世界第三。礦山從上世紀60年代末開始開采，開采初期一直采用地下開采方式，2002年后轉露天開采。礦區經過30多年的地下混亂無序開采，在露天臺階下方形成了大量的地下復雜多重采空區，根據現有資料判斷，共有空區面積約120萬m2，體積1 800萬m3。采空區的存在給人員和設備的安全帶來嚴重的威脅，嚴重影響了礦山的正常生產，在以往的歷史開采過程中，發生過數起臺階塌陷事故，造成鉆機掉入采空區。根據采空區的分布特點，采用分區分期的方式進行生產和空區處理，將露天礦分成A、B、C、D、E、F采區，其中D區是采空區密集區域，采空區分布范圍廣，空區規模大，采空區塌陷影響范圍大，破壞性大，2011年D區被定為重大危險源。

根據現有空區資料及鉆孔探測情況分析，D區目前主要空區有1376、1350、1340、1317及1280深部大空區，圖1是D區采空區典型剖面圖。各空區相互重疊，空區之間隔層厚度小，且有采透現象，空間之間結構力學體系極其復雜，為極復雜的高危空區，表1是D區采空區賦存特征[6]。

圖1 D區采空區典型剖面圖

空區水平空區大小空區描述1376高度6～10m，跨度16～40m。單層獨立空區1350與1340復合空區高度8～16m，跨度25～30m。雙層復合空區，空區面積廣，礦柱少，暴露面積大。1317高度8～15m，跨度20～30m。1317空區覆蓋在深部1280復合空區上方，并與1300復合空區相透。1280深部空區高度130m，跨度20～40m。復合高危空區，狹長分布，采高高，規模大。

2 采空區探測技術應用

采空區探測技術按采用的技術手段不同，大體可以分為地球物理探測法和工程鉆孔探測法。近年來國內外學者對地球物理探測方法的研究做了大量的工作，主要有常規電法、淺層地震法、微重力法、探地雷達、瞬變電磁法、高密度電法、激光探測法等[6-7]。由于洛鉬露天礦地下采空區極為復雜，單一的探測手段很難滿足空區處理和生產的要求。針對三道莊礦區井下空區的復雜性，并結合露天生產實際，分2步驟進行空區探測，即第1步采用地球物理探測法對采空區的位置和埋藏深度進行初探；第2步采用鉆孔探測和三維激光探測方法，對采空區的頂板厚度、空區高度、空區跨度和空區面積等形態特征進行精確探測。

(1)空區初探。空區初探是指采用地球物理探測法對采空區的位置和埋藏深度進行初步探測。針對礦山的采空區分布與地形地質情況，采用高密度電法和地震映象法。這2種方法施工簡單，成本低，并且探測精度能夠滿足采空區初探要求。

(2)空區形態精確探測。空區形態精確探測是指采用鉆孔探測和三維激光探測法對采空區形態特征進行精確探測。具體是在露天臺階上按一定的網度，利用工程鉆孔將采空區鉆透，再將激光探頭通過穿透空區的鉆孔下至采空區，然后進行全方位掃描，由此獲得采空區頂板厚度、空區高度、空區跨度和空區面積等形態參數。圖2為采空區形態精確探測示意圖。

圖2 采空區形態精確探測示意

洛鉬露天礦從2006年開始采用該技術，截止到2013年，共探測空區面積超過45萬m2，為采空區處理和安全生產提供了寶貴的資料，保證了礦山生產的安全和有序進行。

3 采空區穩定性微震監測技術應用

微震監測技術是指利用微震儀器對地下工程巖體因受力產生破裂而釋放的應力波進行測試和分析的技術。微震監測技術經過幾十年的發展，技術上日趨成熟，特別是近些年來，隨著儀器設備的發展，多通道微震監測技術在全球推廣迅速，被廣泛地應用于各個方面，如在礦震與巖爆監測、采空區監測、巖移監測、崩落范圍監測、高應力區與應力重分布監測、爆破及其余震監測和安全救助與預警等。微震監測技術已經成為巖體工程地質災害監測和預警最為先進的技術手段[7-8]。

針對洛鉬露天礦D區采空區賦存特征，建立了一套48通道的全數字型微震監測系統。該系統由地表露天臺階3臺和地下5臺數據采集儀組成，傳感器形成一個空間立體分布網站，實現了對D區巖體穩定性的全天候、實時和立體監測，系統結構如圖3所示。系統建立后，在對采區巖體穩定性微震量化評估、爆破震動對采空區穩定性影響和采空區治理前后穩定性監測等方面取得了很好的應用效果[9-10]。

3.1 采區巖體穩定性微震量化分析[11]

(1)巖體破裂微震定位事件量化分析。巖體破裂定位事件是指同時被多個傳感器觸發并計算出震源位置的事件，定位事件的能量相對比較大，因此，定位事件的活躍程度反映監測區域是否有大規模的地壓活動。巖體破裂微震定位事件量化分析可以通過對定位事件的空間分布、隨時間序列、能量、地震矩、視應力等指標的變化情況來反映巖體的穩定性。

