露天开采与空区处理一体化技术

高建敏，林卫星

(1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司， 河南洛阳市 471500;2.长沙矿山研究院， 湖南长沙 410012)

露天开采与空区处理一体化技术

高建敏1，林卫星2

(1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司， 河南洛阳市 471500;2.长沙矿山研究院， 湖南长沙 410012)

介绍了国内矿山采空区现状及采空区治理方法，对地下转露天生产的矿山提出了全新的露天开采与空区处理一体化技术，论述了其空区探测、空场处理、深孔控制爆破、安全防范等关键技术，并将该技术成功应用于洛钼集团三道庄露天矿，取得了良好的效果。最后探讨了该技术的应用前景和进一步的研究方向，为露天开采与空区处理一体化技术在我国地下转露天矿山的进一步推广应用提供了理论指导。

露天开采;空区处理;一体化技术;深孔控制爆破;采空区探测

0 前言

我国已成为世界金属非金属矿产资源开采大国，金属非金属矿产资源的开发利用成为了社会经济发展的重要支柱。然而我国金属非金属矿山采空区规模巨大，赋存特征、条件非常复杂，采空区均存在不同程度的安全隐患，已成为矿山企业重要危险源之一，严重制约了矿山的发展。对于地下转露天的矿山而言，地下空区的存在使露天生产极不安全，不进行空区处理则无法进行露天采矿;处理空区时，露天不能停产，而且还要保产、增产。如何解决露天开采与地下空区处理同步进行之间的矛盾，实现复杂地下采空区条件下露天安全高效开采成为矿山急需解决的难题。因此，本文提出露天开采与空区处理一体化技术，为国内外同类型矿山的强化开采开创了新起点。

1 矿山采空区处理现状

1.1 矿山采空区现状分析

通过调查发现我国矿山采空区总体积已达43217.26万m3，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1150 km2，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达4亿元以上。按行业分布，有色金属行业采空区体积占总量的43.67%，黑色金属行业采空区体积占总量的18.18%，黄金矿山采空区体积占总量的7.51%，化工矿山采空区体积占查总量的17.44%，建材矿山采空区体积占总量的13.20%。

国内有色金属矿山采空区的形成过程十分复杂，采空区的分布特征与矿体赋存形态、矿山开采所用采矿方法等有直接的关联，同时，不规范和无序开采也是一个重要的影响因素。有色矿山如承德铜兴矿业有限公司(原寿王坟铜矿)、洛钼集团三道庄钼钨矿、广西大厂铜坑矿、甘肃厂坝铅锌矿、湖南柿竹园多金属矿、广东大宝山铁矿、河南永煤集团南泥湖钼矿等采空区规模巨大，其中寿王坟铜矿、洛钼集团三道庄钼钨矿空区体积超过了1000万m3。

1.2 采空区治理方法

地下采空区除在特定条件下可以支撑并永久保留外，通常都应当进行处理，其目的在于消除空场，避免冲击地压隐患。归纳国内外的空场处理方法，不外乎崩落和充填两大类，进一步细分为有5类，即“崩”、“充”、“撑”、“封”和前述某几种方法的“联合”。

(1)崩落法。用崩落围岩回填空场并形成缓冲保护垫层，以防止空场内大量岩石突然冒落所造成的危害。采用崩落法，能及时消除空场，防止应力过分集中和大规模的地压活动，并且可以简化处理工艺，提高劳动生产力，而且处理成本低，已为国内外矿山广泛应用。

(2)充填法。从坑内外通过车辆运输或管道输送运来废石或湿式充填材料充填采空场，限制围岩移动。

(3)支撑法。留下永久矿柱或构筑人工矿柱支撑采空场的顶板。该方法一般适用于缓倾斜薄至中厚以下，用空场类方法回采且地表允许冒落，顶板又相当稳定的矿体。

(4)“封”就是用封闭和隔离的手段处理采空场。该方法是一种经济、简便的处理方法，适用于处理孤立小矿体开采后形成的采空场、端部矿体开采后形成的和需继续回采的大矿体上部的采空场。

