非煤礦山采空區(qū)風險指標體系研究*

李 倩，彭孟長，馬存金，李全明，3

(1.北京中安科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，北京 100012;2.北京市安全生產監(jiān)督管理局，北京 100053;3.中國安全生產科學研究院，北京 100012)

0 引言

我國非煤地下礦山采空區(qū)總量大且分布廣。采空區(qū)易引發(fā)透水、坍塌、冒頂片幫等多種形式的災害，造成大量的人員傷亡和財產損失。2016年6月國務院安委會下發(fā)《金屬非金屬地下礦山采空區(qū)事故隱患治理工作方案》，要求加強采空區(qū)風險管控和隱患排查治理。為了更好的“分級管控、突出重點”。建立采空區(qū)風險指標體系，劃分采空區(qū)危險等級，對后續(xù)采空區(qū)的監(jiān)管與治理具有重要意義。

隨著采空區(qū)事故的發(fā)生，近幾年對于地下礦山采空區(qū)的研究逐漸增多。李夕兵、李地元等對金屬礦地下采空區(qū)的探測、處理與安全評判進行了研究[1]；馬海濤、賀紅生、付士根對采空塌陷影響因素及穩(wěn)定性分級方法進行了研究[2]；閻曉榮、柯波、羅黎明、李爽以云南某礦山工程為例，利用層次分析法對影響采空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素進行了定量分析并對穩(wěn)定性進行了評價[3]；馬海軍、黃德鏞在二維風險評價模型的基礎上，提出了采空區(qū)三維風險評價模型[4]；馬海濤、劉寧武等對金屬礦山采空區(qū)災害防治技術進行了研究[5]；李山存、劉曉明對金屬礦山地下采空區(qū)定量風險評價方法進行了研究[6]；唐碩、羅周全、徐海基于模糊物元的方法對采空區(qū)穩(wěn)定性就行了評價研究[7]；田曉宇、劉雪嶸基于模糊數學理論，對采空區(qū)穩(wěn)定性等級進行定量評價[8]等。

目前，對地下礦山采空區(qū)風險指標體系研究中選取的指標范圍較大，針對性不強。針對這些問題本文對非煤地下礦山采空區(qū)風險指標體系進行研究。

1 采空區(qū)形成原因及危害

一是正常開采留下的空區(qū)，例如空場法開采造成的空區(qū)；二是無序開采、采富棄貧留下的空區(qū)；再有就是民采、盜采及亂采濫挖留下的空區(qū)，是采空區(qū)形成的主要原因。

地下采空區(qū)對現有工程的危害明顯，首要危害是采空區(qū)頂板大面積冒落，造成地表沉陷和開裂，破壞地面環(huán)境和影響露天作業(yè)；再有就是在礦山開采過程中，采空區(qū)圍巖受爆破震動影響導致巖體裂隙發(fā)育，甚至貫通地表[9]，例如2015年12月25日，因臨近的廢棄石膏礦采空區(qū)坍塌引發(fā)山東平邑玉榮商貿有限公司石膏礦發(fā)生坍塌。

2 采空區(qū)風險指標體系

根據我國非煤地下礦山采空區(qū)數量較大的特點，將采空區(qū)分類，對采空區(qū)的監(jiān)管具有重要意義。

通過對采空區(qū)風險的分析，將與采空區(qū)安全有關的參數和設計指標進行歸類，初步建立采空區(qū)風險指標體系，對采空區(qū)的危險度進行分級。

2.1 體系的建立

通過對采空區(qū)風險指標的相關性分析，刪除具有較大相關性的風險指標，最終形成了具有相互獨立性的風險指標體系，如圖1所示，指標體系分為3大類，分別是地質條件、空區(qū)特征和地面條件。3大類共包含13個指標[10-12]。根據選取的指標，應用模糊數學[13-15]的方法建立對象集U：

U={U1,U2,…,Ui}，(i=1,2,…,13)