(2)巖體破裂非定位事件量化分析。巖體破裂非定位事件是指同時觸發的傳感器較少，不能計算出震源位置的事件。對非定位事件結果的分析是評價巖體穩定性的重要指標之一，特別是對監測區域巖體長期穩定性更具有指導性意義。事件水平的高低直接反映傳感器監測區域內巖體破裂活躍程度。根據巖石破裂相關理論和長期的微震監測經驗給出洛鉬露天礦基于非定位事件的巖體破裂地壓災害預警值，當監測到的非定位事件水平超過預警值時，表明該區域發生巖體破裂地壓災害的可能性較大。

3.2 爆破震動對采空區穩定性影響

爆破產生震動可能損壞臨近巖體結構，對采空區穩定性造成影響。爆破震動對巖體破壞的可能性與峰值質點震動速度PPV值有關。一般而言，爆破產生的PPV值越大，其誘發巖體破壞的可能性也越大，因此國內外對主要的建筑及重要結構都規定了最大爆破PPV承受值[12-13]。采空區是一個不穩定結構體，爆破震動極易誘發采空區巖體破壞，因此應該嚴格控制爆破對采空區爆破震動影響，限制其最大PPV值。圖4為微震監測系統監測定位到的爆破事件。

圖4 爆破事件監測圖

圖5是爆破事件震動誘發PPV值云圖，PPV值云圖表示從外圍較小值到內部較大值變化過程，外圍區域表示低震動影響區域，近中心區域表示爆破誘導高震動影響區域。因此可以根據PPV值結果，對爆破震動對采空區穩定性影響進行量化分析。

3.3 采空區爆破處理前后穩定性監測

洛鉬露天礦采用爆破的方式對大部分采空區進行處理，爆破處理過程需要在采空區頂板上方進行鉆孔和裝藥連線等必要的作業，這就需要實時監測采空區頂板的穩定性，保證施工的安全進行。爆破處理后采空區原有的結構受到破壞，必然會有一個應力調整和重分布的過程，這個過程往往也有可能誘發巖體破裂地壓災害。因此，對采空區爆破處理前后穩定性監測就顯得尤為重要。

以1350空區處理為例，針對1350空區特點，在保證采空區頂板至臺階頂面厚度不小于最小安全厚度的前提下，利用臺階坡面為自由面，用中深孔爆破處理采空區。1350空區第1次處理區域為橫9～13線，縱ⅩⅧ～ⅩⅨ線之間，穿孔臺階為1390水平與1378、1366水平。穿孔區總面積11 621 m2。第2次爆破處理區域為橫7～9線，縱ⅩⅧ～ⅩⅨ線之間，穿孔臺階為1390水平、1366水平與1354水平，爆破區總面積9 275 m2。采空區處理位置與D區傳感器位置關系如圖6所示。

圖5 爆破震動PPV值分布云圖

圖6 采空區處理區域與傳感器位置關系圖

1350空區2次處理時間分別為2013年5月16日和2013年7月4日，圖7為微震系統實時監測圖。從圖7可以看出，爆破后，微震事件開始密集增加，這段微震事件密集時間在爆破后2 h內，說明爆破后2 h內是巖體破裂活躍期。

圖7 采空區爆破處理微震實時監測圖

距離1350空區處理區域相對較近的為地表d-6傳感器，圖8是爆破處理前后d-6傳感器微震事件變化趨勢圖，可以看出，爆破前微震事件水平很低且變化很小，爆破當天微震事件突然增加，并到超過預警值，之后開始逐漸下降并恢復到相對平穩水平。

圖8 1350空區處理附近傳感器微震事件變化趨勢

4 采空區處理技術

4.1 采空區碎石充填技術

由于D區采空區密集，地下空區分布范圍廣，特別是深部采空區規模大，采空區塌陷影響范圍大，破壞性大。因此對采空區規模較大的復合采空區采用以地表碎石充填的治理方案。

(1)地表鉆孔布置及施工。根據采空區的分布特征在長軸和短軸2個方向布置鉆孔，鉆孔間距離15 m，孔徑φ250～350 mm。充填鉆孔先施工φ140mm的導向孔至空區，然后在換大鉆頭，擴成孔徑φ250～350 mm的大孔，同時要求全孔內全部套不銹鋼管。當中間遇到空區時，穿透上層空區后繼續往下鉆，直至穿透需要充填的下層空區為止。典型鉆孔布置及充填示意見圖9。

圖9 典型鉆孔布置及充填示意

(2)碎石充填。由鏟車將碎石倒入下料漏斗，碎石由漏斗進入充填鉆孔，下到空區內。下料漏斗安放在鉆孔口上方，漏斗頂部安裝格篩，防止大塊進行鉆孔，漏斗底部安裝小型圓盤給料機，實現碎石的均勻下料。鉆孔充填接頂后，往鉆孔內注入一定量的水泥砂漿，使松散碎石堆形成一個整體，成為具有一定承壓能力的人工礦柱。地表碎石充填現場見圖10。

