某铁矿采空区治理与露天开采协同技术应用实践

李建华 刘俊龙 樊保龙 张 威 蒲加永 张亚群 张立华

(北方爆破科技有限公司)

随着国民经济的发展，我国逐渐成为矿产资源开发利用大国，由于资源赋存条件、采矿方法和开采规模等客观因素的限制，一些遗留下来的地下矿山空区治理问题逐渐显现。如何有效消除空区及其带来的影响已成为矿产资源整合企业在安全生产中面临和亟需解决的问题之一[1-2]。

空场采矿法是我国金属矿山应用最为广泛的一种采矿方法，要求矿石与围岩达到中等以上稳固，具有成本低、能力大、效率高等优点；但在开采工作结束后会在采场留下大量的矿柱与采空区[3]。伴随着矿房、巷道、硐室等地下工程周边的岩体松动变形，会出现塌方、冒落等情况，造成安全隐患，基于此，对露天开采范围内的地下采矿工程及空区进行详细的勘测，及时消除空区隐患，为露天开采提供一个相对安全的工作环境，具有重要的实际意义。

随着国家“十三·五”去产能工作的开展，矿产资源整合力度不断加大，河北省北部一矿山企业通过资源整合，将矿区内10余个地采矿井所形成的采空区进行了规划，采用露天开采与采空区治理相结合的方式进行一体化协同处理，消除空区隐患，保障安全生产的前提下实施露天采矿生产，以达到采空区治理与露天开采兼顾的目的。

1 工程概况

某矿企矿石为磁铁矿，密度为3.35 t/m3；脉石有透闪石、方解石等，密度为2.75 t/m3；采场台阶高度为12 m，设计采剥总量为1 000万t/a，采用φ150 mm潜孔钻机开采。该矿企空区多为之前的小规模民采空场法采矿形成，其地下有平巷、竖井、巷道、斜坡道、盲竖井、各水平进路矿体崩落形成的采空区等多种类型工程。矿井内部分工程如巷道、矿房等周边围岩在重力作用下有垮塌迹象，因铁矿石围岩具有强度高、稳定性好的特点，地下工程仍较稳定。据统计，已探明采空区面积约36万m2，体积约330万m3，最大空区高度为35 m。

2 采空区治理与露天开采技术思路

采空区治理与露天开采协同技术是采用超前勘测等技术手段对露天采矿生产下部的空区进行探测，并采取相应的防控措施，以形成探测、充填、强制崩落和地表采装运输为一体的协同开采生产组织模式，其核心技术为采空区勘测和顶板崩落。

采空区处理须考虑矿山地质赋存条件、采矿方法、空区形态、地压显现特征等因素，经论证分析后，有针对性地提出安全对策[4]。采空区处理方法分为“崩、充、撑、封”以及联合施工方法。以往空区治理采用自然塌落和顶板爆破崩落方式，勘测多为技术员凭感觉、经验判断及潜孔钻穿孔验证，缺乏必要的地下采矿资料及空区数据支撑。针对空区类型制定不同方案，建立地采资料收集汇编—采空区勘测—科技检测—资料分析反馈—采场实地放点—生产勘探6个程序化的采空区监测方案。在露天采矿生产中形成探测、监测、充填或崩落处理、采装、运输、安全预警为一体的协同技术方案，解决露天开采与地下采空区治理之间的矛盾，保障露天采矿生产的安全高效。

3 采空区治理与露天开采技术关键要素

采空区与露天开采一体化作业中，完善的安全规章及完备的采空区治理技术方案必不可少，特别是采空区上部的采矿生产作业须制定切实可行的安全技术管控措施，采空区治理与露天开采协同技术有几种情况须明确：

(1)采矿终了境界圈定应确认邻近露天边坡30 m 内无空区。

(2)对境界内的空区资料进行完整汇总和详细分析，聘请专业的测绘公司对空区类型及周界进行测绘。

(3)不同类型的空区应当制定并采取不同的治理方案，做到一个采空区对应一个方案。

(4)对于形状、大小不明空区，采用潜孔钻超前勘探。

4 采空区治理与露天开采协同技术应用

4.1 采空区资料收集

抽调涵盖地质、测量、采矿、安全等专业的技术力量，将露采境界范围内的地下采矿及民采项目资料进行汇总，建立完善采空区资料档案。

汇总采空区的实地测绘、科技勘测、生产勘探网格分析等相关的数据和地质资料，作为采空区治理依据，为空区治理及露天开采协同提供数据支持。

聘请测绘公司及科研机构对地下采矿工程及空区实地勘测，存留影像及实测空区周界坐标资料；进行地质编录，并对断层、破碎带随空区垮落形成的二次空区进行测绘和研判。生产勘探以实现对采空区顶板及周界控制为目的，对疑似采空区及空区资料不明确的部位采用潜孔钻机穿孔，布置一定的网格参数，重点是矿体部位的穿孔查勘，并对下部矿体形态及空区进行预测。某水平生产勘探参数见表1。

