洛钼露天矿复杂采空区治理一体化技术应用

王春毅 彭府华

(1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司，河南 洛阳 471500；2.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南 长沙 410012)

洛钼露天矿复杂采空区治理一体化技术应用

王春毅1彭府华2,3

(1.洛阳栾川钼业集团股份有限公司，河南 洛阳 471500；2.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南 长沙 410012)

介绍了洛钼露天矿采空区探测、采空区稳定性监测和采空区处理一体化技术。洛钼露天矿采用高密度电法和地震映象法对采空区位置进行初探，再利用钻孔探测和三维激光探测方法对采空区赋存形态进行精确探测。利用微震监测技术对采空区稳定性进行全天候、实时和立体监测，在对矿山采区岩体稳定性微震量化评估、爆破震动对采空区稳定性影响和采空区治理前后稳定性监测等方面取得了很好的应用效果。采用碎石充填和控制爆破技术对不同采空区进行处理，并根据采空区的赋存特点和处理的难易程度，对采空区进行分类一次处理或分次处理。洛钼露天矿采用该一体化技术已经成功治理了大量采空区，保障了矿山的安全生产，对矿山的可持续发展有着重要的意义，对国内外相似矿山有重要的参考价值。

复杂采空区 空区探测 微震监测 采空区处理

由采空区诱发的金属矿山安全事故频频发生，比如:1980年6月3日，湖北省盐池河磷矿发生山崩，导致284人死亡；1996年7月1日，湖南省涟源市青山硫铁矿由于采空区顶板大规模冒落，导致矿山被迫关闭；1997年，甘肃省厂坝铅锌矿发生露天坑大面积塌陷，导致钻机设备塌入采空区；2001年7月17日，广西省拉甲坡锡矿和龙山锡矿因老采空区积水涌入工作面，导致81人死亡；2009年6月5日，重庆武隆鸡尾山铁矿因采空区失稳诱发山体崩塌，造成74人死亡。据不完全统计，因采空区诱发的矿山安全事故导致的人身伤亡事故占全部伤亡事故的40%以上[1-4]。

我国很多金属矿山的采空区问题往往是由前期开采秩序混乱，加上采空区处理滞后等因素引起的。为此，国内外专家学者在采空区探测技术、采空区安全评价、采空区监测和采空区处理等方面做了大量的研究工作[5]。洛钼露天矿受前期无序开采的影响，在露天开采境界下方存在大量复杂危险采空区，严重影响了矿山的安全生产。洛钼露天矿经过多年的研究和现场应用，总结出了一套适合自身矿山采空区处理的一体化技术，并且在实际应用中取得了很好的效果。

1 工程背景

洛钼露天矿是我国特大型钼钨生产基地，钼钨地质储量位居世界第三。矿山从上世纪60年代末开始开采，开采初期一直采用地下开采方式，2002年后转露天开采。矿区经过30多年的地下混乱无序开采，在露天台阶下方形成了大量的地下复杂多重采空区，根据现有资料判断，共有空区面积约120万m2，体积1 800万m3。采空区的存在给人员和设备的安全带来严重的威胁，严重影响了矿山的正常生产，在以往的历史开采过程中，发生过数起台阶塌陷事故，造成钻机掉入采空区。根据采空区的分布特点，采用分区分期的方式进行生产和空区处理，将露天矿分成A、B、C、D、E、F采区，其中D区是采空区密集区域，采空区分布范围广，空区规模大，采空区塌陷影响范围大，破坏性大，2011年D区被定为重大危险源。

根据现有空区资料及钻孔探测情况分析，D区目前主要空区有1376、1350、1340、1317及1280深部大空区，图1是D区采空区典型剖面图。各空区相互重叠，空区之间隔层厚度小，且有采透现象，空间之间结构力学体系极其复杂，为极复杂的高危空区，表1是D区采空区赋存特征[6]。

图1 D区采空区典型剖面图

空区水平空区大小空区描述1376高度6～10m，跨度16～40m。单层独立空区1350与1340复合空区高度8～16m，跨度25～30m。双层复合空区，空区面积广，矿柱少，暴露面积大。1317高度8～15m，跨度20～30m。1317空区覆盖在深部1280复合空区上方，并与1300复合空区相透。1280深部空区高度130m，跨度20～40m。复合高危空区，狭长分布，采高高，规模大。

