大型露天礦山采場層面塌陷采空區處置技術研究

邱振華，林秀云

(廣東省大寶山礦業有限公司，廣東 韶關市 512128)

1 礦山基本情況

廣東省大寶山礦業有限公司為大型露天開采礦山，設計產能330 萬t/a。1980 年代，大量民窿由南部礦區（15 線以南）進入，對整個礦區進行掠奪式開采，嚴重破壞礦體，開采深度從+470～+690 m，空場法采礦后形成大小不一、位置不詳、隱蔽性高的獨立空區。1990 年代后期，礦山為保護銅硫資源，在礦區0～51 勘探線+430～+730 m 之間，利用空場法及干式充填法進行井下開采。2010 年—2014 年期間，非法民采活動利用礦山原有巷道，再次進入礦區進行瘋狂盜采，第3 次形成大量隱蔽采空區。

經歷3 次地下開采活動，大寶山礦區遺留大量隱蔽采空區，給露天采場安全帶來嚴重隱患。2012年3 月18 日，民采活動引發697 層面大塌陷，面積達2283 m2，深度達20 m。據統計，近幾年來，礦區每年發生數十起層面塌陷險情，僅2020 年就發生54 起，嚴重威脅安全生產。采空區危害主要包括：

（1）造成人員、設備損傷；

（2）影響安全生產，造成生產停產；

（3）引發地質災害或邊坡失穩。

因此，亟待開展大型露天采場層面塌陷采空區處置技術研究。

2 采空區塌陷類型

按照塌陷起因，大寶山礦采空區層面塌陷類型可大致分為頂板失穩自然塌陷、爆破擾動塌陷、設備作業擾動塌陷（包括挖機產裝、載重卡車碾壓等）、雨水浸入塌陷及民采活動引發塌陷等5 類。據2019 年發生的78 次塌陷事故統計分析表明：設備作業引起塌陷39 起，占50%；爆破引起塌陷26起，占33.3%；其他原因引起塌陷13 起，占16.7%。設備引起的塌陷事件為采場安全隱患防治重點。大寶山礦采空區塌陷典型案例主要有以下幾類。

2.1 采空區頂板失穩自然塌陷

2020 年5 月18 日，安全管理人員開工前安全巡查時，發現采場649 層面35 線發生一起采空區層面塌陷，如圖1 所示。經測量塌陷面積為181.4 m2，深度約8 m。

圖1 頂板失穩自然塌陷采空區

2.2 爆破引起采空區塌陷

2020 年6 月19 日，采場649 層面39 線臺階爆破后，引發爆區后方出現采空區塌陷，如圖2 所示，經測量塌陷區面積為59 m2，深度為4 m。

圖2 爆破引起塌陷采空區

2.3 設備作業引起采空區塌陷

2019 年6 月17 日，采場709 層面45 線挖機產裝作業時，發生一起層面小塌陷，未造成人員設備損傷，如圖3 所示。經測量面積為5.5 m2，深度為3.5 m。

圖3 設備作業引起塌陷采空區

2.4 雨水浸入引起采空區層面塌陷

2019 年6 月24 日，南部采場32 線645 石料堆場平臺發生一起層面塌陷事件，如圖4 所示。經測量塌陷面積為239 m2，深度為3 m。

圖4 雨水浸入引起塌陷采空區

2.5 民采活動引發采空區層面塌陷

2012 年3 月18 日，采場697 層面49 線發生一起采空區大面積塌陷事件，如圖5所示。面積為2283 m2，塌陷最深處為20 m，所幸未造成設備人員損傷。

圖5 民采活動引發塌陷采空區

3 塌陷區處置關鍵技術及流程

為了確保安全生產正常進行，快速恢復塌陷區周邊作業，需要查明塌陷原因，徹底消除塌陷區隱患。從現場管控、資料采集分析、處置方案制定及實施等關鍵環節，介紹大寶山如何處置采空區隱患。

3.1 塌陷現場管控與資料采集分析

3.1.1 現場管控

發生塌陷后，塌陷區周邊設備、人員迅速撤離現場；塌陷區域影響范圍設警戒封閉，樹立安全警示牌標識；在塌陷影響范圍內設置測量監控點，定時對塌陷區進行沉降監測，避免二次塌陷。

3.1.2 資料采集分析

對塌陷區進行測量，獲取塌陷區范圍方位坐標、面積、深度等基礎資料；核查塌陷區下方原有井下采空區資料，核查該區域下方有無采空區記錄資料；核查地質資料，核對塌陷區下部區域的礦體、圍巖賦存的水文地質狀況；核查塌陷區周邊原有鉆探情況，包括地質探礦鉆探、采空區勘探鉆孔等。

綜合塌陷區相關資料，結合周邊作業情況包括爆破、設備作業以及天氣等因素分析采空區塌陷原因。

3.2 處置方案

根據資料分析，推測塌陷區周邊是否還潛伏隱蔽采空區，編制采空區探孔設計；編制塌陷區周邊安全作業方案，如挖機設備、車輛安全停放位置、車輛行駛安全路線等。

先實施采空區探孔鉆探，若探測結果無隱蔽采空區，則按處置方案；對塌陷區進行施工，現場有專職安全管理人員全程監督。探孔探測發現隱蔽盲采空區，則先對隱患采空區進行三維激光掃描，掌握盲采空區三維參數。根據掃描結果結合現場情況，制定隱患采空區處置方案。針對面積小于5 m2淺層小微型塌陷，鉆孔探測及資料明確無其他潛在安全隱患的，制定塌陷開挖、回填處置。

