馬海濤

采空區(qū)是“采礦活動中隨礦石開采后留下的可能誘發(fā)礦山災(zāi)害的空間”。我國是世界上礦山生產(chǎn)第一大國，有地下礦井3萬多座，每年從地下開采礦石總量超過50億t。地下礦石被采出后留下的空間如果不進行充填處理，就會形成采空區(qū)。金屬礦山由于圍巖較為堅硬，頂板滯后冒落，往往容易形成巨大采空區(qū)，這是誘發(fā)地表突然塌陷、井下大規(guī)模冒頂和井下透水的主要危險源。

井下冒頂災(zāi)害是采空區(qū)頂板在自重作用下突然垮落造成的危害，是事故起數(shù)最多、死亡人數(shù)最多、分布范圍最廣的災(zāi)害類型之一，占礦山事故總量的30%以上。金屬礦山由于圍巖堅硬，往往能夠形成上百萬立方米的大面積采空區(qū)，一旦被破壞會形成大規(guī)?？迓?，并伴隨著著強大的沖擊波，瞬間摧毀整個礦井。井下的大面積冒頂如果持續(xù)向地表發(fā)展，會導(dǎo)致地面塌陷，進而誘發(fā)人員墜落、建筑物倒塌、山體崩塌、河流倒灌等多種事故和災(zāi)害。1980年6月，湖北省遠安縣鹽池河磷礦采空區(qū)塌陷誘發(fā)山崩，淹沒下游建筑，造成307人死亡。

在所有事故類型中，采空區(qū)水害是礦井重大水害事故的主要類型，所占數(shù)量比例已經(jīng)超過80%。礦體回采完畢后，采空區(qū)在地表和地下水的長期補給下，充滿大量積水，一旦新的采掘工程誤與采空區(qū)聯(lián)通，積水瞬間涌出將發(fā)生淹井，造成人員傷亡和財產(chǎn)的巨大損失。

研究背景

金屬礦山行業(yè)采空區(qū)問題非常普遍。由于生產(chǎn)設(shè)備和工藝較為落后，安全生產(chǎn)投入長期不足，大量采空區(qū)沒有處理；整頓關(guān)閉后的民采礦井遺留大量采空區(qū)無法查明，給周邊礦井開采帶來嚴重安全隱患。隨著開采深度逐年下降、開采規(guī)模逐年擴大，采空區(qū)埋深和規(guī)模也越來越大，形成的安全隱患不容忽視。然而在采空區(qū)研究方面，相關(guān)研究仍缺乏系統(tǒng)性，甚至在采空區(qū)的概念上經(jīng)?；煜?，在其定義、范圍、分類、分等方法上尚未形成準確的、科學(xué)的、統(tǒng)一的結(jié)論，造成了國家礦山安全監(jiān)管的技術(shù)障礙。

中國五礦集團公司在金屬礦山行業(yè)，排名處于世界第四、我國第一，是國有重要骨干企業(yè)。公司下轄30余家礦山企業(yè)，開采50余座礦山，年產(chǎn)礦石量2 200萬t，是我國地下金屬礦產(chǎn)量最大的集團公司。作為金屬礦山行業(yè)的龍頭企業(yè)，中國五礦集團公司高度重視采空區(qū)問題，將其列為安全監(jiān)管的主要危險源進行管理，并于2013年與中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院合作，開展了“金屬礦山采空區(qū)安全隱患治理”項目研究，旨在通過技術(shù)研究，解決礦山企業(yè)存在的典型采空區(qū)安全問題，帶動金屬礦山行業(yè)在采空區(qū)隱患治理方面提升科技水平。

研究過程

研究項目以五礦集團公司下屬金屬采空區(qū)災(zāi)害治理為核心，以采空區(qū)的探測、分析、評估為主線，以采空區(qū)的管理和災(zāi)害預(yù)警為目標，從金屬采空區(qū)的精確探測、風(fēng)險評估、分級管理和監(jiān)測預(yù)警4個方面入手，開展研究工作。

在采空區(qū)探測方面，項目組綜合分析了金屬礦山采空區(qū)地表、井下探測方法和技術(shù)的適應(yīng)性，在高密度電法、地質(zhì)雷達、瞬變電磁法、微重力法、淺層地震法等綜合地球物理方法的基礎(chǔ)上，提出了“井下地震波三維層析成像結(jié)合激光鉆孔掃描”對采空區(qū)危險源進行地質(zhì)超前預(yù)報的技術(shù)，并建立了與礦山生產(chǎn)相結(jié)合的采空區(qū)的精確探測工藝方法。