2 采空区探测技术应用

采空区探测技术按采用的技术手段不同，大体可以分为地球物理探测法和工程钻孔探测法。近年来国内外学者对地球物理探测方法的研究做了大量的工作，主要有常规电法、浅层地震法、微重力法、探地雷达、瞬变电磁法、高密度电法、激光探测法等[6-7]。由于洛钼露天矿地下采空区极为复杂，单一的探测手段很难满足空区处理和生产的要求。针对三道庄矿区井下空区的复杂性，并结合露天生产实际，分2步骤进行空区探测，即第1步采用地球物理探测法对采空区的位置和埋藏深度进行初探；第2步采用钻孔探测和三维激光探测方法，对采空区的顶板厚度、空区高度、空区跨度和空区面积等形态特征进行精确探测。

(1)空区初探。空区初探是指采用地球物理探测法对采空区的位置和埋藏深度进行初步探测。针对矿山的采空区分布与地形地质情况，采用高密度电法和地震映象法。这2种方法施工简单，成本低，并且探测精度能够满足采空区初探要求。

(2)空区形态精确探测。空区形态精确探测是指采用钻孔探测和三维激光探测法对采空区形态特征进行精确探测。具体是在露天台阶上按一定的网度，利用工程钻孔将采空区钻透，再将激光探头通过穿透空区的钻孔下至采空区，然后进行全方位扫描，由此获得采空区顶板厚度、空区高度、空区跨度和空区面积等形态参数。图2为采空区形态精确探测示意图。

图2 采空区形态精确探测示意

洛钼露天矿从2006年开始采用该技术，截止到2013年，共探测空区面积超过45万m2，为采空区处理和安全生产提供了宝贵的资料，保证了矿山生产的安全和有序进行。

3 采空区稳定性微震监测技术应用

微震监测技术是指利用微震仪器对地下工程岩体因受力产生破裂而释放的应力波进行测试和分析的技术。微震监测技术经过几十年的发展，技术上日趋成熟，特别是近些年来，随着仪器设备的发展，多通道微震监测技术在全球推广迅速，被广泛地应用于各个方面，如在矿震与岩爆监测、采空区监测、岩移监测、崩落范围监测、高应力区与应力重分布监测、爆破及其余震监测和安全救助与预警等。微震监测技术已经成为岩体工程地质灾害监测和预警最为先进的技术手段[7-8]。

针对洛钼露天矿D区采空区赋存特征，建立了一套48通道的全数字型微震监测系统。该系统由地表露天台阶3台和地下5台数据采集仪组成，传感器形成一个空间立体分布网站，实现了对D区岩体稳定性的全天候、实时和立体监测，系统结构如图3所示。系统建立后，在对采区岩体稳定性微震量化评估、爆破震动对采空区稳定性影响和采空区治理前后稳定性监测等方面取得了很好的应用效果[9-10]。

3.1 采区岩体稳定性微震量化分析[11]

(1)岩体破裂微震定位事件量化分析。岩体破裂定位事件是指同时被多个传感器触发并计算出震源位置的事件，定位事件的能量相对比较大，因此，定位事件的活跃程度反映监测区域是否有大规模的地压活动。岩体破裂微震定位事件量化分析可以通过对定位事件的空间分布、随时间序列、能量、地震矩、视应力等指标的变化情况来反映岩体的稳定性。

(2)岩体破裂非定位事件量化分析。岩体破裂非定位事件是指同时触发的传感器较少，不能计算出震源位置的事件。对非定位事件结果的分析是评价岩体稳定性的重要指标之一，特别是对监测区域岩体长期稳定性更具有指导性意义。事件水平的高低直接反映传感器监测区域内岩体破裂活跃程度。根据岩石破裂相关理论和长期的微震监测经验给出洛钼露天矿基于非定位事件的岩体破裂地压灾害预警值，当监测到的非定位事件水平超过预警值时，表明该区域发生岩体破裂地压灾害的可能性较大。

