金属非金属地下矿山采空区治理技术现状及发展趋势

刘海林 汪为平 何承尧 孙国权 肖益盖

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.浙江漓铁集团有限公司)

近年来，金属非金属地下矿山采空区塌陷引发的安全事故接连发生，造成了重大人员伤亡和财产损失，引起了国务院、国家及各地安全监管部门的高度重视及广大人民的高度关注。

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》统计，我国金属非金属地下矿山采空区总量大，分布范围广。据初步统计，至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)。

目前，采空区事故隐患治理存在突出问题：一是采空区为诱发重特大事故的重要因素，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；二是采空区事故隐患治理不及时，部分矿山企业忽视采空区治理，特别是历史遗留采空区得不到及时处理；三是中小型矿山采空区管理不到位，专业技术力量薄弱，不按设计施工或无设计施工，矿柱留设不规范，造成采空区重叠、交错现象比较普遍，严重威胁矿山安全生产；四是采空区安全问题已经成为影响一些地方经济发展和社会和谐的重要因素[1]。

2001年7月17日广西南丹因采空区透水引发特别重大突水事故，死亡81人。2005年12月26日，河南安阳都里铁矿因采空区突发大面积塌陷，造成8人坠落、3人失踪。2005年河北邢台“11·6”特别重大采空区坍塌事故死亡37人。2008年8月11日龙桥镇龙潭冲铜矿发生一起采空区坍塌事故，导致3人死亡、2人下落不明。2015年山东平邑县万庄石膏矿区“12·25”采空区坍塌事故造成1人死亡、13人下落不明。

可见，加强采空区的治理及监管工作对于防止采空区安全事故的发生，保证矿山安全生产和人民群众生命财产安全极其重要，而研究采空区治理技术将发挥至关重要的作用。

1 金属非金属地下矿山采空区特点

金属非金属地下矿山采空区具有隐蔽性强、规整性差、空间分布规律性差、空间形态变化大、顶板冒落塌陷情况难以预测等特点。不同矿种、不同开采方法形成的采空区形态和特点各异。如山东、安徽、湖南、江苏等地区的石膏矿为层状矿体，采用房柱法开采，形成采空区面积巨大，石膏矿围岩较软，遇水膨胀，采空区容易发生冒落，引发地表塌陷。安徽、河南、广东地区的方解石矿为厚大矿体，采用房柱法开采，形成的采空区高度大、体积大，围岩为脆性硬岩，容易发生突然失稳。山东、广东、安徽、云南等地区厚大铁矿、铅锌矿、铜矿等采用VCR采矿方法嗣后充填采空区，开采过程中形成的采空区高度和围岩暴露面积巨大，往往在充填前上盘和顶板会发生局部冒落或岩移。江西、湖南、安徽、海南等地采用空场法开采的脉状钨矿、金矿、铜矿等形成的采空区为条带状，高度较大，形态极不规则，容易发生冒落和岩移。

采空区发生冒落或塌陷灾害，具有以下几个特点：① 巨大的破坏性，大型采空区冒落通常伴随着巨大的冲击气浪和冲击波，造成井下人员伤亡、巷道和设备破坏，同时引起地表的塌陷，破坏植被、农田水利设施及生态环境，更严重时造成地表构建筑物陷落，人员伤亡；② 突发性和难预测性，地下采空区灾害很难预测，其围岩一般为脆性硬岩，在破坏失稳前没有明显的宏观前兆，冒落和塌陷往往在一瞬间或极短时间内完成，人员很难提前撤离或采取相应的应对措施；③ 诱发其他灾害性，采空区冒落时容易诱发其他的井下灾害，采空区冒落后引起地应力重新分布，容易造成周边区域应力升高，诱发井巷和采场变形冒顶，采空区冒落而贯通上覆岩层，形成地下水或地表水的流动通道，容易诱发透水淹井事故。

2 采空区治理技术体系

采空区的安全有效治理需要相应的技术体系来支撑。通过多年多处采空区治理工程的设计及施工总结，形成了“测、绘、诊、治”技术体系。“测”即对采空区进行全面调查和测量，主要包括物探、钻探和激光扫描测量等；“绘”即对采空区探测、测量的结果进行精确绘制，实现采空区的三维可视化；“诊” 即根据采空区的测量结果及其所处的外部环境等因素对其稳定性进行分析诊断；“治”即综合分析并确定采空区治理方案或选择综合利用方案。

