露天采場(chǎng)地下采空區(qū)防治技術(shù)研究

喻 鴻，藍(lán) 宇

露天采場(chǎng)地下采空區(qū)防治技術(shù)研究

喻 鴻，藍(lán) 宇

(大寶山礦業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān)市 512127)

為有效改善礦山安全生產(chǎn)狀況，推進(jìn)綠色礦山建設(shè)，對(duì)大寶山礦露天下部采空區(qū)的形成歷史及分布特征進(jìn)行了分析研究，針對(duì)地下采空區(qū)對(duì)礦山安全生產(chǎn)的危害及其表現(xiàn)形式，通過(guò)引進(jìn)高科技設(shè)備及采空區(qū)處理技術(shù)研究，提出了露天下部采空區(qū)的有效技術(shù)措施和防治方法，為礦山安全生產(chǎn)提供了可靠的保障，取得了突出的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

露天開(kāi)采;采空區(qū)治理;微震監(jiān)測(cè);強(qiáng)制崩落

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源的不斷開(kāi)發(fā)，礦山開(kāi)采技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用總體上還比較傳統(tǒng)粗放，安全事故頻發(fā)，生態(tài)破壞、環(huán)境問(wèn)題十分突出。為有效改善目前礦山開(kāi)采現(xiàn)狀，國(guó)家提出礦山開(kāi)采在加強(qiáng)安全生產(chǎn)的同時(shí)推進(jìn)綠色礦山、生態(tài)文明的建設(shè)。一方面加強(qiáng)安全生產(chǎn)工作，防止和減少生產(chǎn)安全事故，保障人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康的發(fā)展，國(guó)家修訂了安全生產(chǎn)法，尤其“十九大”以后相繼出臺(tái)了一系列政策、法規(guī)，旨在落實(shí)安全生產(chǎn)主體責(zé)任，強(qiáng)化安全紅線意識(shí)和底線思維，全面深化隱患排查整治,改善安全生產(chǎn)形勢(shì)。另一方面大力推進(jìn)綠色礦山和綠色礦業(yè)發(fā)展示范區(qū)建設(shè)，通過(guò)一系列治理規(guī)劃，到2020年基本建成節(jié)約高效、環(huán)境友好、礦地和諧的綠色礦業(yè)發(fā)展模式，從根本上改變目前大部分礦山粗放式的開(kāi)采模式。

為響應(yīng)國(guó)家相關(guān)政策，消除礦山安全生產(chǎn)隱患，建成綠色現(xiàn)代化礦山。廣東省大寶山礦業(yè)有限公司針對(duì)礦山頭號(hào)安全隱患——露天采場(chǎng)下部采空區(qū)開(kāi)展了系統(tǒng)的治理工作。

1 大寶山礦采空區(qū)現(xiàn)狀

大寶山礦始建于1958年，1966年開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)和生產(chǎn)，1975年正式投產(chǎn)，1995年更名為廣東省大寶山礦業(yè)有限公司，現(xiàn)隸屬?gòu)V晟資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)有限公司，屬國(guó)有獨(dú)資企業(yè)。建礦初期，礦山規(guī)劃為鐵、銅、鉛鋅、硫等礦產(chǎn)資源，主要采用露天開(kāi)采，露天開(kāi)采結(jié)束以后，轉(zhuǎn)入井下開(kāi)采。1980年代，周邊民采對(duì)井下銅硫鉛鋅資源進(jìn)行了掠奪式開(kāi)采，民窿最多達(dá)112條，大規(guī)模無(wú)序盜采，嚴(yán)重制約了礦山開(kāi)采秩序，礦產(chǎn)資源流失嚴(yán)重。為了治理民采，保護(hù)礦產(chǎn)資源，1997年礦山被迫終止銅采場(chǎng)露天采剝，轉(zhuǎn)入井下開(kāi)采，形成露天采鐵與井下采銅聯(lián)合開(kāi)采的格局。

為保證礦山安全開(kāi)采，大寶山礦井下開(kāi)采過(guò)程中對(duì)民窿盜采形成的不規(guī)則采空區(qū)進(jìn)行治理，但由于民采范圍大、開(kāi)采區(qū)域不確定，治理工程遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到采充平衡的要求，2004年發(fā)生了3次大塌方，嚴(yán)重影響到井下安全生產(chǎn)。為此，大寶山礦區(qū)地下開(kāi)采于2005年8月15日停產(chǎn)整頓，進(jìn)行采空區(qū)隱患整改、治理，并重新規(guī)劃大露天開(kāi)采，在露天開(kāi)采過(guò)程中進(jìn)行采空區(qū)有序處理。據(jù)統(tǒng)計(jì)，礦山井下開(kāi)采過(guò)程中形成的采空區(qū)及已探明的部分盜采空區(qū)約為120萬(wàn)m3，此類采空區(qū)資料較全，露天開(kāi)采過(guò)程中較易處理。另外井下仍存在一部分不明采空區(qū)，該類采空區(qū)不可控，嚴(yán)重威脅礦山的安全生產(chǎn)。