(5)联合法。即在一个空场内同时采用几种基本方法处理采空场。由于各矿矿体赋存条件各异、生产状况不一，各单一空场处理方法均有局限性，某些空场内采用单一方法很难做到经济合理、简便适用，因而就产生了联合法。

从国内外空区处理方法和经验分析，实际上真正得以使用的为崩落法和充填法。如湖南柿竹园多金属矿、广西大厂铜坑矿等空场法矿山在井下采用强制崩落法处理空区;洛钼集团三道庄钼矿、河南永煤集团南泥湖钼矿、广东大宝山铁矿等地下转露天矿山采用地表中深孔崩落法处理空区。

2 露天开采与地下空区处理一体化技术

地下转露天开采的矿山，在露天开采范围内存在大量复杂地下采空区。露天开采与空区处理一体化技术以实现露天强化开采为目标，将露天采场按空区分布进行了区域划分，对整个地下空区按危险等级和处理难易程度进行了系统科学的分类，对露天开采和空区处理进行统筹规划，按分期、分段进行;创新开发了探测、监测、采矿、处理并举，探测先行系统作业法，对空区顶板先行探测，确认空区顶板原岩厚度，同时对高危空区进行岩移监测，建立空区安全预警系统，形成了集探测、监测、开拓、采矿、铲装、运输、空区处理、安全预警为一体同步进行，依实施法、分期分段的强化开采技术系统，解决了露天开采与地下空区处理同步进行之间的矛盾及多层大型高危地下采空区条件下露天强化开采的科学技术问题。

2.1 地下空区精确探测技术

地下采空区的范围、大小具有不确定性和动态变性。随着露天开采台阶的推进，矿山需要准确掌握台阶下采空区情况，以便确定出露天开采时人员、设备作业安全的隔离层厚度，并对可能塌落的采空区位置与范围进行科学判断，对露天开采中存在的危险提出警戒和预报，为井下采空区综合治理提供准确的数据资料，从而尽可能减少或完全消除作业人员及设备在采空区陷落的危险，最终确保露天开采人员及设备安全。

目前国内外关于采空区的探测方法，一是传统的钻孔探测法(潜孔钻或地质钻)，其次是借助地质探矿中使用的地球物理方法，以及近年来从国外引进的三维激光探测仪(C－ALS)。钻孔探测法可精确控制采空区顶板厚度、采空区高度和采空区的平面位置，可用于有资料的空区的验证，但作业量大，须多次穿孔探测，对无资料的空区探测盲目性大;地球物理探测方法施工方便、成本低，但相对于钻孔法来说精度较低，地表浮渣层厚度大时误差较大，难以指导生产;三维激光扫描探测法施工简单、探测精度高，并能自动成像，但使用该法探测必须有通往空区的探测孔，另外当有矿柱阻挡时不能获取完整的空区图像。

基于地下采空区的动态变化以及空区探测方法的片面性，在台阶生产过程空区探测应采用多种手段相结合的综合探测技术，以钻孔探测为主，三维激光扫描仪探测为辅，参考地球物理探测结果对地下空区的位置、范围、体积进行科学判断。在露天台阶生产过程应始终坚持对各台阶工作面、运输道路超前布置探测孔，提前采用钻孔探测台阶面、运输道路下部的空区情况，确保人员、设备的安全。钻孔探测提前时，原岩地段采用潜孔钻探测，有较厚浮碴覆盖地段采用地质钻探测，钻孔打透空区后立即采用三维激光扫描仪探测，准确掌握空区范围、体积规模。在地表采用中深孔崩落处理空区时，也应布置探测孔来准确定位空区顶板厚度，确定炮孔的合理孔深，确保空区成功崩落。