(1)

該指標體系為采空區(qū)風險分級提供前提條件。

圖1 采空區(qū)風險指標體系Fig.1 Risk index system of mined out area

2.2 指標權重

為了準確得到采空區(qū)風險指標體系中各指標的權重，本文利用地下礦山專家系統(tǒng)對各指標對采空區(qū)風險的影響程度進行評估，并結合重要度系統(tǒng)評比法、多比例對比法以及層次分析法等，最終得到各指標的權重A：

A={a1,a2,…,ai}，(i=1,2,…,13)

(2)

各指標權重如表1所示。

表1 采空區(qū)風險各指標權重

2.3 指標分析

根據大量的有關采空區(qū)事故案例，并利用國內地下礦山專家系統(tǒng)和結合工程使用中可操作性，將采空區(qū)風險指標進行分級，共分為4個級別，指標體系的分級標準如表2所示。

2.4 確定隸屬函數

采用邏輯分區(qū)法確定隸屬函數，用矩陣R表示：

(3)

式中：M1,M2，…,M5為采空區(qū)災害指標級別；U1,U2,…,Ui為采空區(qū)災害主要影響因素；rij為第i個影響因素對應第j等級的隸屬值。采空區(qū)風險指標值為：A級為1，B級為3，C級為7，D級為10。

2.5 危險度等級劃分

在綜合上面等級劃分方法的基礎上，通過模糊評判矩陣P確定采空區(qū)危險等級。

(4)

采空區(qū)危險性分級的等級劃分如表3所示，共分為4個等級，等級越大越危險。

表3 采空區(qū)危險性分級等級

危險等級1級，采空區(qū)安全或基本安定，不需要對采空區(qū)進行處理；危險等級2級，采空區(qū)初步呈現不安定，存在危險，例如空區(qū)體積較小，與作業(yè)區(qū)域距離較遠時，可以根據采空區(qū)實際情況，加強巡檢，暫不進行專項治理，若今后生產及其他作業(yè)需要處理時再進行治理；危險等級3級，采空區(qū)呈中等不穩(wěn)定，例如采空區(qū)與現有開采區(qū)域距離較近或可納入同一采場時，可根據采礦進度，待掘進至距離空區(qū)較近處處理空區(qū)或與現有工程產生的空區(qū)合并處理；危險等級4級，采空區(qū)呈高度不穩(wěn)定，空區(qū)面積較大，周邊有作業(yè)人員時，應立即處理，通常采用崩落圍巖和物料充填法處理采空區(qū)。

3 實例應用

本文以我國中東部某鐵礦為例，根據建立的風險指標體系，對采空區(qū)危險度分級。

3.1 工程概況

該鐵礦采空區(qū)存在露天采場南北端幫，為留礦法回采形成。礦體走向長320～350 m，傾向W，傾角一般為60°～65°，礦體呈似層狀產出，分支復合頻繁。礦體厚度變化大，最大20 m，一般為1～5 m。南端幫采空區(qū)設計階段高度20 m，采礦高度8～15 m，礦房間留有10 m的間柱；北端幫采空區(qū)設計階段高度20 m，采礦高度10～15 m，礦房間留有10～20 m的間柱。在露天采場終了邊坡平臺上沿礦體走向掘進5 m×5 m的分段巷道。采礦施工沿礦體走向采掘，并留有保安礦柱。

礦區(qū)露巖層主要為各類片麻巖，發(fā)育不同程度的構造節(jié)理，巖石一般較完整、堅硬。圍巖主要以黑云角閃斜長片麻巖為主，其次為含磁鐵片麻巖等各種類型的片麻巖。

該采空區(qū)于2006年至2012年間形成。目前北端幫采空區(qū)東50 m為臨時運輸公路，西部和北部各約100 m為生產作業(yè)區(qū)域，作業(yè)人員約85人。南端幫未生產作業(yè)，南端幫上為施工隊辦公區(qū)，常駐人員15人左右。

