金屬非金屬地下礦山采空區治理技術現狀及發展趨勢

劉海林 汪為平 何承堯 孫國權 肖益蓋

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.浙江漓鐵集團有限公司)

近年來，金屬非金屬地下礦山采空區塌陷引發的安全事故接連發生，造成了重大人員傷亡和財產損失，引起了國務院、國家及各地安全監管部門的高度重視及廣大人民的高度關注。

據國務院安委會辦公室下發的《金屬非金屬地下礦山采空區事故隱患治理工作方案》統計，我國金屬非金屬地下礦山采空區總量大，分布范圍廣。據初步統計，至2015年底，全國金屬非金屬地下礦山共有采空區12.8億m3，分布于全國28個省(市、區)。

目前，采空區事故隱患治理存在突出問題：一是采空區為誘發重特大事故的重要因素，易引發透水、坍塌、冒頂片幫等多種形式的災害，往往造成大量的人員傷亡和財產損失；二是采空區事故隱患治理不及時，部分礦山企業忽視采空區治理，特別是歷史遺留采空區得不到及時處理；三是中小型礦山采空區管理不到位，專業技術力量薄弱，不按設計施工或無設計施工，礦柱留設不規范，造成采空區重疊、交錯現象比較普遍，嚴重威脅礦山安全生產；四是采空區安全問題已經成為影響一些地方經濟發展和社會和諧的重要因素[1]。

2001年7月17日廣西南丹因采空區透水引發特別重大突水事故，死亡81人。2005年12月26日，河南安陽都里鐵礦因采空區突發大面積塌陷，造成8人墜落、3人失蹤。2005年河北邢臺“11·6”特別重大采空區坍塌事故死亡37人。2008年8月11日龍橋鎮龍潭沖銅礦發生一起采空區坍塌事故，導致3人死亡、2人下落不明。2015年山東平邑縣萬莊石膏礦區“12·25”采空區坍塌事故造成1人死亡、13人下落不明。

可見，加強采空區的治理及監管工作對于防止采空區安全事故的發生，保證礦山安全生產和人民群眾生命財產安全極其重要，而研究采空區治理技術將發揮至關重要的作用。

1 金屬非金屬地下礦山采空區特點

金屬非金屬地下礦山采空區具有隱蔽性強、規整性差、空間分布規律性差、空間形態變化大、頂板冒落塌陷情況難以預測等特點。不同礦種、不同開采方法形成的采空區形態和特點各異。如山東、安徽、湖南、江蘇等地區的石膏礦為層狀礦體，采用房柱法開采，形成采空區面積巨大，石膏礦圍巖較軟，遇水膨脹，采空區容易發生冒落，引發地表塌陷。安徽、河南、廣東地區的方解石礦為厚大礦體，采用房柱法開采，形成的采空區高度大、體積大，圍巖為脆性硬巖，容易發生突然失穩。山東、廣東、安徽、云南等地區厚大鐵礦、鉛鋅礦、銅礦等采用VCR采礦方法嗣后充填采空區，開采過程中形成的采空區高度和圍巖暴露面積巨大，往往在充填前上盤和頂板會發生局部冒落或巖移。江西、湖南、安徽、海南等地采用空場法開采的脈狀鎢礦、金礦、銅礦等形成的采空區為條帶狀，高度較大，形態極不規則，容易發生冒落和巖移。

采空區發生冒落或塌陷災害，具有以下幾個特點：① 巨大的破壞性，大型采空區冒落通常伴隨著巨大的沖擊氣浪和沖擊波，造成井下人員傷亡、巷道和設備破壞，同時引起地表的塌陷，破壞植被、農田水利設施及生態環境，更嚴重時造成地表構建筑物陷落，人員傷亡；② 突發性和難預測性，地下采空區災害很難預測，其圍巖一般為脆性硬巖，在破壞失穩前沒有明顯的宏觀前兆，冒落和塌陷往往在一瞬間或極短時間內完成，人員很難提前撤離或采取相應的應對措施；③ 誘發其他災害性，采空區冒落時容易誘發其他的井下災害，采空區冒落后引起地應力重新分布，容易造成周邊區域應力升高，誘發井巷和采場變形冒頂，采空區冒落而貫通上覆巖層，形成地下水或地表水的流動通道，容易誘發透水淹井事故。