2.1 采空区“测”和“绘”技术

采空区属于地下空洞，整体可见性差，为了确保治理方案的可行性和可靠性，采空区治理前必须要勘察清楚，明确处置对象的各项参数。

采空区勘察有地球物理勘察(物探)及精确探测。对于不明采空区的勘察常采用物探方法，主要手段有高密度电法、瞬变电磁法、地质雷达法、微重力法、地震法、大地电磁法等。物探完成后采用钻探对采空区的位置进行核实确认。崔晓荣等[2]在处理大宝山矿采空区时，通过物探和钻探手段进行多层次、多手段的采空区综合探测分析，即通过综合物探锁定空区范围，工程钻探核实空区位置，三维扫描探明空区参数，确保不漏探采空区，并探明复杂采空区和盲空区，为后续崩落爆破处理奠定了基础。李耀华等[3]以瞬变电磁法为主对沙午铁路沿线及周围进行勘查, 采用电阻率测深加强铁路沿线勘探, 查明了某铁矿采空区的分布位置、范围以及空间特征等, 提高了准确性, 取得了良好效果。物探方法探测绘制的采空区见图1。

图1 物探方法探测绘制的采空区示意

对于可知采空区，常用三维激光扫描法探测，如加拿大的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，这些探测系统工作原理基本一致。通过对探测数据的处理，可以将采空区真实的三维空间形态建立模型，实现立体展示。刘晓明等[4]在铜坑矿、高峰矿业公司、冬瓜山铜矿、安庆铜矿、柿竹园多金属矿等相继开展了基于CMS探测的采空区三维模型构建、露天塌陷坑准确探测、采场周边超欠挖量计算以及基于空区实测的采矿贫损测定、复杂边界矿柱回采Surpac爆破设计、采空区稳定性数值模拟分析等相关衍生技术的研究与应用, 取得了良好的实际应用效果。张新光等[5]运用空区激光自动扫描系统(CALS)对三道庄钼矿区以前地采留下的采空区进行了详细、系统地探测, 基本查明了采空区的分布、大小和贯通关系, 为该矿由地下生产转入露天开采的空区处理提供了相对可靠的决策依据。3D扫描法绘制的采空区见图2。

图2 3D扫描绘制的采空区示意

2.2 采空区“诊”和“治”技术

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)、实验室相似模拟(平面相似模拟、三维相似模拟)、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)、现场监测与工程类比法等[6-7]。常用的现场监测手段有位移监测、应力监测、声发射监测、微地震监测等[8]。某矿山采空区暴露面积与点柱尺寸的关系理论计算见图3。某矿山多中段采空区稳定性分析相似模拟实验见图4。某矿山房柱法开采采空区跨度稳定性数值模拟见图5。某充填法开采矿山采空区稳定性监测数据见图6。

图3 理论分析法计算采空区暴露面积

图4 采空区稳定性相似模拟实验

图5 采空区稳定性数值模拟

图6 采空区稳定性监测数据

采空区治理方法受多种因素影响。从大的方面来讲，采空区治理方法主要有崩、充、封、撑和联合方法几类[9-10]。

崩落法处理采空区，通过爆破方式崩落采空区围岩，可直接将围岩崩落至地表，彻底消除采空区，也可崩落部分围岩充填采空区，形成缓冲岩石垫层，使采空区与下部生产区隔离，防止围岩突然大面积塌落时产生的岩石冲击、地震波和气浪(又称空气冲击波)对生产区作业人员和设施的危害。

充填法处理采空区，采用碎石、尾砂、水砂、混凝土等充填料充填采空区，控制地压活动。充填法治理采空区适用范围广，特别对地表构建筑物及矿区生态环境的保护等具有较好的作用。

支撑法处理采空区，留下永久矿柱或构筑人工矿柱支撑采空区的顶板。支撑法处理顶板坚硬稳固的采空区时,只能暂时维持空场稳定,除非采出率极低,并不能最终消除顶板冲击地压,而且人工矿柱支撑较昂贵,损失大量资源。