3.2 爆破震动对采空区稳定性影响

爆破产生震动可能损坏临近岩体结构，对采空区稳定性造成影响。爆破震动对岩体破坏的可能性与峰值质点震动速度PPV值有关。一般而言，爆破产生的PPV值越大，其诱发岩体破坏的可能性也越大，因此国内外对主要的建筑及重要结构都规定了最大爆破PPV承受值[12-13]。采空区是一个不稳定结构体，爆破震动极易诱发采空区岩体破坏，因此应该严格控制爆破对采空区爆破震动影响，限制其最大PPV值。图4为微震监测系统监测定位到的爆破事件。

图4 爆破事件监测图

图5是爆破事件震动诱发PPV值云图，PPV值云图表示从外围较小值到内部较大值变化过程，外围区域表示低震动影响区域，近中心区域表示爆破诱导高震动影响区域。因此可以根据PPV值结果，对爆破震动对采空区稳定性影响进行量化分析。

3.3 采空区爆破处理前后稳定性监测

洛钼露天矿采用爆破的方式对大部分采空区进行处理，爆破处理过程需要在采空区顶板上方进行钻孔和装药连线等必要的作业，这就需要实时监测采空区顶板的稳定性，保证施工的安全进行。爆破处理后采空区原有的结构受到破坏，必然会有一个应力调整和重分布的过程，这个过程往往也有可能诱发岩体破裂地压灾害。因此，对采空区爆破处理前后稳定性监测就显得尤为重要。

以1350空区处理为例，针对1350空区特点，在保证采空区顶板至台阶顶面厚度不小于最小安全厚度的前提下，利用台阶坡面为自由面，用中深孔爆破处理采空区。1350空区第1次处理区域为横9～13线，纵ⅩⅧ～ⅩⅨ线之间，穿孔台阶为1390水平与1378、1366水平。穿孔区总面积11 621 m2。第2次爆破处理区域为横7～9线，纵ⅩⅧ～ⅩⅨ线之间，穿孔台阶为1390水平、1366水平与1354水平，爆破区总面积9 275 m2。采空区处理位置与D区传感器位置关系如图6所示。

图5 爆破震动PPV值分布云图

图6 采空区处理区域与传感器位置关系图

1350空区2次处理时间分别为2013年5月16日和2013年7月4日，图7为微震系统实时监测图。从图7可以看出，爆破后，微震事件开始密集增加，这段微震事件密集时间在爆破后2 h内，说明爆破后2 h内是岩体破裂活跃期。

图7 采空区爆破处理微震实时监测图

距离1350空区处理区域相对较近的为地表d-6传感器，图8是爆破处理前后d-6传感器微震事件变化趋势图，可以看出，爆破前微震事件水平很低且变化很小，爆破当天微震事件突然增加，并到超过预警值，之后开始逐渐下降并恢复到相对平稳水平。

图8 1350空区处理附近传感器微震事件变化趋势

4 采空区处理技术

4.1 采空区碎石充填技术

由于D区采空区密集，地下空区分布范围广，特别是深部采空区规模大，采空区塌陷影响范围大，破坏性大。因此对采空区规模较大的复合采空区采用以地表碎石充填的治理方案。

(1)地表钻孔布置及施工。根据采空区的分布特征在长轴和短轴2个方向布置钻孔，钻孔间距离15 m，孔径φ250～350 mm。充填钻孔先施工φ140mm的导向孔至空区，然后在换大钻头，扩成孔径φ250～350 mm的大孔，同时要求全孔内全部套不锈钢管。当中间遇到空区时，穿透上层空区后继续往下钻，直至穿透需要充填的下层空区为止。典型钻孔布置及充填示意见图9。

图9 典型钻孔布置及充填示意

(2)碎石充填。由铲车将碎石倒入下料漏斗，碎石由漏斗进入充填钻孔，下到空区内。下料漏斗安放在钻孔口上方，漏斗顶部安装格筛，防止大块进行钻孔，漏斗底部安装小型圆盘给料机，实现碎石的均匀下料。钻孔充填接顶后，往钻孔内注入一定量的水泥砂浆，使松散碎石堆形成一个整体，成为具有一定承压能力的人工矿柱。地表碎石充填现场见图10。

图10 地表碎石充填现场

4.2 采空区控制爆破技术

根据采空区的赋存特点和处理的难易程度，将采空区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。其中第I类为简单容易处理的单层采空区，第Ⅱ类为复杂难处理的复合采空区，第Ⅲ类为极复杂极难处理采空区多层复合采空区。对于第I类采空区采用中深孔爆破一次处理，对于第Ⅱ类和第Ⅲ类采空区采用深孔爆破一次处理，或者先处理上层采空区，再处理下层空区的分次处理方案[14]。