3.2 采空區(qū)探測結果

根據礦山實際情況，采空區(qū)賦存狀態(tài)如表4所示。

采空區(qū)分布圖如圖2所示。

表4 采空區(qū)賦存狀態(tài)

圖2 采空區(qū)分布Fig.2 The map of the goaf distribution

3.3 采空區(qū)風險等級劃分

根據礦山實際情況，該鐵礦風險指標等級如表5所示。

根據表1及表5中的取值計算采空區(qū)的危險分值P=0.03×1+0.10×1+0.03×10+0.04×1+0.20×1+0.03×3+0.03×3+0.06×7+0.04×10+0.10×10+0.04×10+0.10×10+0.20×10=6.07，危險等級4，屬高危險空區(qū)，應立即處理。

根據采空區(qū)基本特征和企業(yè)實際情況，采取崩落法和膠結充填法對采空區(qū)進行治理。

3.3.1 單層采空區(qū)

單層采空區(qū)采用深孔爆破強制崩落法進行處理，采空區(qū)頂板所有鉆孔穿透頂板，爆破后采空區(qū)頂板充填采空區(qū)。

表5 風險指標等級

3.3.2 多層重疊采空區(qū)

當重疊采空區(qū)間隔層厚度h2大于采空區(qū)2的保安層厚度時，直接簡化為單層采空區(qū)分別進行爆破處理。處理采空區(qū)1時，在空區(qū)底部構筑緩沖墊層，防止巖石塌落對下部保安層的沖擊破壞，如圖3所示。

圖3 簡化單層空區(qū)處理方案Fig.3 Simplified as a single layer of empty to deal with the program

當重疊采空區(qū)間隔層厚度h2小于采空區(qū)2的保安層厚度時，上部采空區(qū)1處理完成后，先不裝運，A臺階和B臺階并段，采用水平孔或斜孔進行爆破處理采空區(qū)2，待爆堆穩(wěn)定后一并裝運，如圖4所示。

圖4 多層重疊空區(qū)處理方案Fig.4 Multi-layer overlapping empty area processing scheme

4 結論

1)根據我國非煤礦山特點，選取與采空區(qū)相關的3大類共13個指標建立采空區(qū)風險指標體系。采空區(qū)風險指標體系可按危險程度對采空區(qū)進行分類，從而確定采空區(qū)風險等級。

2)根據建立的風險指標體系對某鐵礦采空區(qū)危險度進行分級，分級結果確定該礦山采空區(qū)危險等級4級。建立的采空區(qū)風險指標體系可較好的劃分采空區(qū)風險等級，為采空區(qū)分級管控提供指導。

[1] 李夕兵,李地元,趙國彥,等.金屬礦地下采空區(qū)探測、處理與安全評判[J].采礦與安全工程學報,2006,23(1):24-29.

LI Xibing, LI Diyuan, ZHAO Guoyan, et al. Detecting, disposal and safety evaluation of the undergroud goaf in metal mines[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2006,23(1):24-29.

[2] 馬海濤,賀紅生,付世根.采空塌陷影響因素及穩(wěn)定性分級方法研究[J].中國安全生產科學技術,2008,4(5):37-41.

MA Haitao, HE Hongsheng, FU Shigen. Study on factors classifying method of goaf stability [J]. Journal of Safety Science and Technology ,2008,4(5):37-41.

[3] 閻曉榮,柯波,羅黎明,等.某采空區(qū)穩(wěn)定性評價指標體系構建及定量分析 [J].現代礦業(yè),2016,(8):194-196.

YAN Xiaorong, KE Bo, LUO Liming, et al. Quantitativeanalysis and construction of the stability evaluation index system of the goaf in a mine[J].Modern Mining,2016,(8):194-196.

[4] 馬海軍，黃德鏞.采空區(qū)三維風險評價模型研究[J].金屬礦山,2011(1):139-142.

