蘇 偉，牛小明

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 410012;2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南長(zhǎng)沙 410012)

0 前言

由于多方面的原因，有些露天礦山采場(chǎng)內(nèi)存在或明或暗的地下采空區(qū)。從國(guó)內(nèi)露天礦山的實(shí)際情況來(lái)看，造成地下采空區(qū)存在的原因主要有3種:一是隨著礦產(chǎn)資源價(jià)值的提高，使原來(lái)不具有大規(guī)模開(kāi)采價(jià)值的低品位大型礦床有了開(kāi)采價(jià)值，因而促使一些儲(chǔ)量大、品位低的大型礦山進(jìn)行了地下轉(zhuǎn)露天開(kāi)采;二是在國(guó)家鼓勵(lì)對(duì)礦產(chǎn)資源的集約化、大型化開(kāi)采利用的背景下，對(duì)大型礦床內(nèi)多家小礦山分割礦權(quán)開(kāi)采的情況進(jìn)行了大規(guī)模整合后轉(zhuǎn)為露天開(kāi)采的;三是露天采場(chǎng)周邊存在地下盜采現(xiàn)象。采空區(qū)的存在，威脅著露天開(kāi)采的生產(chǎn)安全，因此，采空區(qū)的探測(cè)及處理逐漸受到礦山的重視。

遵循先進(jìn)、實(shí)用的原則，在參考國(guó)內(nèi)采空區(qū)方面大量資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從采空區(qū)探測(cè)、穩(wěn)定性分析、處理以及處理后評(píng)價(jià)等方面，對(duì)每一個(gè)技術(shù)流程進(jìn)行了總結(jié)，并探討各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，簡(jiǎn)要介紹了某礦山采空區(qū)工程實(shí)例，以進(jìn)一步具體說(shuō)明實(shí)際應(yīng)用。

1 采空區(qū)探測(cè)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及處理

采空區(qū)最大的風(fēng)險(xiǎn)是其分布狀況不明。因此，掌握客觀、準(zhǔn)確、全面的采空區(qū)資料，是實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)生產(chǎn)安全和采空區(qū)有效管理的前提條件。

采空區(qū)探測(cè)前的準(zhǔn)備工作包括已有資料的收集、分析，主要包括區(qū)域內(nèi)采空區(qū)形成歷史、空區(qū)分布、塌陷情況以及探測(cè)孔穿孔情況等。在此基礎(chǔ)上，選擇有針對(duì)性的技術(shù)手段?，F(xiàn)有的采空區(qū)探測(cè)技術(shù)手段主要由以下幾種。

1.1 采空區(qū)探測(cè)技術(shù)

1.1.1 鉆探技術(shù)

用超深鉆探測(cè)采空區(qū)是較為簡(jiǎn)單的技術(shù)，根據(jù)礦山采剝計(jì)劃，在空區(qū)可能分布區(qū)域，以一定孔深和孔網(wǎng)參數(shù)超前露天臺(tái)階推進(jìn)方向鉆超深探測(cè)鉆孔。超前鉆探發(fā)現(xiàn)空區(qū)時(shí)，詳細(xì)記錄孔深，并用測(cè)繩測(cè)出空區(qū)高度，同時(shí)保護(hù)好穿透孔，待后續(xù)進(jìn)行三維激光掃描。

用超前鉆探法對(duì)采場(chǎng)空區(qū)進(jìn)行大規(guī)模排查，能提前發(fā)現(xiàn)空區(qū)，規(guī)避危險(xiǎn)區(qū)域，該方法的缺點(diǎn)是工程量很大，工程費(fèi)用較高，只能大致了解空區(qū)的范圍，而不能得到空區(qū)的準(zhǔn)確資料。主要用來(lái)發(fā)現(xiàn)空區(qū)，為后續(xù)精確的空區(qū)探測(cè)提供前期工作。

1.1.2 地球物理探測(cè)技術(shù)