封闭法处理采空区，采用密闭墙、隔离栅栏、阻波墙等设施封闭采空区通道，防止采空区冒落时产生的巨大冲击波对井下环境和工人的破坏作用。封闭法通常用来处理分析稳定的小型采空区，封闭的同时采用地压监测仪器对采空区进行稳定性监测。

联合法是在一个矿区内针对不同风险程度的采空区联合多种方法处理。这种方式可以使用最经济的手段达到消除采空区安全隐患的目的。

3 采空区治理技术体系的应用

3.1 封闭法+崩落法

某石膏矿为近水平层状矿体，采用房柱法开采，矿房宽6 m，矿柱宽6 m，高8～12 m，形成面积约50万m2的采空区群。采空区对地表和井下构成了重大安全隐患。

首先，采用CMS空区探测系统对矿山采空区进行实测，并利用矿业软件建立采空区三维模型。其次，对采空区稳定性进行分析，根据采空区稳定性分析结果将采空区分成若干片区。稳定区域的采空区采用封闭方式处理，不稳定区域的采空区采用崩落顶板方式处理。

对于稳定区域的采空区，封闭方式有2种，一种采用混凝土密闭采空区通道，另一种采用中深孔崩落的废渣封堵通道，均在通道封闭处设置警示标识。

对于不稳定区域的采空区，由于采空区面积大，采用分区、分次爆破崩落方案。设计施工3排深孔崩落采空区顶板，诱导上覆岩层冒落。为了掌握采空区崩落期间的区块地压变化，确保施工安全，在采空区崩落区周边安装顶板下沉、矿柱应力、微震监测系统，同时安装高清视频监控对采空区进行观测。

第一期崩落的采空区埋深约100 m，面积约8 000 m2。崩落区采用水平扇形深孔，非电毫秒雷管微差爆破方案，每排水平深孔量约1 200 m,最大深孔68 m,第一排炮孔覆盖采空区面积6 100 m2，控制厚度3.7 m，实际总装药量约15 000 kg，一次崩落矿岩量约52 000 t。爆破工程实施22 d后，采空区对应的地表发生了沉降，形成一个以爆区为中心的沉降盆地，沉降面积约12 000 m2，中心最大沉降深度约1.8 m。该处采空区的崩落处理仅爆破一排深孔即达到了诱导采空区上覆岩层冒落的设计预期。第一期崩落区实测采空区模型(实体部分)见图7，水平深孔炮孔布置平面见图8，水平深孔炮孔布置剖面见图9。

图7 采空区实测模型平面

图8 水平深孔炮孔布置平面

3.2 支撑法+充填法

某硅灰石矿山为缓倾斜层状矿体，采用全面法开采，采空区内留设大小不一的点柱，矿柱边线均为弧形，个别矿柱顶底大、中间小，间距为2～23 m，直径为1～38 m，采空区高4～8 m，形成约7万m2的采空区群[11]。

图9 设计水平深孔炮孔布置剖面

首先，采用激光3D扫描系统对矿山所有采空区进行三维实测，并建立三维模型，部分采场立体模型见图10。其次，对采空区进行稳定性分析，将采空区分区、分类。对于不稳定的采空区，采用充填法处理；对于欠稳定的采空区，采用增设人工矿柱和在原点柱周边施工加固矿柱的方式进行处理(图11)。

图10 实测全面法采空区模型

图11 人工矿柱支撑采空区示意

采用废渣干式充填，充填前在采空区下部水平所有入口砌筑挡墙，挡墙底部预留泄水孔。井下废渣采用汽车运输至采空区附近，采空区内废渣采用皮带运输，自下而上、台阶后退式、自内往外进行充填，直到充填至顶板，采用注浆接顶。

支撑法+充填法处理采空区，既达到了治理采空区的目的，又节省了治理成本。

3.3 封闭法+监测法

某方解石矿区经多家矿山数十年开采，采空区总体规模达到350万m3。采空区赋存标高为+180～+500 m， 7～8个中段，中段高度约30 m，开采高度约18 m，矿体倾角约80°，矿体真厚度为90～100 m，采用房柱法开采[12]。

