地下矿山采空区探测及综合治理研究与应用

1采空区特点及其危害

      采空区特点: 隐伏性强、规整性差、空间分布特征规律性差、空间形态变异性大、顶板冒落塌陷情况难以预测。

      采空区可根据存在状态、形成时间、可控程度等进行分类。按存在状态可分为单一空区、贯通空区和群落空区( 空区变形严重、成片连通、面积大、体积大、形态变化大、稳定性差的群空区) ; 按形成时间可分为老采空区、现采空区和未来采空区( 计划 开采的区域) ; 按可控性分为明晰空区、模糊空区和未知空区。

2采空区探测及稳定性分析研究

2. 1 采空区探测技术 

     目前国内针对未知空区的探测手段是物探加钻探，主要物探方法有高密度电法、瞬变电磁法、地质 雷达法、微重力法、地震法、大地电磁法等。其中在金属矿山地下未知采空区探测方面应用较多的有电阻率层析成像技术、瞬变电磁法以及钻孔弹性波 CT技术。

      针对已知空区，采空区的精确探测是采空区稳定性分析、残矿回收与综合治理的首要条件。近年来发展起来的激光 3D 扫描技术为采空区的三维精确探测提供了硬件保障，如加拿大 CMS 空区探测系统、英国的钻孔式激光扫描仪 C － ALS 及探杆式扫描仪 VS150 等，这些系统的最大优点是可精确探测人员无法进入的采空区及形态极不规整的复杂采空区。CMS 的探测硬件设备与数据流程图及工作原理如图 1，空区探测时将激光探测设备伸入到空区内部，便可对空区进行平面和立面双向 360°扫描，并记录每个扫描点的三维坐标。对 CMS 记录的空区三维坐标经过后处理便可建立空区三维实体模型，然后通过三维模型可任意切割剖面、计算空区容积等。

      基于以上空区探测技术，经过大量研究和实践，得到了有效探测复杂采空区的可靠方法，即采空区探测技术路线: 开采资料调研—矿体赋存特征分析—物探( 探测空区的存在性和大致范围) —钻探( 修正物探成果) —CMS 探测( 精确探测空区三维坐标) —空区三维模型建立( 利用相关矿业软件) 。

2. 2 采空区稳定性分析

      目前国内外采空区稳定性分析方法主要有理论分析( 模糊理论、灰色理论、神经网络、弹性梁理论、砌体梁理论、太沙基地压、普氏地压等) 、相似模拟、数值模拟( 有限单元法、有限差分法、离散单元法、边界元法、刚体元法等) 和工程类比法等。由于采空区围岩的特点是随采场不断推进，岩层运动状态不断变化，围岩中的应力分布状态不断调整，即采空区稳定性分析要充分考虑岩体的非均质性及其在采动影响下破裂失稳过程的动态特性，这使得采空区稳定性问题通常无法用解析方法简单地求解，相比之下，数值模拟计算方法具有较广泛的适用性。采空区治理方案制定前首先要对采空区稳定性进行评判，其前提是要基本明确采空区的三维真实 形态。大量研究和工程实践表明，采空区稳定性评判的可靠性和空区模型的真实性极为密切。

3 采空区综合治理技术

3. 1 采空区治理思路

      采空区如何处理要因地制宜、因时制宜，不同的矿山和不同的采空区类型应分别对待。从大的方面来讲，采空区治理方法就是“崩”、“充”、“封”3 种。

3. 2 采空区治理方法

3. 2. 1 崩落法处理采空区

      崩落法处理空区的前提是地表允许塌陷，基本 方式是通过崩落围岩至空区全部被废石充填满或空 区顶板崩塌至地表，再将地表塌陷坑回填。其特点 是处理成本低、见效快、工艺简单，在国内矿山空区处理中广泛采用。基本工艺按采矿方法不同有下面2 种情况:

      (1) 采用崩落法开采矿山。当围岩稳固性较好，顶板不能随采矿的进行而自行冒落时形成采空区。此类采空区一般整体规模较大，采空区形态、范围不明。此时采用深孔或硐室爆破进行强制或诱导崩落顶板岩体冒落。  

      (2) 采用空场法开采矿山。该类采空区一般保留有矿柱，空区整体稳定性相对较好，但由于空场法开采矿山矿石回收率较低，因此空区处理要与矿柱回采密切结合，此时通过分区段、分段等爆破方式崩落矿柱和围岩，在处理空区的同时，充分回收矿体。

3. 2. 2 充填法处理空区

      用碎石、尾砂、水砂、混凝土等充填料充填空区，控制地压活动。充填法处理空区适用范围广，特别对地表建筑物保护，矿区生态环境保护等有独特的作用。充填法可分为干式充填和湿式充填 2 种。前者建立充填系统投资少，充填总成本低，简单易行，但充填能力低，多用于矿体规模不大的中小矿山及老矿山。后者充填料流动性好，充填速度快，效率 高，多用于厚大矿体的开采，但需一整套充填输送系 统和设施，投资大，其中胶结充填比水砂、尾砂充填成本高。