2.2 采空区处理技术

采空区处理的实质是转移应力集中部位，缓解岩体应力集中程度，或释放围岩应变，使应力达到新的相对平衡，以达到控制和管理地压的目的，保证矿山安全生产。各类采空场处理方法都有特定的适用条件，在其特定的条件下各有利弊，从国内外空区处理方法和经验分析，实际上真正得以使用的为崩落法和充填法。但对地下转露天的矿山来讲，采用充填法来处理空区，存在系统建设投资大、充填量大、效率低以及运营成本高、工艺复杂、对露天生产影响严重等缺点，更严重的是充填物充填至井下后难以和矿石区分，加大矿石贫化，因此该法不可取。地表崩落处理法与充填法相比具有施工方便、充填效果好、速度快、成本低、能有效的与生产结合等优点，同时该法能与露天生产相结合，实现安全高效生产，为空区处理的有效方法。

地表中深孔崩落法处理地下采空区时，首先根据露天开采现状、空区的赋存形态、分布位置、矿岩稳固条件以及空区处理的难易程度，对矿区地下空区进行分区、分类，实行分区管理。在台阶生产中根据各分区台阶推进情况，布置钻孔对空区进一步探测，台阶推进同时，根据钻探实际，结合空区资料布置监测孔，及时预报地压情况。最后根据生产实际，针对不同类别采空区进行处理:简单容易处理的空区，采取单层中深孔爆破处理;复杂难处理的多层复合空区，采取深孔爆破一次处理，或先处理上层空区，然后边铲装边钻探，摸清情况后，再采用中深孔处理下层空区;极复杂极难处理多层复合空区，可采取深孔切割爆破处理，或将生产台阶并段布置切脚削弱工程进行处理。露天永久边坡下的小规模采空区，采用混凝土充填法或下向式台阶再造技术对永久边坡下空区进行治理。

多层复合空区一次处理的方法有:侧翼揭露斜孔分次法、强拉槽深孔切割崩落法、台阶分段或并段深孔崩落法。

2.3 深孔控制爆破技术

国内外露天矿均为正常台阶爆破，凿岩条件好、成孔率高、爆破自由面充足。地下转露天开采的矿山，露天爆破既是为了采矿，也是为崩落空区顶板、矿柱或围岩，成功处理空区。复杂多层高危空区条件下的深孔控制爆破为露天采矿与空区处理最关键的技术之一。为解决复杂多层高危空区条件下深孔爆破抵抗线差别大、爆区面积大、爆破夹制性大、炮孔深、露天无侧向自由面等爆破技术难题，空区处理深孔控制爆破采用差别抵抗线深孔爆破技术、同步一次中深孔强拉槽爆破技术、大面积单孔和排间分段复合起爆技术，实现露天强化开采及协同处理地下空区。

(1)同步一次中深孔强拉槽爆破技术。在整体爆破的同时，利用空区为自由面，前段中深孔强行一次拉槽，使无自由面的深孔爆破转换成侧向爆破，为无露天台阶侧向自由面的露天深孔处理地下空区和采矿带来了生机。

(2)差别抵抗线深孔爆破技术。根据采空区及其爆破自由面的形态特征、深部炮孔抵抗线的大小、匹配爆破能量，布置不同孔径的深孔，形成集中药包和条形药包组合爆破，达到所需爆破能量和应供爆破能量的平衡。

(3)大面积单孔和排间分段复合起爆技术。在一次爆破中同时采用单孔起爆与排间分段起爆的复式网络，采用SHOTPLAN软件进行起爆网络设计，将单孔起爆时间、抛掷方向、等时线、任意间隔时间内的起爆孔数、模拟现场爆炸和松散度等进行精确计算，保证网络安全，满足台阶生产与空区处理的要求，实现露天强化开采。

2.4 露天开采地压监测技术

在空区上方的台阶生产作业区，应进行地压监测，对空区顶板岩石应力情况即时预报。地压监测网的布置与露天台阶生产紧密结合，对空区上方的开采区实行重点监测。监测网的覆盖面要广，采取整体宏观监控与局部重点监测相结合，以固定点监测为主，临时点监测为辅。同时地压监测方法采用流动间断性监测与连续监测的方法进行。