首先，采用CMS空区探测系统对矿山采空区进行三维精确探测，并建立采空区空间模型。通过查询，该矿区单空区最大暴露面积约2 500 m2，单空区最大高度为20 m左右。相邻矿山间采空区隔离矿柱规整性差，且普遍偏小。上下中段的矿柱对应关系差，且很不规整。矿区采空区三维立体模型见图12。

图12 矿区采空区三维立体模型

该矿区的采空区具有总体规模大、暴露面积大、连通性良好、采空区相互影响复杂等特点。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对采空区的稳定性进行了分析模拟，认为采空区在没有采矿爆破等较大扰动的情况下是稳定性的。由于受环境保护和无充填料来源等条件的限制，经过研究和实践，该矿区可行和可靠的采空区治理方法为栅栏和齿形阻波墙联合封闭，多点位移计和钻孔应力计在线监测的方案。采空区封闭方式见图13，采空区在线监测系统见图14。

3.4 封闭法+充填法

某金矿体为一缓倾斜脉状体，走向近南北，倾向东，倾角为7°～18°。矿体长370 m，延伸30～230 m，呈参差不齐锯齿状尖灭，脉幅为0.8～4.13 m，平均厚2.26 m，赋存标高为+5～-120 m。采用斜井开拓，布置有-25 m和-45 m 2个水平，经过多年房柱法开采形成面积约2.2万m2采空区[13-14]。

图13 采空区封闭方式示意

图14 矿区采空区稳定性监测系统

通过查阅矿山前期开采资料和现场调研，对可以测量的采空区进行三维精确探测，建立了采空区三维模型(图15)。根据采空区的测量结果，从单空区规模、采空区密集程度、埋藏深度、上覆岩层及围岩性质、采空区地压显现、采空区塌陷可能性及与井下作业现场关系等方面对采空区危害程度进行了评估，得出矿山采空区稳定性一般，危害程度为中等。但该矿区地表不允许塌陷，为了防止采空区冒落对井下产生危害，并预防地表塌陷，确定对井下边角小型采空区进行封闭处理，对主体采空区采用尾砂胶结充填法处理。

图15 部分采空区三维立体模型

为了顺利完成采空区充填工作，同时本着节约成本的原则，在地表建设一个简易可移动式充填站，充填站充填能力约30 m3/h，制备的料浆质量浓度约70%，充填料灰砂比为1∶12。充填料浆制备与输送示意见图16。

图16 充填料浆制备与输送示意

由于采空区的贯通性良好，充填前将采空区划分为5个单元，依次砌筑充填挡墙。充填管道沿斜井敷设至采空区顶部，采用间隔分层充填方式，最后采用泵送充填料接顶。通过充填处理主体采空区，消除了矿山采空区安全隐患。

4 采空区治理的发展趋势

4.1 采空区的治理技术研究方向

经过多年的研究和实践，我国在金属非金属地下矿山采空区治理方面取得了丰硕的理论和实践成果，但在不明采空区的精确探测、超大型采空区稳定性控制技术、采空区稳定性监测仪器研发、老采空区的地表充填治理工艺、采空区治理质量检测和质量控制理论和技术、采空区治理技术规范和标准等多方面仍有很大的探索拓展空间[15]。

(1)目前采空区物探需要2种及以上的方法进行验证探测，物探探测精度有待提高。未来应加强采空区的物理特性探测等方面的研究，加强物探新方法和新技术的研究，提高探测不明采空区空间位置和形态的准确度。

(2)金属非金属大型地下矿山采场已发展到超大型阶段，一次形成单个采空区的体积达到10万m3以上。未来应深入研究和掌握超大型采空区的失稳触发机制、围岩破坏规律以及稳定性控制技术。

(3)随着新技术、新材料的出现，加强对矿岩体物理力学特性研究，充分发挥其优越特性，开发新型地压传感器，提高地压监测灵敏度、精度和可靠性，同时充分利用通信技术的进步，实现地压监测数据传输的可靠性和连续性。同时在应逐步建立和完善地压监测安全预警理论体系和安全预警阀值标准。