2 采空區治理技術體系

采空區的安全有效治理需要相應的技術體系來支撐。通過多年多處采空區治理工程的設計及施工總結，形成了“測、繪、診、治”技術體系?！皽y”即對采空區進行全面調查和測量，主要包括物探、鉆探和激光掃描測量等；“繪”即對采空區探測、測量的結果進行精確繪制，實現采空區的三維可視化；“診” 即根據采空區的測量結果及其所處的外部環境等因素對其穩定性進行分析診斷；“治”即綜合分析并確定采空區治理方案或選擇綜合利用方案。

2.1 采空區“測”和“繪”技術

采空區屬于地下空洞，整體可見性差，為了確保治理方案的可行性和可靠性，采空區治理前必須要勘察清楚，明確處置對象的各項參數。

采空區勘察有地球物理勘察(物探)及精確探測。對于不明采空區的勘察常采用物探方法，主要手段有高密度電法、瞬變電磁法、地質雷達法、微重力法、地震法、大地電磁法等。物探完成后采用鉆探對采空區的位置進行核實確認。崔曉榮等[2]在處理大寶山礦采空區時，通過物探和鉆探手段進行多層次、多手段的采空區綜合探測分析，即通過綜合物探鎖定空區范圍，工程鉆探核實空區位置，三維掃描探明空區參數，確保不漏探采空區，并探明復雜采空區和盲空區，為后續崩落爆破處理奠定了基礎。李耀華等[3]以瞬變電磁法為主對沙午鐵路沿線及周圍進行勘查, 采用電阻率測深加強鐵路沿線勘探, 查明了某鐵礦采空區的分布位置、范圍以及空間特征等, 提高了準確性, 取得了良好效果。物探方法探測繪制的采空區見圖1。

圖1 物探方法探測繪制的采空區示意

對于可知采空區，常用三維激光掃描法探測，如加拿大的CMS空區探測系統、英國的鉆孔式激光掃描儀C-ALS及探桿式掃描儀VS150等，這些探測系統工作原理基本一致。通過對探測數據的處理，可以將采空區真實的三維空間形態建立模型，實現立體展示。劉曉明等[4]在銅坑礦、高峰礦業公司、冬瓜山銅礦、安慶銅礦、柿竹園多金屬礦等相繼開展了基于CMS探測的采空區三維模型構建、露天塌陷坑準確探測、采場周邊超欠挖量計算以及基于空區實測的采礦貧損測定、復雜邊界礦柱回采Surpac爆破設計、采空區穩定性數值模擬分析等相關衍生技術的研究與應用, 取得了良好的實際應用效果。張新光等[5]運用空區激光自動掃描系統(CALS)對三道莊鉬礦區以前地采留下的采空區進行了詳細、系統地探測, 基本查明了采空區的分布、大小和貫通關系, 為該礦由地下生產轉入露天開采的空區處理提供了相對可靠的決策依據。3D掃描法繪制的采空區見圖2。

圖2 3D掃描繪制的采空區示意

2.2 采空區“診”和“治”技術

采空區穩定性分析方法主要有理論分析(模糊理論、灰色理論、神經網絡、彈性梁理論、砌體梁理論、太沙基地壓、普氏地壓等)、實驗室相似模擬(平面相似模擬、三維相似模擬)、數值模擬(有限單元法、有限差分法、離散單元法、邊界元法、剛體元法等)、現場監測與工程類比法等[6-7]。常用的現場監測手段有位移監測、應力監測、聲發射監測、微地震監測等[8]。某礦山采空區暴露面積與點柱尺寸的關系理論計算見圖3。某礦山多中段采空區穩定性分析相似模擬實驗見圖4。某礦山房柱法開采采空區跨度穩定性數值模擬見圖5。某充填法開采礦山采空區穩定性監測數據見圖6。