不同矿段、不同时期的露天开采与空区处理过程中的台阶推进、穿孔、铲装、运输等施工应有相应的安全措施，同时制定应急预案。

3 三道庄露天矿应用实例

洛钼集团三道庄钼钨矿床钼矿地质储量达20亿t，位居亚洲第一，世界第三。该矿床自1960年代至2005年底前以地采为主，为合理利用资源，1990年代初，开始露天建设，2006年7月形成30000 t/d的露天生产规模。三道庄矿区经过30多年的地下开采，在露天开采境界内形成了大量的地下空区，共有空区面积120万m2，空区体积1200万m3。同时，地下所有的空区均未进行充填，空区形态不规则，大小、高低不一致，空区顶板连续暴露面积大，上下空区重叠交错，空区间隔层薄，甚至几层相互采透贯通，形态极其复杂。

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的存在严重影响了矿山的正常生产，经常出现空区垮塌，甚至有设备掉入井下等事故，给矿山施工的人员和设备带来了极大的安全威胁。

长沙矿山研究院与洛钼集团进行项目攻关，在大量技术分析与现场工业试验的基础上，通过试验组人员的共同努力和艰苦奋斗，使洛钼集团三道庄矿实现了露天开采与空区处理一体化。采用VB与CAD相结合的剖面图自动生成技术，建立空区剖面数据库，创新建立了差别抵抗线混合孔径深孔爆破、深孔钻探与三维激光扫描自动成图技术，形成了集探测、监测、开拓、采矿、铲装、运输、空区处理、安全预警为一体同步进行的强化开采技术系统，解决了露天开采与地下空区处理同步进行之间的矛盾。

从2006年至2009年底，三道庄露天矿共处理空区148次，处理空区面积40.9万m2，处理空区体积438.1 m3，共采出矿石 1136万 t，生产钼精矿23626 t，同时没有出现任何一起因空区而发生的人员伤亡和设备损失的事故。其中2006年共处理空区24次，处理空区面积5.3万m2，处理空区体积45.6万m3;2007年共处理空区38次，处理空区面积8.2万 m2，处理空区体积101.2万 m3，并成功进行了2次多层复合空区的处理;2008年的空区处理40次，面积12.7万 m2，处理空区体积132.7 万 m3，进行极复杂复合区(三层以上)处理4次，处理面积32000 m2，复合空区(二层空区)处理12次，处理面积41000 m2;2009年共进行空区处理46次，面积14.7 万 m2，处理空区体积158.6 万 m3。

事实证明，露天开采与空区处理一体化技术已成功应用于洛钼集团三道庄露天矿，该技术是安全可靠、切实可行的，其经济和社会效益也十分明显。

4 结论

国内外地下转露天开采的矿山均存在有大量的地下采空区，露天开采与空区处理一体化技术是类似矿山发展的主方向。实践证明，该技术是集探测、监测、开拓、采矿、铲装、运输、空区处理、安全预警为一体，依实施法、分期分段的强化开采集成技术系统，解决了露天开采与地下空区处理同步进行之间的矛盾，为国内外同类型矿山开采开创了新起点。进一步推广和使用该技术，必将产生巨大的经济效益和社会效益，从而对中国矿业的可持续发展起到重大作用。同时，应用实践发现，露天开采与空区处理一体化技术在以下几个方面还有待于进一步的研究和完善。

(1)地下空区情况复杂、地层复杂，露天台阶大多有较厚浮碴覆盖，如何提高物理探测法精度，从而用于指导生产，应加强技术攻关研究。

(2)露天强化开采与空区处理过程中，安全监测预警技术非常重要。目前多井下空区常用的监测手段为岩体声发射监测或微震监测，需要在现有的监测技术基础上，提高岩体监测对时间、空间的定位，准确预报各类岩体事件。

(3)为保证作业安全，满足空区顶板最小安全厚度要求，空区处理经常需要深孔爆破，炮孔深度一般为40～60 m。因此，应该进行深孔钻机与遥控钻机等装备的研发。

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2010－02－18)

高建敏(1965－)，男，河南洛阳人，工程师，主要从事于矿山采矿安全生产及管理。