2 采空區(qū)災(zāi)害防控與治理

2.1 采空區(qū)危害

露天下部采空區(qū)在露天機(jī)械擾動(dòng)、水化作用和爆破震動(dòng)等多因素影響下 ,頂板及圍巖巖體強(qiáng)度弱化，出現(xiàn)裂縫并不斷擴(kuò)展，造成局部巖體失穩(wěn)，進(jìn)而發(fā)展為采空區(qū)塌陷。采空區(qū)塌陷對(duì)礦山主要危害如下：

（1）威脅采場(chǎng)作業(yè)安全。露天礦山生產(chǎn)過(guò)程中，采場(chǎng)范圍內(nèi)存在大量的設(shè)備及人員作業(yè)，一旦出現(xiàn)下部采空區(qū)失穩(wěn)引發(fā)地表塌陷，由于瞬間發(fā)生，人員逃生機(jī)率幾乎為零，設(shè)備損毀不可避免；

（2）引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。露天邊坡下方采空區(qū)與邊坡穩(wěn)定性相互影響、相互制約，隨著露天開(kāi)采的推進(jìn)，邊坡高度逐步加大，巖體應(yīng)力集中程度增加，造成采空區(qū)附近巖體失穩(wěn)，采空區(qū)垮塌，進(jìn)而引起邊坡失穩(wěn)滑坡，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；

（3）破壞井下設(shè)施。大寶山礦終止地下開(kāi)采后，仍存在部分井下設(shè)施，如640 m精礦輸送平硐，井下抽水設(shè)施等，由于井下采空區(qū)分布集中，局部采空區(qū)失穩(wěn)易造成連鎖反應(yīng)，出現(xiàn)大面積采空區(qū)垮塌，破壞井下設(shè)備設(shè)施。

2.2 采空區(qū)災(zāi)害防控

在充分分析露天下部采空區(qū)制災(zāi)機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)制定系統(tǒng)管理制度，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和高科技設(shè)備，大寶山礦形成了一套形之有效的采空區(qū)災(zāi)害防控手段。

（1）引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備及技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)防控。在充分分析研究大寶山礦采空區(qū)分布情況及地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，引進(jìn)了一系列先進(jìn)設(shè)備及技術(shù)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)及穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)：一是引進(jìn)先進(jìn)的地球物理勘探手段三維地震勘探，確定露天境界下方采空區(qū)分布狀況，防止不明采空區(qū)影響露天安全生產(chǎn)；二是引進(jìn)淺層便攜式地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)淺層小型采空區(qū)，同時(shí)根據(jù)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，防止近地表淺埋采空區(qū)突然塌陷；三是引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)IMS微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)重點(diǎn)分布區(qū)域進(jìn)行全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌控采空區(qū)穩(wěn)定性狀況，對(duì)采空區(qū)塌陷進(jìn)行提前預(yù)警；四是購(gòu)置多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦山精礦運(yùn)輸通道640 m平硐圍巖應(yīng)力變化情況，確保礦山運(yùn)輸大動(dòng)脈安全運(yùn)行。

（2）采空區(qū)防控措施。制定采空區(qū)防塌陷措施，實(shí)行區(qū)域封閉、警戒，增加人工巡查；充分發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性，提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全防范意識(shí)，做到真正的本質(zhì)安全；分析研究礦床地質(zhì)分布，針對(duì)高富礦塊制定專項(xiàng)探測(cè)；針對(duì)暴雨、寒冷等惡劣天氣，巡查觀察雨水流向和冒煙，加強(qiáng)重點(diǎn)區(qū)域穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)，防止產(chǎn)生安全事故。

2.3 采空區(qū)治理

通過(guò)多年采空區(qū)治理工程的積累，大寶山礦形成了一套完整的采空區(qū)治理體系，包含采空區(qū)探測(cè)、采空區(qū)處理、采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