在采空區(qū)風(fēng)險評估方面，基于非線性彈性的本構(gòu)關(guān)系，項目組建立了采空區(qū)“多米諾”效應(yīng)的三維分析模型，歸納總結(jié)了采空區(qū)空氣沖擊性災(zāi)害、地表塌陷災(zāi)害、井下透水災(zāi)害、火區(qū)自燃災(zāi)害等的風(fēng)險評估指標閾值和等級。

在采空區(qū)管理方面，項目組以五礦集團礦山采空區(qū)數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)，建立了采空區(qū)災(zāi)害風(fēng)險評價的指標體系和計算方法，編制了《五礦集團金屬礦山采空區(qū)風(fēng)險分級標準》，開發(fā)了采空區(qū)管理系統(tǒng)（見圖1），劃分了礦山采空區(qū)風(fēng)險等級，實現(xiàn)了集團公司內(nèi)部礦山企業(yè)采空區(qū)的風(fēng)險分級管理。

在采空區(qū)監(jiān)測預(yù)警方面，提出了單點監(jiān)測的絕對值預(yù)警、變化速率預(yù)警、加速度預(yù)警和多點面預(yù)警等方法，研發(fā)了采空區(qū)圍巖應(yīng)力錨桿在線監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合InSAR（合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)）和微震技術(shù)，實現(xiàn)了采空區(qū)井下圍巖變形和地表沉降的實時監(jiān)測，為采空區(qū)災(zāi)變的動態(tài)監(jiān)測與預(yù)警提供了有效的手段。

成果應(yīng)用

項目組對中國五礦集團公司下屬33家企業(yè)的49座礦山，共4 810個采空區(qū)（總體積4 292.92萬m3）進行了調(diào)查統(tǒng)計及風(fēng)險評估，在8家典型礦山開展了具體應(yīng)用，解決了企業(yè)的采空區(qū)難題，取得了顯著經(jīng)濟效益和社會效益。

針對民采空區(qū)盜采侵擾的典型問題，在五礦集團錫礦山銻礦引用地球物理綜合探測方法，對盜采范圍進行探測與定位，評估了民采空區(qū)的危害，提出了礦山防盜采監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，結(jié)合地方政府資源整合措施，有效防范了周邊盜采破壞。

針對民采空區(qū)出現(xiàn)安全威脅的典型問題，項目組在五礦集團西石門鐵礦開展了井下地震波三維超前預(yù)報，確保井下兩年安全開拓6 km，預(yù)報平均準確率達75.56%。在確保安全的同時，大幅減少了井下鉆探量、提高了掘進效率。

針對嶺南地區(qū)百年鎢礦采空區(qū)典型問題，項目組在五礦集團盤古山鎢礦、瑤崗仙鎢礦、漂溏鎢礦的典型采空區(qū)，進行了三維激光（C-ALS）掃描（見圖2），獲得采空區(qū)空間形態(tài)的精準三維點云數(shù)據(jù)（見圖3），建立了采空區(qū)精確模型，評估采空區(qū)和地表山體穩(wěn)定性，有針對性地提出了采空區(qū)治理措施。

針對點柱式空場采空區(qū)大規(guī)模失穩(wěn)的問題，項目組在五礦集團香爐山鎢礦，開展了“多米諾”效應(yīng)三維量化計算，對礦山上千根礦柱的安全性進行校核，按照10年、20年、50年的時間序列，指出了可能失效的礦柱位置和頂板區(qū)域，并在此基礎(chǔ)上給出了合理的充填治理方案。（見圖4）

針對“三下”（建筑物下、鐵路下和水體下）開采的地表塌陷典型問題，項目組在五礦集團張家洼鐵礦、萊新鐵礦開展星載InSAR的動態(tài)監(jiān)測（見圖5），并與GPS實際測量結(jié)果對比，分析得出誤差均值小于1 cm。項目組在此基礎(chǔ)上劃定了村莊警戒范圍，提出了礦井充填工藝改進方法，保證了礦山和周邊村民安全。

發(fā)展前景

礦山生產(chǎn)必須面對采空區(qū)問題，并伴隨著礦石開采規(guī)模的不斷擴大，采空區(qū)對安全生產(chǎn)的威脅日趨嚴重。我國礦山采空區(qū)災(zāi)害面臨的安全形勢和復(fù)雜科學(xué)問題在世界上是史無前例的，目前在采空區(qū)隱患治理方面，主要面臨4大需求：不明確采空區(qū)探測、采空區(qū)分級分類評估、采空區(qū)地壓監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警、采空區(qū)治理技術(shù)。

對于中國安科院承擔的“金屬礦山采空區(qū)安全隱患治理”項目，我國采礦安全專家、中國工程院院士蔡美峰對其給予了高度評價：“這是首次系統(tǒng)、大范圍地進行了采空區(qū)安全隱患探測、預(yù)警與治理研究，研究成果將有助于減少礦山采空區(qū)災(zāi)害事故，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景?！?/p>

編輯 楊 璇endprint