地下礦山采空區探測及綜合治理研究

文紅兵

（西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責任公司，新疆 克拉瑪依 834000）

本文首先對采空區的特點以及其危害性進行簡述，采空區的隱伏性和空間分布的不規律性會對礦區的采集工作造成嚴重影響，甚至會對開采人員的生命安全造成威脅；然后對地下礦山采空區的探測方法以及探測注意事項進行探究分析，并就采空區的穩定性提出了一些有效的評測方法；最后針對采空區提出了三種治理方法，并就其實際操作的注意事項進行簡述。

1 采空區特點以及危害性

地下礦山的采空區一般是由人為挖掘并伴隨著礦井內部巖層剝落導致的地下空洞，礦山的采空區為礦區生產以及工人施工帶來了巨大的安全威脅。據調查數據顯示，我國可開采的礦區都存在著或大或小的采空區，我國礦區采空區體積最大時約有260億立方米。采空區的形成原因可以分為兩大類：人為挖掘與自然形成。部分小型礦區采集團隊在礦區開采時，由于過度開采以及開采技術不佳，致使礦區巖層受到破壞，行成地下采空區。而隨著地質運動，地下礦區巖層會出現變化，從而行成采空區。由于開采技術不同形成的采空區類型也有所不同，目前已發現如下幾種采空區類型：礦區長壁工作巖層面完全垮落法所形成的采空區（傾斜或緩傾斜礦層） 、回采工作巖層面完全充填或部分充填法所形成的采空區、短壁半垮落條帶回采工作巖層面所形成的采空區和短壁非垮落條帶回采工作巖層面所形成的采空區。采空區具有隱伏性強、空間分布特征規律較差的特征。這兩大特征為礦山的開采工作帶來很大的阻力，也為礦產開采人員的工作埋下安全隱患。因此，需要采取有效的方法來治理礦山采空區現象。

地下礦山的采空區具有較強的隱伏性，一般很難用肉眼分辨出采空區。如果采集團隊沒有實現進行地質勘探，在施工過程中，可能會出現人員或者開采設備掉入采空區的意外事故。因此，在礦山開采工作實操前，一定要組織勘探隊伍對開采礦區的地質狀況進行勘測，并根據地形地貌制定安全合理的采集方案。地下礦山的采空區還會影響深層采集工作的順利進行。由于采空區具有空間分布不規律的特點，即便事先進行了勘探工作，也只能確定采空區的大致位置，而無法預測采空區對深層采集工作的影響。這不僅會影響采集工作的進度，還會嚴重影響礦山的生產。采空區還會導致礦區坍塌事故。人為形成的采空區會破壞礦山地質結構的和諧性與穩定性，在進行深度開采時，頂柱無法支撐整個開采區的壓力，就會出現坍塌事故，這會嚴重威脅到采礦工人的生命安全。除此之外，采空區還會影響礦山城市化的進程。部分已經開采過的礦山具有較穩定的地質結構與較高建設價值，可以在其附近區域進行建筑工程施工。但是受采空區的影響，很多建筑物都無法進行建設，這使得礦山的利用價值大大下降。

2 地下礦山采空區探測注意事項以及穩定性分析

2.1 地下礦區采空區探測方法及注意事項

為了提高施工安全度，在開采礦山之前，都會對采空區進行探測。現階段所使用的采空區探測方法主要有物體探測和鉆探，其中物體探測是借助探測設備對礦山進行地質檢測，根據探測數據分析結果，判斷該區域是否存在采空區或者判斷采空區的位置；而鉆探則是使用鉆孔儀器打一定深度的孔洞，然后對礦區內部情況進行勘探。如圖1所示，其為瞬變電磁法在礦山采空區探測中的應用。主流的物探方式有電法勘探、探地雷達、地震勘探法、層析成像法等等。這些物探方法都屬于間接探測，主要操作流程是先在礦區采集巖石樣本，然后利用物理學原理或者探測儀器對這些樣本進行檢測分析，根據試驗結果得出該礦區的地質情況與采空區狀態。下面對這些物探方法進行簡要介紹，并就使用該物探方法對采空區進行探測時的主要事項進行探究。

圖1 瞬變電磁法在礦山采空區探測中的應用

電法勘探的原理是通過對礦區測點處巖石的電阻率或者礦區的測深點的電阻率進行測量，將測得的電阻率數值與標準樣化表進行比對，得出測點下的斷層狀況與斷層深度。在使用電法勘探時，一定要選擇合適的測深點，原則上測深點不少于十個且各個測深點盡量均勻分布。這樣能夠提高勘探效率與勘探結果的可靠度。探地雷達的工作原理是利用電磁波的反射原理，探測時，探地雷達向探測區發射電磁波，并等待接收反射回來的電磁波，通過設備內嵌的程序計算出地底深度。探地雷達操作簡單，探測結果準確度較高，但是探測深度有一定的限制，市面上售賣的探地雷達的探測深度范圍為0.1m～30m，深度深于30m，探測結果的準確度較低。地震勘探法的工作原理是利用地質彈性與密度的差異。由人工制造彈性波，通過觀察彈性波在礦區地質層的傳播狀態來界定采空區的有無與位置情況。地震勘探法是礦區勘探采空區的重要方法，也是最有效的方法之一。地震勘探法需要控制好人造彈性波的能量大小，否則可能會破壞礦區地質結構，嚴重情況下會出現礦區坍塌。層析成像法是利用射線對觀測巖層進行掃描，根據掃描數據進行分析反演，得出觀測巖層的具體形狀，進而得到礦區采空區的狀態數據。使用層析成像法進行地質勘探時，勘探人員需要進行防輻射保護，需要穿戴防護服。在勘探之前，一定要疏散無關人員，避免其受到射線照射。