圖10 地表碎石充填現場

4.2 采空區控制爆破技術

根據采空區的賦存特點和處理的難易程度，將采空區分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類。其中第I類為簡單容易處理的單層采空區，第Ⅱ類為復雜難處理的復合采空區，第Ⅲ類為極復雜極難處理采空區多層復合采空區。對于第I類采空區采用中深孔爆破一次處理，對于第Ⅱ類和第Ⅲ類采空區采用深孔爆破一次處理，或者先處理上層采空區，再處理下層空區的分次處理方案[14]。

(1)單層采空區處理。針對第Ⅰ類簡單容易處理的單層采空區，在保證采空區頂板距離臺階面厚度大于最小安全厚度的前提下，在臺階面上向下布置中深孔，利用臺階坡面為爆破自由面一次爆破處理采空區，如圖11所示。

圖11 單層采空區爆破處理炮孔布置示意

(2)多層復合采空區一次處理。針對一些多層復合采空區可以采用爆破一次處理，在保證采空區頂板距離臺階面厚度大于最小安全厚度的前提下，在臺階上布置深孔一次崩落處理多層采空區。爆破時通常采用臺階坡面作為爆破的自由面，同時還可以在爆區內選擇空區頂板厚度較小、規模較大的位置，以下部空區為自由面，采用VCR法孔內微差分段爆破形成拉槽，然后再以該拉槽作為自由面進行深孔爆破，一次處理多層復合采空區，如圖12所示。

圖12 多層復合采空區一次處理炮孔布置示意

(3)多層復合采空區分次處理。針對一些極復雜多層復合采空區，爆破一次處理往往不能滿足實際要求，此時可以采用先處理上層空區，再處理下層空區的分次處理方案。在保證采空區頂板距離臺階面厚度大于最小安全厚度的前提下，在臺階上布置中深孔，利用臺階坡面作為自由面爆破處理上層采空區。對于下層采空區，采用邊鏟裝邊探測，再進行處理的方式。處理下層空區時，先由上層采空區爆破區域周邊向中央小步距鏟裝，再按一定的網度布置鉆孔探測下層采空區。當下層采空區頂板厚度大于最小安全厚度時，在臺階面上布置炮孔，利用臺階坡面作為自由面爆破處理下層空區，如圖13所示。當下層采空區頂板厚度小于最小安全厚度時，應立即停止向中央鏟裝，此時，應在該空區周圍布置消弱工程，誘使其自然冒落。

圖13 多層復合采空區分次處理炮孔布置示意

5 結 語

洛鉬露天礦是典型的地下轉露天開采礦山，受前期地下無序開采的影響，在露天開采境界下方存在大量復雜危險采空區，嚴重影響了礦山的安全生產。近年來，通過不斷的研究和現場應用摸索，總結出了一套適合該礦山的采空區探測、采空區穩定性微震監測和采空區處理的一體化技術。礦山利用該技術已成功治理空區超過500萬m3，保障了生產的安全有序進行，取得了很好的經濟效益，在采空區治理領域有較好的推廣價值。

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(責任編輯 石海林)

Application of Integration Technology in Handling Complex Mined-out Area in Luomu Open-pit Mine

Wang Chunyi1Peng Fuhua2,3

(1.ChinaMolybdenumGroupCo.，Ltd.，Luoyang471500，China；2.ChangshaInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Changsha410012，China；3.NationalEngineeringResearchCenterforMetalMining，Changsha410012，China)

The integration of detection，stability monitoring and handling technology of mined-out area in Luomu open-pit mine are introduced.The high-density electrical and seismic imaging method are used to preliminarily detect the position of gobs，and then the drilling exploration and three-dimensional laser detection methods are adopted to detect the accurate characteristics of gobs.Microseismic technology is used for all-day，three-dimensional and real-time monitoring on the gob stability.It makes a very good application effect on the stability quantitative analysis，the influence of blasting vibration to the gobs and the stability monitoring in the processing of handling gobs.The gravel filling and controlled blasting technology is adopted to treat different gobs.According to characteristics of mined-out areas and the difficulty in gob handing，gobs are treated once or several times to finish the handling.With the use of this integrated technology，a large number of gobs in Luomu open-pit mine have been successfully treated.It ensures the safety production，and has vital significance for the sustainable development of mine.Moreover，it has important reference value to the similar mine at home and abroad.

Complex mined-out area，Detection of gob，Microseismic monitoring，Handling of gob

2015-03-04

國家科技部科研院所技術開發研究專項(編號：2013EG215024)。

王春毅(1967—)，男，高級工程師。

TD853.391

A

1001-1250(2015)-05-066-05