葉圖強(qiáng), 陳晶晶,王 鐵

(廣東宏大爆破股份有限公司，廣東 廣州 510623)

自20世紀(jì)80年代以來，大寶山礦周邊民采泛濫，幾十年的民采形成了大量采空區(qū)。大寶山礦雖然從1997年就開始對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到采充平衡的要求，導(dǎo)致了2004年的3次大塌方。經(jīng)過2004～2006年的集中整治，地下采空區(qū)重大安全隱患得到初步治理，井下生產(chǎn)也已全面停止。但是，原來已出現(xiàn)垮塌而沒有全部充滿的采空區(qū)、充填接頂不嚴(yán)的采空區(qū)、沒有處理的采空區(qū)，以及2004年采空區(qū)調(diào)查時(shí)沒有探明的民采采空區(qū)仍然存在。大寶山礦轉(zhuǎn)為露天開采后，隨著露天開采深度的下降，井下采空區(qū)對(duì)露天開采安全生產(chǎn)構(gòu)成了極大的威脅， 2008年10月8日就發(fā)生一起施工車輛陷入采空區(qū)的車毀事故。目前，大寶山礦采用超前鉆探孔和三維空區(qū)探測相結(jié)合的方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測，取得了一定的成效。

1 露天開采復(fù)雜采空區(qū)的探測

1.1 大寶山礦采空區(qū)分布情況

大寶山礦由于采用空?qǐng)龇ㄟM(jìn)行地下開采，特別是民采泛濫，在開采區(qū)段即11～57線沿走向2000m地段，形成了大量的采空區(qū)。最為密集的區(qū)段為45～49線及25～29線，且采空區(qū)面積較大，其中21～49線存在有相互貫穿的采空區(qū)群。在采空區(qū)的水平范圍內(nèi)，其密集程度隨著采礦中段的作業(yè)程度呈增加趨勢(shì)，從470m水平至670m水平均有采空區(qū)分布，特別是在該區(qū)段內(nèi)有多個(gè)中段采空區(qū)相互貫通，構(gòu)成了大跨度、大高度采空區(qū)(如圖1所示)。

圖1 大寶山礦采空區(qū)縱投影圖

1.2 采空區(qū)的探測方法

采用超前勘探和自動(dòng)激光掃描系統(tǒng)相結(jié)合的方法進(jìn)行采空區(qū)探測[1-2]。超前勘探能及時(shí)發(fā)現(xiàn)采空區(qū)的位置，但采空區(qū)的具體形狀只有通過自動(dòng)激光掃描系統(tǒng)才能確定[3]。大寶山礦采空區(qū)主要采用國際上先進(jìn)的空區(qū)激光三維探測設(shè)備C-ALS(空區(qū)自動(dòng)激光掃描系統(tǒng))進(jìn)行探測。采用C-ALS可以對(duì)下覆空區(qū)進(jìn)行精確測量，一方面可以詳細(xì)了解下覆空區(qū)以指導(dǎo)安全生產(chǎn)，另一方面可以為空區(qū)處理提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)。

1.2.1 采空區(qū)鉆探的原則

本著“有疑必探、先探后進(jìn)”的原則，探明地下采空區(qū)情況，具體問題具體分析，確保爆破孔、裝藥、爆破、挖裝、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的施工安全。

原則上要求勘探孔深度不小于一個(gè)臺(tái)階高度加上保安層厚度(根據(jù)本工程中的地質(zhì)條件，勘探孔設(shè)計(jì)深度約為19m)。由于采空區(qū)塌陷區(qū)范圍內(nèi)絕大部分巖層已破碎或是存在大量裂隙，所以在本工程中經(jīng)常遇到打不到設(shè)計(jì)深度的情況。為了保證施工過程中的安全，在臺(tái)階推進(jìn)過程中，根據(jù)挖機(jī)作業(yè)情況，在挖機(jī)前方每隔一定距離布設(shè)勘探孔，然后再用三維激光掃描系統(tǒng)探測采空區(qū)和塌陷區(qū)的具體形狀[4-5]。

采空區(qū)鉆孔勘探的依據(jù)為：①原地下開采采空區(qū)的資料及物探探明的空區(qū)資料；②原地下采空區(qū)治理圖；③鉛鋅礦、高品位銅礦富集區(qū)(因?yàn)闊o論民采還是大寶山礦開采，均是開采價(jià)值較高的礦體，部分民窿沒有詳細(xì)資料，民采過程中發(fā)現(xiàn)好的盲礦體，往往進(jìn)行采掘留下空區(qū))。