近年來(lái)，采空區(qū)的地球物理探測(cè)技術(shù)發(fā)展很快，目前較為常用的物探技術(shù)根據(jù)其所使用的原理，主要有重力測(cè)量、電法測(cè)量和地震測(cè)量。電法測(cè)量又可分為電阻率層析成像法、瞬變電磁法、甚低頻電磁法、探地雷達(dá)、MT法、CSAMT法和EMAP法。地震測(cè)量亦可分為淺層地震反射波法、瑞雷波法和鉆孔彈性波CT等。

從目前礦山采空區(qū)探測(cè)的工程實(shí)踐來(lái)看，物探技術(shù)主要適用于大范圍的采空區(qū)分布探測(cè)，能大體圈定采空區(qū)范圍和數(shù)量，精度較差，無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)采空區(qū)三維分布形態(tài)，且技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)探測(cè)結(jié)果影響很大。

1.1.3 三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)主要有CMS系統(tǒng)和C－ALS三維激光掃描系統(tǒng)，這兩種探測(cè)系統(tǒng)原理基本相同，而C－ALS三維激光掃描系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能，逐漸成為采空區(qū)精確探測(cè)的主要技術(shù)。該系統(tǒng)掃描探頭直徑50 mm，可360°旋轉(zhuǎn)，全方位覆蓋高達(dá)150 m范圍內(nèi)的整個(gè)空區(qū)。數(shù)據(jù)捕捉率可達(dá)每秒200點(diǎn)，精確度為±5 cm，同時(shí)用自帶MDL軟件自動(dòng)成圖。將掃描原始文件導(dǎo)入Surpac，建立空區(qū)三維模型，準(zhǔn)確還原空區(qū)三維空間形態(tài)和位置，由此得出采空區(qū)的準(zhǔn)確參數(shù)(長(zhǎng)、寬、高、頂板厚度等)，為后續(xù)處理提供可靠的依據(jù)。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是從地表穿透鉆孔下放探頭，作業(yè)環(huán)境較好，保證了作業(yè)人員的安全，探測(cè)精度較高，速度很快;由于空區(qū)大多是不規(guī)則的，有突起物阻擋激光傳播時(shí)，造成空區(qū)探測(cè)不完全，存在一定的盲區(qū)，其次是地下空區(qū)霧氣濃重時(shí)，也會(huì)造成空區(qū)掃描范圍受限。通過(guò)多孔探測(cè)，多次掃描圖像復(fù)合的方式能有效克服這些缺點(diǎn)。

總之，由于采空區(qū)形態(tài)的復(fù)雜性，決定了對(duì)其進(jìn)行精確探測(cè)是極其困難的，現(xiàn)有技術(shù)各有所長(zhǎng)，單一的技術(shù)手段難以達(dá)到準(zhǔn)確性的要求。因此，應(yīng)把多種技術(shù)手段結(jié)合使用，才能取得較好的效果。為了使空區(qū)探測(cè)、管理和處理工作科學(xué)化、制度化、規(guī)范化，應(yīng)根據(jù)礦山實(shí)際情況，制定相應(yīng)的探測(cè)方案。經(jīng)過(guò)綜合分析礦山工程實(shí)踐，資料收集、人工調(diào)查、超前鉆探與三維激光掃描相結(jié)合的方式，基本上能滿(mǎn)足礦山對(duì)采空區(qū)探測(cè)的技術(shù)要求。

1.2 空區(qū)穩(wěn)定性研究

為保障礦山安全生產(chǎn)，合理評(píng)估采空區(qū)危險(xiǎn)程度，為采空區(qū)處理提供科學(xué)的依據(jù)，在采空區(qū)探測(cè)完成后，還需要開(kāi)展采空區(qū)穩(wěn)定性研究。

采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，采空區(qū)保安層厚度是關(guān)鍵的參數(shù)，它決定了采空區(qū)安全和處理時(shí)機(jī)的選擇。這項(xiàng)工作需要對(duì)采空區(qū)所處地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查和巖石力學(xué)試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對(duì)各種地質(zhì)條件和巖性中的采空區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

1.3 空區(qū)處理

空區(qū)掃描完成后，根據(jù)穩(wěn)定性研究結(jié)論，對(duì)其保安層厚度進(jìn)行驗(yàn)算，處于安全臨界值時(shí)，需要及時(shí)排除隱患。由采空區(qū)形態(tài)及周?chē)r，靈活制定處理措施，一般采用爆破崩落頂板或者充填空區(qū)的方法消除危險(xiǎn)。