表1 某水平生产勘探参数

4.2 空区稳定性影响因素分析

采用有限元软件对采空区应力状态及稳定性进行计算分析，经测算，采空区帮壁、顶板与底板为拉应力集中区域，采空区帮壁与顶底板的交界处为压应力和剪应力集中部位；最大拉应力出现于采空区顶板中央处，最大压应力和最大剪应力出现于采空区边角处；顶板拉应力是导致空区失稳的重要原因[5]。将采矿设备与空区进行数值模拟分析，经测算，空区高度小于15 m，面积小于200 m2时，50～100 t设备在空区上方30 m运行，对空区稳定性影响不大；当地表设备质量超过100 t时，对空区稳定性影响较为明显。同时岩性与地质结构发生变化时，对空区顶板稳定性的影响程度会越大，在露天采矿生产中应予以重视。

4.3 采空区类型及处理方案

针对空区的不同类型，制定不同的处理方法和策略，空区类型及处理方案见表2。

表2 采空区类型及处理方案

4.4 采空区顶板爆破崩落技术的关键要素

治理较大的地下空区，如地下矿房和硐室，通常结合露天深孔台阶爆破同步进行。露天爆破要既满足设备采装要求，亦作为空区顶板崩落处理的有效手段，对于空区的周界定位尤为关键。在采用顶板崩落方法进行采空区治理时，总结出了一套关键技术及流程，见图1。

图1 采空区顶板崩落处理流程

精准探测采空区周界及顶板至地表距离，在地表对空区范围圈定放点，根据岩性、地质情况及空区规模进行数值模拟，校核顶板与地面的最小安全距离，以保证空区顶板一次崩落，区分2种情况，见表3。

表3 空区顶板至地表不同距离的爆破方式

在邻近采空区实施的精细爆破中，对穿孔精度提出了更高的要求，同时需要反复校核孔网参数及爆区规模，以保证爆破后空区顶板完全崩落。

4.5 采空区顶板崩落施工

某空区距地表11 m，穿孔设备为φ150 mm潜孔钻机，采用露天深孔台阶爆破实施顶板崩落，炮孔布置见图2，炮孔参数见表4。

采用毫秒延期爆破实施顶板崩落技术有3个关键方面：其一，采空区的周界的精准定位；其二，正常炮孔、邻近空区炮孔和空区上方崩落孔的穿孔精度；其三，充分利用单孔及爆区爆破漏斗效应，实现空区内部顶板及空区支撑围岩的完全崩落。

图2 炮孔布置示意

项目孔径/mm孔网参数/m孔深/m顶板上方崩落孔1504.5×48～9空区边界临近炮孔1504.5×414正常炮孔1505×414

5 应用效果

某矿企自2017年初实施采空区治理与露天开采协同技术以来，通过对空区精准勘测和采用顶板精细爆破等一系列技术方法，空区顶板得到有效破碎，2017年度处理空区约2.31万m3，2018年上半年处理空区1.02万m3，空区隐患得到有效控制，未出现一起因空区而导致的人员及设备损失。采空区治理同采矿生产实现了良好衔接，未出现因采空区而导致停工、停产，采掘计划兑现率由2016年的80%提高到2017年的90%，创造经济效益150余万元。

6 结 论

以治理露天矿下部空区为切入点，简述了采空区产生的原因以及常用的治理方法，并以某铁矿为例，对采空区治理与露天开采协同技术进行了阐述，露天矿山下部空区治理需进行详勘，研究治理方案，及时消除空区隐患，为露天矿山开采提供一个相对安全的工作环境；采用深孔台阶爆破技术对采空区顶板进行爆破崩落，总结了顶板崩落的技术要点，取得良好的经济效益、安全效益及社会效益，为类似工程提供借鉴。