1.2.2 采空區(qū)鉆孔勘探

本工程采用分體式阿特拉斯高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)，鉆進(jìn)過程中遇裂隙或破碎帶時(shí)采用黃泥護(hù)壁等措施進(jìn)行處理。鉆探的主要目的是保證運(yùn)輸?shù)缆返陌踩?，保證作業(yè)平臺(tái)的安全以及探明采空區(qū)的崩落處理情況。

1)鉆孔位置的選擇。由于采場經(jīng)歷了3次大的塌方，可以推斷大部分采空區(qū)已經(jīng)坍塌，因此在布設(shè)勘探孔時(shí)，應(yīng)把著重點(diǎn)放在采空區(qū)中心和空區(qū)邊緣地帶，勘探孔設(shè)計(jì)孔深應(yīng)根據(jù)采空區(qū)跨度來設(shè)計(jì)，孔位應(yīng)由測量人員現(xiàn)場放樣，本工程主要采用超前垂直孔勘探(圖2)和超前傾斜孔勘探(圖3)兩種方法。

2)鉆孔的施工。首先，在存在采空區(qū)的工作平臺(tái)的上一個(gè)臺(tái)階布設(shè)超前勘探孔(圖2)，如果因上部虛碴過厚或裂隙發(fā)育，垂直勘探孔無法正常鉆進(jìn)至空區(qū)，但依據(jù)原有資料，下部確實(shí)存在多層空區(qū)，為確保安全，在臺(tái)階邊坡上或在工作臺(tái)階上打傾斜孔，依據(jù)探測情況及時(shí)調(diào)整處理方案；若因地質(zhì)條件差，巖層裂隙發(fā)育，超前垂直和傾斜勘探孔均無法正常施工，則應(yīng)在臺(tái)階推進(jìn)過程中，根據(jù)實(shí)際情況每隔一定距離布設(shè)勘探孔，采用邊探測邊挖運(yùn)作業(yè)。在露天剝采施工中采用此法取得了一定成效。

采空區(qū)鉆探過程中，施工員應(yīng)全程監(jiān)控，對(duì)鉆進(jìn)情況編錄，發(fā)現(xiàn)空區(qū)或疑似空區(qū)，應(yīng)實(shí)測空區(qū)深度后報(bào)現(xiàn)場主管及技術(shù)主管，在鉆孔作業(yè)時(shí)，必須有專人觀察周圍巖層的動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常，立即撤離。

圖2 超前垂直勘探孔

圖3 超前傾斜勘探孔

1.2.3 三維激光掃描探測

根據(jù)采空區(qū)鉆探探明的空區(qū)，結(jié)合原有空區(qū)資料，利用穿透空區(qū)的鉆孔將三維激光探測儀激光探頭下放至空區(qū)，進(jìn)行全方位掃描，由地表計(jì)算機(jī)記錄探測數(shù)據(jù)，再由Surpac或AutoCAD軟件根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制空區(qū)三維空間圖，然后由測量人員現(xiàn)場放樣圈定，進(jìn)一步核實(shí)的采空區(qū)范圍，并在工作面上樹立明顯標(biāo)志，禁止無關(guān)人員進(jìn)入該區(qū)域。根據(jù)三維激光探測儀掃描結(jié)果，編寫采空區(qū)崩落設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行采空區(qū)的處理。

該方法優(yōu)點(diǎn)是施工簡單，探測精度高，探測周期短，但是要求孔徑不小于90mm，孔壁穩(wěn)定且孔內(nèi)不能有大量水。另外，有時(shí)應(yīng)根據(jù)需要隨時(shí)補(bǔ)加鉆孔，確保掃描工作無盲區(qū)。

2 采空區(qū)探測結(jié)果分析

2.1 采空區(qū)的判斷方法

根據(jù)潛孔鉆吹出的鉆屑和鉆孔過程情況，并結(jié)合已經(jīng)收集的資料可推斷采空區(qū)的情況：

1)若取樣分析鉆探到鉛鋅礦、高品位銅礦，則很可能存在采空區(qū)。

2)若鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)空洞，則有空區(qū)，可以根據(jù)鉆孔深度判別保安層厚度。