3. 2. 3 隔离和封堵处理采空区

      利用封堵墙将采空区进行封堵，将工作区域和采空区进行隔离，一方面避免人员误入，另一方面避免采空区突然大面积冒落时，采空区坍塌所形成的冲击气浪危及井下作业区的安全。但该法对地表起 不到任何保护作用，地表移动带仍需监测、隔离。该方法成本低，周期短，投资少。

4 采空区综合调查与治理案例

4. 1 福建金东矿业丁家山铅锌矿采空区探测及治理

      丁家山铅锌矿为缓倾斜矿体，采用全面法开采，矿山中段高度 20 m，经过 10 余 a 的开采，从上至下 已形成 11 个中段，其中 10 m 中段和 － 10 m 中段为 目前的主要生产中段，－ 30 m 中段正在进行开拓作 业，其余中段偶尔进行残矿回收，同时该矿山周边还 有盗采空区存在。

      根据该矿采空区的现状及特点，采用 CMS 空区探测仪探测采集矿山采空区及矿柱三维坐标，再用3Dmine 软件建立矿柱及空区三维立体模型，再采用FLAC3D取单采空区最大允许暴露面积和空区群内矿柱参数，分析采空区的稳定性，最后再综合考虑确 定采空区的治理方案。

      通过探测共划分了采空区 70 个，采空区面积137 842. 9 m2，采空区体积 579 654. 4 m3，根据空区模型圈定矿柱 146 个，矿柱总体积 23 429. 02 m3，矿柱矿量约 84 813. 06 t。采用 FLAC3D进行了模拟分 析，得出单空区最大暴露面积为 625 m2; 对采空区 稳定性进行评判分析，得到稳定采空区 40 个、基本稳定采空区 15 个，欠稳定采空区 12 个，不稳定采空区 3 个。

      根据空区调研及稳定性分析状况，结合采空区的处理方法，分析适宜的空区处理方案，现有空区大部分为稳定或基本稳定，对矿山安全生产影响较小; 不稳定采空区均位于上部，距离地表较近，可能会致使地表塌陷，但地表没有需要保护的重要构建筑物; 地表塌陷会破坏地表的植被和生态环境，但由于井下采空区高度较小，大部分进行了废石回填，且采空区内有矿柱分布，如果塌陷，塌至地表的范围较小，对地表植被和生态环境的破坏是有限的。

      井下采空区和巷道错综复杂，还有采矿权外不明采空区，给充填方案带来了很大困难和不便，且充填效果很难保障。不宜采用充填法来处理采空区。

       经过分析，矿山采用封闭处理采空区具有可行性，但由于采空区对副井、采矿作业等有一定的影 响，还需要辅以其他方式。最终制定适宜该矿采空区的治理方案是封闭采空区为主、废石回填为辅的综合方案。将目前已经不再进行作业的中段与主井 和斜坡道相通的所有巷道实施封闭，在封闭前，内部需要堆放 5 ～ 8 m 长的废石堆，用以缓解冲击波的影响。通过调查探明了矿山复杂空区立体分布状况、三维形态、空区体积等，得到了空区稳定情况，提出了空区治理及矿柱回收方案，保障了矿山安全生产。

4. 2 青阳南阳矿山群采空区调查、稳定性分析及治理

      安徽省青阳县南阳镇来龙山方解石矿脉有 5 家矿山进行开采，矿区矿体赋存标高在 100 ～ 500 m，矿山前期由于各种原因，开采了 + 180 ～ + 300 m 的矿体，中段 3 ～ 4 个不等，中段高度约 30 m，开采高度约 18 m，采矿方法为房柱法。

      采用 CMS 和 3Dmine 对矿山采空区进行三维精确探测和空区模型建立工作，得出该矿山群采空区体积约 240 万 m3，单空区最大暴露面积约 2500 m2，单空区的最大高度为 20 m 左右。空区特点是矿山群内相邻矿山的隔离矿柱规整性差且普遍偏小，每个矿山内部上下中段的矿柱对应关系差且很不规整，矿山群内典型矿山空区立体模型见图 2。

      根据探测所得采空区空间分布状况、三维空间结构、矿柱上下对应关系，采用工程地质调研、室内及现场试验、数值模拟、理论计算、工程类比等综合方式，分析得出目前采空区在没有采矿爆破等较大 扰动的情况下是稳定的。因此综合安全、技术、经济 多方面的因素，最终制定了对采空区采用阻波墙和栅栏封闭，对最下面中段采空区内矿柱进行应力在线监测、最上面中段采空区顶板进行位移在线监测的方案。

