露天矿采空区处理中的安全防治措施

露天矿采空区处理中的安全防治措施

郭炯

中煤平朔集团东露天矿山西朔州036006

摘要：我国金属非金属矿山大多地质条件复杂，相当一部分露天矿山存在采空区问题。根据国务院安委会办公室下发的《金属非金属地下矿山采空区事故隐患治理工作方案》显示，到2015年底，全国金属非金属地下矿山共有采空区12.8亿m3，分布于全国28个省(市、区)。采空区易引发透水、坍塌、冒顶、片帮等多种形式的灾害，往往造成大量的人员伤亡和财产损失。据估计，全国地下开采矿山采空区的规模以2000～3000万m3/a的速度递增。据不完全统计，因采矿引发的塌陷面积达1150km2，发生采矿塌陷灾害的矿业城市有30多个，每年因采矿地面塌陷造成的损失在4亿元以上，采空区安全问题已经成为影响经济发展和社会和谐的重要因素。

关键词：露天开采；地下采空区

引言

文章以某地区为例，该地区矿区经过多年的地下开采，形成了大量采空区，空区纵横交错、相互贯通，成为矿山安全生产的重大隐患。经过多年实践，在空区治理中形成了集三维扫描、充填治理、空区监测、安全预警、无人化采矿等多种安全防治措施，确保了矿山开采安全，未发生人员伤亡事故，对类似矿山具有良好的借鉴作用。

1.矿区概况

该矿区已开采30多a，特别是80—90年代后期无序开采形成了多重采空区，从1160～1460m水平均有空区分布，所谓“有矿即有空区”。这些大规模采空区群存在于当前生产的露天境界内，空区长时间受到地压、岩石风化及爆破震动的影响，原来预留的大量矿柱发生了破坏，空区面积大小、高度以及顶板稳定性均发生了改变，给矿山的开采和安全带来隐患。有资料记载的采空区面积为100多万m2，体积为1000多万m3，有记录的塌陷11次，塌陷面积约180000m2。1998—2007年，共处理空区149次，空区面积412998m2，空区体积4219059m3。随着矿山生产规模的进一步扩大，台阶下降速度加快，露天台阶下深部大量不规则、多层重叠的复杂采空区严重影响了矿山的正常生产，给矿山施工的人员和设备带来了极大的安全威胁。

2.采空区安全影响

第一，穿孔作业困难，容易造成穿孔设备卡钻或钻头掉入空区;采空区顶板岩石冒落可能引发大面积地压活动;采空区沉陷造成台阶作业人员与设备伤亡或损失。第二，由于大量复杂的地下采空区的存在，需要优先考虑空区处理，使正常的台阶铲装、穿孔、爆破等工序被打乱，台阶无法均衡推进，造成生产不协调，制约正常的采剥生产。第三，采空区部位皆为高品位富矿段，空区处理时作业缓慢，需要前期进行探测及场地推进，部分高危空区需要蚕食推进，影响整个企业供矿品位。

3.安全技术措施

3.1顶板安全厚度确定

顶板厚度对空区处理施工安全非常重要。多层重叠空区结构力学体系复杂，且外在因素(爆破震动、雨水弱化、设备动静载荷)对空区稳定性的影响增大，为此，多层重叠空区顶板最小安全厚度应在单层空区顶板最小安全厚度的基础上，增加1.5的安全系数，确保中深孔切割崩落法处理施工安全。

3.2空区探测

目前，国内外对于采空区探测主要采用高密度电阻率法、地震波法、探地雷达法、三维激光法等，经过测试比对，三维激光法效果良好，能实现对空区的精确测量。空区激光扫描系统工作原理是依靠激光定位，光线从光源发射到前面的某个目标反射回来，利用高速电子电路测定其经历的时间，并以此来测定光源至目标的距离。空区激光自动扫描系统(CALS)依靠遥控装置控制探头测定数据，通过电缆等传输设备输入到控制软件中进行数据转换，生成空区三维模型。该露天矿地下转露天时对井下工程资料进行统一收集、现场实测，但是由于单位较多，地下采空区复杂，不能精确地反映地下采空区特性，而且受岩石风化及破坏作用，其形态随着时间推移有所变化，为了对采空区进行精确评价，需要准确掌握影响计划推进的台阶下采空区形态，利用常规钻机对资料显示存在空区的计划设备作业区域进行钻探复核，确定精确的三维形态及赋存状态，制定可靠的空区穿爆方案；提前利用潜孔锤反循环钻机技术对深部高危空区进行深孔复核，逐层测清空区形态及相互关系，便于综合考虑治理方案;在台阶面按照一定网度对疑似存在空区的区域进行探测，以便确定无资料的盲空区。