MA Haijun, HUANG Deyong. Study of three-dimensional risk assessment model foe gob[J].Metal Mine,2011(1):63-66.

[5] 馬海濤，劉寧武，王云海,等.金屬礦山采空區(qū)災害防治技術研究綜述[J].中國安全生產科學技術，2014,10(10)：75-80.

MA Haitao, LIU Ningwu, WANG Yunhai, et al. Review on research status of controlling techniques for goaf disaster in metal mine[J].Journal of safety science and technology,2014,10(10):75-80.

[6] 李山存,劉曉明.金屬礦山地下采空區(qū)定量風險評價方法研究[J].現代礦業(yè),2014(8):114-116.

LI Shancun，LIU Xiaoming.Research on the quantitative risk assessment method of mined-out area in underground metal mine[J].Modern Mining,2014(8):114-116.

[7] 唐碩,羅周全,徐海.基于模糊物元的采空區(qū)穩(wěn)定性評價研究[J].中國安全科學學報,2012,22(7):24-30.

TANG Shuo, LUO Zhouquan, XU Hai. Evaluation of stability of goaf based on fuzzy matter-element theory[J]. China Safety Science Journal,2012,22(7):24-30.

[8] 田曉宇,劉雪嶸.模糊綜合模型在采空區(qū)穩(wěn)定性評價中的應用[J].黃金,2016,37(9):29-33.

TIAN Xiaoyu, LIU Xuerong. Application of fuzzy synthesis model in goaf safety evaluation[J].Gold,2016,37(9):29-33.

[9] 王啟明,徐必根,唐紹輝,等. 我國金屬非金屬礦山采空區(qū)現狀與治理對策分析[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2009, 29(4): 63-68.

WANG Qiming, XU Bigen, TANG Shaohui, et al. The actual state of mined-out areas in metallic and nonmetallic mines and the countermeasures for the treatment of the mined-out areas in china[J]. Mining R&D, 2009, 29(4): 63-68.

[10] 李全明,王云海,張興凱,等.尾礦庫潰壩災害因素分析及風險指標體系研究[J].中國安全生產科學技術,2008,4(3):50-53.

LI Quanming, WANG Yunhai, ZHANG Xingkai, et al. Analysis of disastrous factors concerning tailing dam failing and research on risk index sustem[J].Journal of Safety Science and Technology,2008,4(3):50-53.

[11] 梅國棟.尾礦庫潰壩災害脆弱性評估指標體系及方法研究[J].中國安全生產科學技術,2012,8(12):11-15.

MEI Guodong. Research on the dambreak hazard vulnerability assessment index system and methods of tailings pond[J].Journal of Safety Science and Technology,2012,8(12):11-15.

[12] 馬云龍.采空區(qū)穩(wěn)定性分析及影響因子研究[D].長沙:中南大學,2010:35-36.

[13] 郭金玉,張忠彬,孫慶云.層次分析法的研究與應用[J].中國安全科學學報,2008,18(5):148-153.

GUO Jinyu，ZHANG Zhongbin，SUN Qingyun.Study and applications of analytic hierarchy process[J].China Safety Science Journal,2008,18(5):148-153.

[14] 王長軍,王新民,張欽禮,等.柿竹園礦采空區(qū)災害危險度模糊綜合評價[J].中國礦山工程,2008,37(4):8-16.

WANG Changjun, WANG Xinmin, ZHANG Qinli, et al. Fuzzy comprehensive evaluation of the risk degree of gob disaster of Shizhuyuan Mine[J].China Mine Engineering,2008,37(4):8-16.

[15] 程愛寶,王新民,劉洪強.灰色層次分析法在地下采空區(qū)穩(wěn)定性評價中的應用[J].金屬礦山,2011(2):17-21.

CHENG Aibao, WANG Xinmin, LIU Hongqiang. Application of gray hierarchy analysis in the stability evaluation of underground mined-out areas[J].Metal Mine,2011(2):17-21.