2.2 地下礦山采空區穩定性分析

利用物探與鉆探方法得到采空區的具體數據后，還應該對采空區的穩定性進行分析，然后根據穩定程度選擇合適的治理手段與開采方法。下面就地下礦山采空區的穩定性檢測進行探究分析。目前主流的采空區穩定性分析方法有理論分析法、相似模擬分析法、數值模擬分析法以及工程穩定性類比分析法。其中理論分析法主要通過計算頂板承載力、對礦區地質巖層密度以及采空區周圍地表的破壞程度進行理論分析，進而推算出采空區的穩定性，理論分析法只能通過地質知識與計算公式得出的結果，如果數據測量過程中出現錯誤會影響整個分析結果，因此理論分析方法具有較高的錯誤率。而相似模擬分析法，是在實驗室進行相似模擬試驗，通過模擬礦區開采沉陷過程與開采穩定后的地面狀態來對礦區采空區的穩定性進行分析。這種方法操作較為復雜，但是分析結果的可靠程度較高。

而數值模擬分析法的工作原理是利用數值模擬對模型力學參數進行調整，從而得到更為精準的礦區模型。該類穩定性分析方法操作比相似模擬分析法的操作更加復雜，但是模擬結果的準確度更高，不僅能夠對礦山采空區進行類型區分，還能得到空區頂板受力狀態，穩定性分析過程更為直觀。工程穩定性類比分析法的工作原理是通過模擬礦區開采工程，來預判采空區的穩定性承載能力。這種方法不僅能夠得出采空區的穩定性數據，還能對開采操作進行規范。有利于界定礦山的承載力，為后期開采施工指明了大致方向，很大程度上降低了因過度開采或者開采施工強度較高而導致的塌方事故。在對礦山采空區的穩定性進行分析后，應該制定合理的治理方案和開采施工方案，力求將采空區的危害降到最低。

3 采空區綜合治理研究

3.1 崩落法處理采空區

在礦山巖層結構允許崩落的情況下，可以采用崩落法治理采空區。崩落法是通過外力將采空區周圍的巖層剝落下來，并以此來填充采空區，當采空區被填滿后，還要對崩落的巖層進行處理。可以使用沙土或者碎石對崩落的巖層與地表進行填充。崩落法的優勢是操作簡單，能夠很快見到采空區治理成效，而且治理成本也較低。在礦山巖層結構易于崩落和采空區體積適中的情況下，可以采用崩落法治理采空區。巖石崩落分為自然崩落和人為崩落，人為崩落巖層時一般使用炸藥進行爆破，實際操作過程中，一定要向有關部門申請爆破備案。巖層爆破過程中，在場人員需要做好防護工作，避免出現意外傷亡事故。

3.2 填充法處理采空區

一些露天采集區地面表層有建筑物和許多施工設備，這樣的地表周圍條件是不支持崩落法的。這種情況下，可以采用填充法處理采空區的空陷。可以使用沙土、碎石、采集的巖層作為填充物，在填充過程中，不能直接將填充物拋至采空區。這樣可能會破壞礦山內部的巖層結構，嚴重情況下會導致塌陷事故。可以利用鉆孔進行填充，也可以安裝一些管道，將填充物通過管道運送到采空區。該類治理方法對于操作人員的耐心度要求較高，而且耗費的時間較長，經濟效益性較低。

3.3 封閉法處理采空區

封閉法主要適用于采空區穩定性較高的礦山，這類采空區一般體積較小，深度較淺，出現崩塌的較小。而由于其規模較小，即便出現崩塌也不會影響礦山的生產進度與采集人員的生命安全，只需進行封閉處理即可。比如，可以在采空區附近設置警示帶或者采用障礙物設立圍欄，避免無關人員靠近。封閉法適用范圍并不廣泛，僅適用于十分穩定的采空區。這種治理方法操作簡單、經濟性較高，基本上沒有治理成本。但是需要定期對該礦區的采空區進行檢測，一旦采空區的穩定性降低，還要對采空區進行二次處理。

4 總結

采空區是由于人工過度開采和地質運動形成的，采空區會對施工人員的生命安全造成威脅，還會影響礦山的生產進度。因此，對礦山的采空區進行及時治理是十分必要的。常用的治理方法主要有崩落法、填充法和封閉法這三類，實際應用中應該根據采空區的特點選擇合適的治理方法。