3.3钻孔碎石充填

地表钻孔碎石充填法适用于空区相互重叠且空区之间的隔层厚度小于最小安全厚度，同时被上部空区覆盖的下层空区规模大、采高高、跨度大、体积大的多层空区的处理。钻孔碎石充填法是在空区顶板上方的地表台阶面采用140mm潜孔钻机穿凿至空区，用350mm套管利用地质钻对小孔进行扩孔，然后将次品矿进行破碎，由汽车运至碎石仓，通过圆盘给料机将仓内碎石下放到皮带输送机，运至钻孔上部的下料仓，碎石通过钻孔充填空区。空区充填后，再进行台阶推进，同时采用崩落法对未充填密实的空区进行小规模爆破处理。碎石充填空区后，对空区顶板和侧帮岩体形成支撑，有效控制空区顶板和矿柱受压变形破坏，避免空区塌陷；同时碎石充填空区，虽未能完成充填密实，但能大大减少空区体积和空区顶板连续暴露面积，使其危险程度降低，能保证台阶推进时人员和设备的安全。

3.4空区监测与安全预警

空区稳定性监测预警常用的监测方式包括应力监测、变形(位移)监测、光弹监测、声发射监测、微震监测和弹性波测试等。声发射技术(AE)是利用岩石破裂过程中往往伴随声波信号的特点，根据信号强度判断岩石破坏程度及破裂地点，当探明空区后，根据空区的危险程度埋设声发射监测装置，普遍适用于国内外露天和地下金属矿山，该方法简便、实用，适应性好，采用整体监控，重点关注计划作业区空区情况。微震监测是利用岩石破裂过程中由于弹性应变能的释放，采用多点监测，可对微震事件进行定位，进而确定岩石破裂部位，根据微震事件的强度，可对大规模地压活动提供预警，对于高危空区区域管控效果明显，能对微震事件全数字化数据采集、存储及处理，进行物理多参数分析，实现信息的远传输送和多用户计算机远程可视化监控与分析，减轻监测人员的工作危险性与劳动强度，已经在D区及E区建立地表与地下多通道微震监测控制网络，实现全范围立体24h全天候实时监测、高精度空间定位，确保人员设备在高危空区相关区域作业的安全[1]。

3.5遥控机械采矿

利用最先进的自动化技术(通讯、定位、工艺设计、监视与控制系统)操纵采矿设备。遥控采矿工艺包括自动凿岩、自动装药和爆破、自动铲装、自动运输等，我国部分地下矿山已经实现了遥控操作，针对露天矿中危险环境开采，遥控设备成为必要发展方向。E区空区密集集中，上下空区间隔层小，上部浮渣较厚，空区和矿柱三维形态十分复杂，危险区域较大，难以利用现有治理手段处理，以监测为主，部分区域多年未推进，严重制约着台阶正常推进，富矿难以采出，对出矿品位影响较大。为确保公司经营目标，2016年逐步推行遥控设备进入危险区域开采，陆续引进遥控挖掘机、遥控钻机、遥控汽车，操作人员在指挥室借助采场高清摄像头，通过手持无线发射器，对设备进行遥控作业。经过1a运行，开采残矿600多万t，E区1280m以上高危空区得到及时处理，探索出一条高危空区的处理新方法，极危空区不再是难以逾越的障碍。

结论

简而言之，文章针对某地区露天矿存在大量多层大型高危地下采空区的特殊条件，研究出露天开采空区处理技术措施，形成了集探测、监测、铲装、运输、空区处理、安全预警为一体的治理体系，对国内外同类型矿山空区治理具有参考价值[2]。

参考文献

[1]高建敏，林卫星.露天开采与空区处理一体化技术[J].采矿技术，2018(3):66-69.

[2]谢九敬，赵光.露天境界内地下复杂采空区的探测与治理[J].采矿技术，2017(3):49-51.