4 工程實例及分析

4.1 現場管控與數據采集

以2020 年“5-18”采場649 層面35 線采空區層面塌陷處置為例，發現塌陷后立即對塌陷區進行警戒封閉，樹立安全標識牌，嚴禁設備人員進入塌陷區范圍。對該塌陷區進行測量，確定塌陷區位置如圖6 所示。

圖6 塌陷區位置

（1）該塌陷區四周分別被4 個已經探明的采空區環繞，其北面7.4 m 為640 平硐，16.4 m 為623采空區；東面4.1 m 為623 采空區；南面1.2 m 僅僅挨著630 采空區；西面22.6 m 為596 采空區。核對井下623 中段采礦資料為礦柱，空區標識高度6 m。

（2）塌陷區北部邊緣存在地質鉆孔4，該探孔開口標高為673.3 m，鉆至43.64 m 見3.46 m 空區，其空區頂板標高為629.7 m，底板標高626.2 m。

（3）經核對35 線地質剖面圖資料以及地質鉆孔4 巖心情況，見圖7，該塌陷區頂板標高647～635 m 為8 m 厚完整矽卡巖化砂巖，635 m 以下為高品位銅硫礦，含銅品位約1%，含硫21%。

圖7 塌陷區地質狀況

4.2 原因分析

（1）外部因素。一是頂板受壓因素，塌陷區處于臨時運輸道路上方，重車經過頻繁震動，造成空區頂板抗壓能力減弱并產生裂隙；二是爆破震動因素，塌陷區東面為661 m 臺階，臺階推進頻繁爆破振動，引起采空區頂板冒落，使頂板變薄；三是雨水因素，進入4，5 月份雨水較多，5 月17 日夜間強降暴雨，雨水滲入頂板裂隙，巖性變弱。

（2）內部因素。該塌陷區最大跨度約為10 m，空區頂板厚度約為8.0 m，巖層完整，保安層厚度計算式h=0.71b?1.02，計算可得h=6.08 m，可以判斷改頂板處于安全狀態。

綜合分析認為，由于649 層面下部被民采盜采形成了623 盲采空區，長期受到重車碾壓、臺階爆破振動、雨水滲入等因素的影響而引起垮塌。

4.3 處置方案與實施

4.3.1 處置方案

根據資料情況，對塌陷區北側及西側設計采空區探鉆，進一步探測該塌陷區是否存在隱患采空區。如圖8 所示，在塌陷區北側和西側共設計4 個探孔對下部采空區情況進行探測，探孔設計深度25 m。

圖8 探孔設計及623 盲采空區

運用潛孔鉆機對4 個探孔實施鉆探，其中探孔1 開口標高647.2 m，鉆至16 m 見3.9 m 空區；其余3 個探孔鉆至25 m 未見采空區。對探孔1 探明的采空區進行三維激光掃描，經掃描獲得采空區面積為114.7 m2，最低標高為627.2 m，最高標高為632.0 m，最大跨度11.3 m，掃描空區平面投影圖見圖8，為627 盲隱患采空區。

4.3.2 安全保障措施

（1）繼續封閉塌陷區，布置監控點定期實施測量監控；

（2）利用微震監測系統加強對該塌陷區、周圍已探明的5 個采空區頂板穩定性實時監控；

（3）重新規劃運輸道路，661 層面往東側推進新修649 運輸道路，并對新修道路每隔10 m 布置30 m 探孔探測，確保運輸道路安全。

（4）塌陷區周邊探明5 個采空區進行層面管理，一是實施警戒封閉采空區，并樹立警示牌標識；二是制定采空區爆破崩落頂板處理計劃，其中西側596 采空區相對安全，制定在637 層面爆破崩落頂板處理，其余4 個采空區等待637 層面推到邊界后進行爆破崩落頂板處理，如圖9 所示。

圖9 塌陷區處置措施

4.4 處置效果評價

治理流程具科學性，由現場管控到資料收集、分析再到處置方案制定最后方案實施，過程環環相扣緊密關聯，操作性強，安全可靠。經過處置后,徹底查明并消除潛伏隱蔽采空區安全隱患，避免了二次采空區隱患險情發生，使塌陷區周圍盡早恢復安全生產作業。該方法為礦山后續采空區治理提供了技術指導。

5 結論

（1）隱蔽采空區的層面塌陷險情嚴重影響著安全生產，制定一套科學可靠、安全可行的處置技術方案及快速實施，不僅能徹底查明并消除潛在隱蔽盲采空區的隱患，避免二次險情發生，還能最快消除塌陷區所造成周邊安全生產的影響，盡早恢復生產。

（2）發生塌陷時，及時做好塌陷區現場管控尤為重要，應及時撤離人員設備并對塌陷區進行警戒封閉，避免二次事故發生。

（3）處置方案要綜合塌陷區采礦、地質、環境、外在干擾等因素，分析并結合現場實際來制定，實施過程中要求加強現場管控，保障人員設備安全，避免二次事故的發生。