（1）采空區(qū)探測(cè)。掌握準(zhǔn)確、全面的采空區(qū)資料，是實(shí)現(xiàn)采空區(qū)有效管理、處理方案研究等后續(xù)工作的前提條件。經(jīng)過(guò)多年探索，形成了歷史資料分析、地球物理勘探、鉆探和三維激光掃描相結(jié)合的采空區(qū)探測(cè)方案，通過(guò)多技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大寶山采空區(qū)的精準(zhǔn)探測(cè)。采空區(qū)三維激光掃描結(jié)果如圖1所示，采空區(qū)三維模型如圖2所示。

（2）采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。為有效預(yù)防采空區(qū)塌方發(fā)生安全事故，引進(jìn)目前最先進(jìn)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)密集區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定性重點(diǎn)監(jiān)測(cè)（包括不明采空區(qū)以及采空區(qū)處理穿爆過(guò)程中）。該套系統(tǒng)通過(guò)采集巖層破裂所產(chǎn)生的微震事件，對(duì)破裂地點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，提前對(duì)可能出現(xiàn)的采空區(qū)塌方進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。同時(shí)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可收集采場(chǎng)范圍內(nèi)的所有聲波信號(hào)，包括打鉆、放炮、機(jī)械震動(dòng)等，因此對(duì)民采作業(yè)形成的不明采空區(qū)的判斷有重要指導(dǎo)意義。圖3為微震監(jiān)測(cè)采集的采場(chǎng)爆破波形，采空區(qū)塌陷事件微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警見(jiàn)圖4。

圖1 采空區(qū)三維掃描結(jié)果

圖2 采空區(qū)三維立體模型

圖3 采場(chǎng)爆破波形

圖4 采空區(qū)塌陷失穩(wěn)預(yù)警

（3）采空區(qū)處理。針對(duì)不同采空區(qū)賦存形態(tài)，相繼開(kāi)展了爆破強(qiáng)制崩落處理、誘導(dǎo)崩落處理、爆破一次成井充填采空區(qū)等多種方式處理采空區(qū)，其中爆破強(qiáng)制崩落處理為礦山最常用的采空區(qū)處理方法。設(shè)計(jì)采空區(qū)范圍內(nèi)的鉆孔全部打穿采空區(qū)，爆破孔網(wǎng)參數(shù)采用4.0 m×4.0 m。采空區(qū)頂板較薄的位置布置加強(qiáng)孔，在加強(qiáng)孔區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)3個(gè)底部裝藥鉆孔，吊孔裝藥實(shí)施強(qiáng)制爆破。歷史上最大的一次采空區(qū)處理爆破前后對(duì)照見(jiàn)圖5。

圖5 強(qiáng)制崩落爆破前后對(duì)比圖

3 結(jié) 論

大寶山礦采空區(qū)分布情況極為復(fù)雜，為數(shù)眾多，形狀多樣，大部分采空區(qū)隱埋位置和標(biāo)高不確定。大寶山礦經(jīng)過(guò)多年摸索，積極引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備，取得的主要成果如下：

（1）響應(yīng)國(guó)家相關(guān)政策，消除了礦山安全生產(chǎn)隱患，為推進(jìn)綠色礦山和綠色礦業(yè)發(fā)展示范區(qū)建設(shè)提供了可靠保障；

（2）總結(jié)出了一套詳盡且行之有效的采空區(qū)處理體系：通過(guò)采空區(qū)深孔鉆探和潛孔加密探測(cè)、精準(zhǔn)三維激光掃描、微震技術(shù)和精密設(shè)備穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)人工加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，采空區(qū)有效爆破處理，成功解決了困擾大寶山礦的采空區(qū)問(wèn)題，確保了礦山安全生產(chǎn)；

（3）大寶山采空區(qū)防治技術(shù)的研究，不但有效消除了露天下部采空區(qū)對(duì)礦山安全的威脅，改善了礦山生態(tài)環(huán)境，創(chuàng)造了卓著的社會(huì)效益，而且?guī)椭V山有效回采空區(qū)周邊隱患資源120萬(wàn)m3，采出礦量408萬(wàn)t，盤活了資源，延長(zhǎng)了礦山服務(wù)年限。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值5.72億元，新增利稅2.04億元，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。研究成果極具推廣應(yīng)用價(jià)值，可為國(guó)內(nèi)類似礦山提供借鑒的依據(jù)。

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(2019-07-04)

喻 鴻(1968—)，男，遼寧遼陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事采礦技術(shù)、礦山安全和綠色礦山建設(shè)，Email: 79716311@qq.com。