3)若在塌陷區(qū)鉆探，巖石完整則可能存在整體移位的局部小采空區(qū)。

4)若在塌陷區(qū)鉆探，巖石松軟則說明前期塌陷已經(jīng)基本將原采空區(qū)填充滿。

5)當(dāng)巖層未塌時(shí)，形成的采空區(qū)巖層透氣性差，當(dāng)發(fā)生坍塌并延伸至地表，由于采空區(qū)上部巖層的裂隙增加，微通道豐富，低溫的差異，地下壓力的差別，在對(duì)流作用下，在地表會(huì)冒明顯的熱氣，則說明下部采空區(qū)已基本坍塌。

6)一般情況下，鉆探過程中巖性比較完整，且有一定的保安層厚度，能夠保證作業(yè)平臺(tái)的安全，頂板塌陷前有一定的征兆，如地表開裂等。

7)一般情況下，鉆探過程中巖性比較松軟，如果繼續(xù)塌陷，則地表出現(xiàn)局部沉降、滑落、滾石等現(xiàn)象。

2.2 采空區(qū)探測存在的問題

1)急需一種能有足夠鉆力的鉆機(jī)。本工程也采用過立軸式純回轉(zhuǎn)地質(zhì)鉆機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)就是鉆探深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CM351型潛孔鉆機(jī)。但是在塌陷區(qū)內(nèi)施工的過程中，我們發(fā)現(xiàn)沖洗液漏失嚴(yán)重，另外該鉆機(jī)占地面積大，移動(dòng)不便，且是純回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，因此鉆進(jìn)速度較慢，收效甚微。

目前本工程較多采用的是CM351型高風(fēng)壓露天潛孔鉆機(jī)。此鉆機(jī)的缺點(diǎn)就是大范圍長時(shí)間的鉆探深孔存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，而且正循環(huán)排碴，若遇較破碎地層，很難將碴吹出來，也就無法鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度，無法進(jìn)行較為準(zhǔn)確的安全分析。洛陽欒川鉬礦曾嘗試引入潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，也取得了不錯(cuò)的成效[6]，此項(xiàng)課題在大寶山礦還有待進(jìn)一步研究。

2)若空區(qū)內(nèi)水較多，則下放的三維探測儀很難進(jìn)行激光掃描，也就不能準(zhǔn)確的圈定空區(qū)的形狀，進(jìn)而不能進(jìn)行空區(qū)的安全分析。

3 結(jié)語

采空區(qū)塌陷會(huì)給礦山帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，采空區(qū)范圍內(nèi)施工作業(yè)的安全問題是露天開采過程中剝采工作的重中之重。采空區(qū)安全生產(chǎn)問題并不可怕，但必須引起足夠重視。頂板塌陷前有一定的征兆，如地表開裂、局部沉降、滑落、滾石等現(xiàn)象，所以在采空區(qū)塌陷區(qū)內(nèi)施工，必須要堅(jiān)持“有疑必探，先探后進(jìn)”的原則，做好技術(shù)交底，堅(jiān)持按章操作。

采用超前勘探和自動(dòng)激光掃描系統(tǒng)相結(jié)合的方法對(duì)大寶山礦采空區(qū)進(jìn)行了探測。探測結(jié)果表明，該方法能獲得采空區(qū)的精確空間數(shù)據(jù)，對(duì)采空區(qū)探測具有較好的實(shí)用價(jià)值，對(duì)指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 彭欣，崔棟梁，李夕兵，等.特大采空區(qū)近區(qū)開采的穩(wěn)定性分析[J].中國礦業(yè)，2007,16(4):70-72.

[2] 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(píng)價(jià)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006,23(1):24-28.

[3] 過江, 古德生, 羅周全. 金屬礦山采空區(qū)3D 激光探測新技術(shù)[J].礦冶工程, 2006,26(5):16-18.

[4] 龐曰宏,宮德玉,彭衛(wèi)杰. 采空區(qū)失穩(wěn)分析及監(jiān)控[J].化工礦物與加工,2009(10) ：31-32.

[5] 郭廣禮,何國清,崔曙光. 部分開采老采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性分析[J]. 礦山壓力與頂板管理,2003(3):70-73.

[6] 李冬霜,王茂森,梁毅. 洛陽欒川鉬礦復(fù)雜地層鉆進(jìn)工藝研究與試驗(yàn)[J]. 探礦工程：巖土鉆掘工程,2009(6):10-12.