      空区三维精确探测结果为矿山采空区稳定性分析、矿山群相邻矿山相互影响分析提供了重要的基础依据，对保障矿山安全生产具有重要意义，同时采用多种计算方法得出了采空区上部采矿时的安全隔 离矿柱厚度为 40 m，确定了下一步开采范围。

4. 3 龙桥铁矿崩落法空区调查与治理

      龙桥铁矿采矿方法为无底柱分段崩落法，矿体埋深 500 m，中段高度为 50 m，分为 4 个分段，分段 高度为 12. 5 m，首采分段水平为 － 320 m。

      针对目前空区特点，通过地表钻孔和地质雷达2 种方法对顶板冒落情况进行了探测，即在地表布置 4 个钻孔，孔径为 150 mm，通过 DJ1048 电动绞车下放 JJY － ID 数字井径仪对采空区的冒落情况进行监测。同时由于钻孔覆盖范围有限，为了搞清楚钻孔无法监测区域的顶板冒落情况，采用地质雷达 在分段巷道内对上部的覆盖层厚度进行了探测，再与钻孔的监测结果相互验证。根据两种手段监测的 结果，顶板冒落后采空区高度约 12 m。

      由于采空区的面积大，为确保回采安全，采用诱 导崩落顶板的方案补充覆盖层并处理采空区。其技 术工艺是首先在最下面分段布置 7 组凿岩硐室，然后在凿岩硐室内布置上向水平深孔爆破，单孔深度 最大 60 m，强制落顶工程布置平面图( 部分) 见图3。

4. 4 大昌铁矿采空区调查与治理

      大昌铁矿采用空场嗣后充填法开采，矿山经过多年开采，已形成 10 个中段，目前，矿山共形成采空 区体积 528. 12 万 m3，已完成充填 90. 68 万 m3，剩余437. 43 万 m3。通过数值模拟和理论计算分析，将采空区划分为表 1 所示的 5 个等级。

      根据调查结果，Ⅴ级危险采空区共 39 个，总体 积 124. 4 万 m3; Ⅳ级危险采空区共 45 个，总体积97. 6 万 m3; Ⅲ级危险采空区共 64 个，总体积 103 万m3。

      依据先急后缓、确保安全及保证质量的原则进行充填，利用现已建成的 4 座充填站，按照充填倍线 不超过 5 划分，充填分区划分平面布置见图 4。

4. 5 桃冲铁矿盗采空区探测与治理

      民间盗采特点是无序开采，它的目的性较强，主 要回采品位较高的矿石，而遗留下品位偏低的，严重 破坏了矿体的空间赋存状态，且这些空区的赋存位 置由于很难准确判断，给矿山采准工程的掘进带来 了极大的危险，不仅可能会发生掉底，还有可能击穿可能存水空区导致水灾的发生。

      随着桃冲矿业公司七中段采准工作的深入，不明盗采所形成的采空区逐步揭露，这些采空区层层叠叠、相互联通，严重破坏了矿体的完整性与稳定性，给桃冲矿业公司正常的生产管理与安全管理工 作带来很大的困难和隐患。

      针对盗采空区特点，采用钻探的方式，在对不明盗采空区进行可疑性探测的基础上，布置开拓及采准巷道，待揭露空区后，采用 CMS 对盗采空区进行三维精确探测。

      针对盗采空区的顶板及上下盘均是品位稍低但具有回收价值矿石的特点，将空区处理与残矿回收密切结合，充分利用盗采空区，是处理桃冲民采空区的关键。因此，结合矿山的无底柱采准设计，有效地利用盗采空区的空间，将部分独立的盗采空区作为切割槽，不仅减少了矿山的切割工程量，同时也对这些民采空区进行了有效的处置。另外采用掘进废石或矿石充填至盗采空区内，将空区再造成为无底柱分段崩落法的采矿进路，不仅空区内的残矿得到回采，同时也使得上覆盖岩层能可控有序下移。

      该处理方法确保了盗采空区周边采矿的安全，通过近3 a 的工程实践，利用空区作为无底柱分段崩落法切割槽，为矿山节省切割工程量费用 200 多万元，并极 大减少了切割工程时间; 利用采矿进路再造方法，为矿 山成功回收近百万 t 矿石，取得了较好经济效益。

5 结 论

      (1) 详细分析了采空区的特点、分类及危害，介绍了常见的探测手段、稳定性分析方法及综合治理方法。

      (2) 提出了空区探测、建模、稳定性分析及治理的一体化空区围岩稳定性评判综合治理技术，实现 了复杂空区探测( CMS 空区探测) —采空区三维模 型构建( 3Dmine 建立空区三维模型) —数值 计 算( 采用 FLAC3D程序模拟) 之间的耦合链接。

      (3) 介绍了 5 个地下矿山采空区探测、分析及治理的成功案例，表明该一体化空区围岩稳定性评判综合治理技术在矿山具有良好的应用效果，为我国其他地下矿山采空区治理提供了宝贵经验。