(4)目前历史遗留的老采空区常用治理方法是地表注浆和充填，盲目性较大，治理效果难以控制，尤其是采空区充水或多中段开采形成的采空区，充填治理难度最大，控制不当容易造成充填治理工程的巨大浪费。因此，对历史遗留老采空区，尤其是充水采空区和多中段采空区的充填和注浆治理理论，需要进一步研究和探索。

(5)目前我国金属非金属地下矿山采空区稳定性分级、治理方法、治理效果监测等技术内容尚无通用的标准和规范。未来相关部门和机构应尽早谋划，加强合作，为制定采空区治理和检测的相关技术标准和规范做技术积累和储备。

4.2 采空区的功能化利用

伴随着科学技术的进步和人类认识事物思维的转变，许多新的理念引入到了矿山领域。金属非金属矿山采空区治理的目的由消除安全隐患向功能化利用方向发展。采空区为矿山开采形成的废弃空间，如在其形成前期先行设计或形成后加以改造，均可以作为地下工程进行使用。这样采空区既不存在安全隐患又产生了使用价值，因此，实现采空区的综合利用可以作为未来采空区治理发展方向[16]。

(1)采空区可以作为矿山自身的资源，实现多功能化利用，如矿山产品的深加工、上下游扩展等。在矿山设计期间将矿山选厂或洗矿车间设计建设在地下，规划形成稳定的采空区地下空间，既减少了地表的环境污染和噪声污染，又可大量节约矿山的提升、运输成本。

(2)废弃采空区可以作为矿山废弃物存储空间，如改造为大型硐室、水仓、废石仓、尾矿库等。尾矿排放一般都堆排在尾矿库，尾矿库的建设会带来资源、环境、安全和土地等诸多问题，通过对矿山废弃的采空区进行论证和改造，成为矿山废弃物的存储空间，既可以消除隐患，又可以实现矿山可持续发展和绿色发展。

(3)废弃采空区可以作为地下功能空间，如仓储、冷库、地下实验室、人防设施等。不同矿山采用的开拓方式不同，采空区的赋存条件也不同。有的矿山采用斜坡道开拓，有的采用平硐开拓，有的采用竖井开拓；采空区有的体积大，有的体积小，有的埋藏浅，有的埋藏深等，因此，不同采空区利用要具体分析。对于采用斜坡道和平硐开采形成的采空区，车辆人员进出方便，可以考虑改造成为地下仓储空间和冷库(温度恒定)，也可以改造作为处理放射性废料的地下实验室(需要研究采空区稳定性以及采空区与地表生物圈隔离的措施等)[17]；靠近城市的小型采空区通过技术改造符合防空洞建设标准的，可以作为人防设施；利用竖井开拓形成的采空区，可以建设石油储备库，采空区不仅储备库容大，建设周期短，投资小，还具有安全、环保等优点[18]，通过技术手段对采空区进行稳定性加固和密封性处理以达到石油储备条件，即可实现废弃采空区油气储备功能化。

5 结 语

通过分析我国金属非金属地下矿山采空区探测、稳定性分析和治理技术现状，提出“测、绘、诊、治”技术体系，并在多家矿山采空区治理中应用，有效消除采空区安全隐患，对于类似矿山的采空区治理具有借鉴意义。

尽管在金属非金属矿山采空区治理的研究方面取得了一定的成果，但由于采空区灾害问题的复杂性，仍需在采空区的物理特性、不明采空区精确物探技术、超大型采空区空间结构与稳定性控制技术、采空区区域应力和围岩变形空间演化规律与致灾机制、采空区稳定性监测新型传感器和综合预警体系、采空区治理和检测的标准规范等方面进一步探索和研究。

矿山采空区综合利用揭示了我国金属非金属矿山采空区处理的发展趋势。化安全隐患为功能空间，低价值矿床开发在设计初期可以预设采空区功能，现存废弃采空区治理可以通过稳定性论证、技术改造等一系列手段实现其功能化利用。采空区在未来既可以成为存储废弃物的地下空间，也可以成为重要的国防、工业和民用地下设施工程。变废为宝是对矿产资源合理综合利用的最好方式，相信随着技术、材料、设备的不断发展和进步，地下矿山采空区会被赋予更多的积极作用和有益功能。