(1)单层采空区处理。针对第Ⅰ类简单容易处理的单层采空区，在保证采空区顶板距离台阶面厚度大于最小安全厚度的前提下，在台阶面上向下布置中深孔，利用台阶坡面为爆破自由面一次爆破处理采空区，如图11所示。

图11 单层采空区爆破处理炮孔布置示意

(2)多层复合采空区一次处理。针对一些多层复合采空区可以采用爆破一次处理，在保证采空区顶板距离台阶面厚度大于最小安全厚度的前提下，在台阶上布置深孔一次崩落处理多层采空区。爆破时通常采用台阶坡面作为爆破的自由面，同时还可以在爆区内选择空区顶板厚度较小、规模较大的位置，以下部空区为自由面，采用VCR法孔内微差分段爆破形成拉槽，然后再以该拉槽作为自由面进行深孔爆破，一次处理多层复合采空区，如图12所示。

图12 多层复合采空区一次处理炮孔布置示意

(3)多层复合采空区分次处理。针对一些极复杂多层复合采空区，爆破一次处理往往不能满足实际要求，此时可以采用先处理上层空区，再处理下层空区的分次处理方案。在保证采空区顶板距离台阶面厚度大于最小安全厚度的前提下，在台阶上布置中深孔，利用台阶坡面作为自由面爆破处理上层采空区。对于下层采空区，采用边铲装边探测，再进行处理的方式。处理下层空区时，先由上层采空区爆破区域周边向中央小步距铲装，再按一定的网度布置钻孔探测下层采空区。当下层采空区顶板厚度大于最小安全厚度时，在台阶面上布置炮孔，利用台阶坡面作为自由面爆破处理下层空区，如图13所示。当下层采空区顶板厚度小于最小安全厚度时，应立即停止向中央铲装，此时，应在该空区周围布置消弱工程，诱使其自然冒落。

图13 多层复合采空区分次处理炮孔布置示意

5 结 语

洛钼露天矿是典型的地下转露天开采矿山，受前期地下无序开采的影响，在露天开采境界下方存在大量复杂危险采空区，严重影响了矿山的安全生产。近年来，通过不断的研究和现场应用摸索，总结出了一套适合该矿山的采空区探测、采空区稳定性微震监测和采空区处理的一体化技术。矿山利用该技术已成功治理空区超过500万m3，保障了生产的安全有序进行，取得了很好的经济效益，在采空区治理领域有较好的推广价值。

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(责任编辑 石海林)

Application of Integration Technology in Handling Complex Mined-out Area in Luomu Open-pit Mine

Wang Chunyi1Peng Fuhua2,3

(1.ChinaMolybdenumGroupCo.，Ltd.，Luoyang471500，China；2.ChangshaInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Changsha410012，China；3.NationalEngineeringResearchCenterforMetalMining，Changsha410012，China)

The integration of detection，stability monitoring and handling technology of mined-out area in Luomu open-pit mine are introduced.The high-density electrical and seismic imaging method are used to preliminarily detect the position of gobs，and then the drilling exploration and three-dimensional laser detection methods are adopted to detect the accurate characteristics of gobs.Microseismic technology is used for all-day，three-dimensional and real-time monitoring on the gob stability.It makes a very good application effect on the stability quantitative analysis，the influence of blasting vibration to the gobs and the stability monitoring in the processing of handling gobs.The gravel filling and controlled blasting technology is adopted to treat different gobs.According to characteristics of mined-out areas and the difficulty in gob handing，gobs are treated once or several times to finish the handling.With the use of this integrated technology，a large number of gobs in Luomu open-pit mine have been successfully treated.It ensures the safety production，and has vital significance for the sustainable development of mine.Moreover，it has important reference value to the similar mine at home and abroad.

Complex mined-out area，Detection of gob，Microseismic monitoring，Handling of gob

2015-03-04

国家科技部科研院所技术开发研究专项(编号：2013EG215024)。

王春毅(1967—)，男，高级工程师。

TD853.391

A

1001-1250(2015)-05-066-05