2 工程實(shí)例

本文以某露天礦山1755－1空3號(hào)采空區(qū)為例，說(shuō)明采空區(qū)探測(cè)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和處理技術(shù)的應(yīng)用。

2.1 空區(qū)概況

經(jīng)超前鉆探，1755 m平臺(tái)有Z2、Z6、Z8超深鉆孔穿透，初步判斷下方存在空區(qū)。通過(guò)這3個(gè)鉆孔，對(duì)目標(biāo)空區(qū)進(jìn)行了三維激光掃描，掃描圖如圖1所示，經(jīng)MDL成圖，導(dǎo)入Surpac軟件進(jìn)行復(fù)合，得到了空區(qū)復(fù)合模型(如圖2所示)。經(jīng)綜合分析，得到表1所列的空區(qū)參數(shù)。

圖1 掃描結(jié)果

表1 采空區(qū)參數(shù)

2.2 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

采空區(qū)頂板巖性為灰?guī)r，根據(jù)前期穩(wěn)定性研究，得出采空區(qū)跨度與巖層保安層厚度的關(guān)系為:h=0.697b－0.122，式中，h為保安層厚度，m;b為采空區(qū)跨度，m。經(jīng)計(jì)算，保安層厚度應(yīng)為12.4 m，采空區(qū)處于臨界狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)處理，以排除危險(xiǎn)。

2.3 采空區(qū)處理

通過(guò)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查和分析研究，確定處理方案為:以臨近空區(qū)的臺(tái)階為自由面，采用爆破法崩落空區(qū)頂板。采空區(qū)上方炮孔加密布置，孔網(wǎng)參數(shù)為3.5 m×2.75 m，采空區(qū)頂部鉆孔均穿透，孔內(nèi)下部填塞3 m，孔口填塞3.5 m，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，同排同段起爆，逐排微差爆破。由于采空區(qū)部分區(qū)域頂板厚度小于安全要求，施工過(guò)程嚴(yán)禁大型設(shè)備進(jìn)入，限制場(chǎng)內(nèi)同時(shí)工作人數(shù)，停止周?chē)剖┕?，禁止夜晚施工，加?qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

經(jīng)過(guò)前期施工準(zhǔn)備，成功實(shí)施了爆破處理。本次爆破共使用炸藥6391.4 kg，爆破方量約為7542 m3，計(jì)算單耗 0.85 kg/m3。

2.4 處理后評(píng)價(jià)

對(duì)爆破前后采空區(qū)情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，根據(jù)計(jì)算，得出爆破前后該采空區(qū)的情況，如表2所示。

表2 爆破前后1755－1－空3采空區(qū)情況統(tǒng)計(jì)表

從上表可以看出，爆破后地表產(chǎn)生凹陷區(qū)體積為2480 m3，稍大于計(jì)算所得修正后理論凹陷區(qū)體積，誤差較小，說(shuō)明空區(qū)松散體基本充填了空區(qū)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，1755－1－空3采空區(qū)處理基本達(dá)到了預(yù)期目的，效果良好。

圖2 掃描結(jié)果復(fù)合模型

3 結(jié)語(yǔ)

露天采場(chǎng)境界內(nèi)分布的大量不明空區(qū)，嚴(yán)重阻礙了礦山基建剝離工程進(jìn)度，大大提高了礦山投資建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)程度，通過(guò)建立空區(qū)探測(cè)、保安層厚度確定、空區(qū)處理、后評(píng)價(jià)的制度化管理模式，有效降低、化解了采空區(qū)對(duì)采場(chǎng)安全作業(yè)的威脅。為礦山安全有序的建設(shè)創(chuàng)造了條件，提升了礦山可持續(xù)發(fā)展能力，促進(jìn)了礦產(chǎn)資源的合理開(kāi)發(fā)利用，為企業(yè)取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為礦山的后續(xù)建設(shè)積累了工程經(jīng)驗(yàn)。

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