圖3 理論分析法計算采空區暴露面積

圖4 采空區穩定性相似模擬實驗

圖5 采空區穩定性數值模擬

圖6 采空區穩定性監測數據

采空區治理方法受多種因素影響。從大的方面來講，采空區治理方法主要有崩、充、封、撐和聯合方法幾類[9-10]。

崩落法處理采空區，通過爆破方式崩落采空區圍巖，可直接將圍巖崩落至地表，徹底消除采空區，也可崩落部分圍巖充填采空區，形成緩沖巖石墊層，使采空區與下部生產區隔離，防止圍巖突然大面積塌落時產生的巖石沖擊、地震波和氣浪(又稱空氣沖擊波)對生產區作業人員和設施的危害。

充填法處理采空區，采用碎石、尾砂、水砂、混凝土等充填料充填采空區，控制地壓活動。充填法治理采空區適用范圍廣，特別對地表構建筑物及礦區生態環境的保護等具有較好的作用。

支撐法處理采空區，留下永久礦柱或構筑人工礦柱支撐采空區的頂板。支撐法處理頂板堅硬穩固的采空區時,只能暫時維持空場穩定,除非采出率極低,并不能最終消除頂板沖擊地壓,而且人工礦柱支撐較昂貴,損失大量資源。

封閉法處理采空區，采用密閉墻、隔離柵欄、阻波墻等設施封閉采空區通道，防止采空區冒落時產生的巨大沖擊波對井下環境和工人的破壞作用。封閉法通常用來處理分析穩定的小型采空區，封閉的同時采用地壓監測儀器對采空區進行穩定性監測。

聯合法是在一個礦區內針對不同風險程度的采空區聯合多種方法處理。這種方式可以使用最經濟的手段達到消除采空區安全隱患的目的。

3 采空區治理技術體系的應用

3.1 封閉法+崩落法

某石膏礦為近水平層狀礦體，采用房柱法開采，礦房寬6 m，礦柱寬6 m，高8～12 m，形成面積約50萬m2的采空區群。采空區對地表和井下構成了重大安全隱患。

首先，采用CMS空區探測系統對礦山采空區進行實測，并利用礦業軟件建立采空區三維模型。其次，對采空區穩定性進行分析，根據采空區穩定性分析結果將采空區分成若干片區。穩定區域的采空區采用封閉方式處理，不穩定區域的采空區采用崩落頂板方式處理。

對于穩定區域的采空區，封閉方式有2種，一種采用混凝土密閉采空區通道，另一種采用中深孔崩落的廢渣封堵通道，均在通道封閉處設置警示標識。

對于不穩定區域的采空區，由于采空區面積大，采用分區、分次爆破崩落方案。設計施工3排深孔崩落采空區頂板，誘導上覆巖層冒落。為了掌握采空區崩落期間的區塊地壓變化，確保施工安全，在采空區崩落區周邊安裝頂板下沉、礦柱應力、微震監測系統，同時安裝高清視頻監控對采空區進行觀測。

第一期崩落的采空區埋深約100 m，面積約8 000 m2。崩落區采用水平扇形深孔，非電毫秒雷管微差爆破方案，每排水平深孔量約1 200 m,最大深孔68 m,第一排炮孔覆蓋采空區面積6 100 m2，控制厚度3.7 m，實際總裝藥量約15 000 kg，一次崩落礦巖量約52 000 t。爆破工程實施22 d后，采空區對應的地表發生了沉降，形成一個以爆區為中心的沉降盆地，沉降面積約12 000 m2，中心最大沉降深度約1.8 m。該處采空區的崩落處理僅爆破一排深孔即達到了誘導采空區上覆巖層冒落的設計預期。第一期崩落區實測采空區模型(實體部分)見圖7，水平深孔炮孔布置平面見圖8，水平深孔炮孔布置剖面見圖9。

圖7 采空區實測模型平面

圖8 水平深孔炮孔布置平面

3.2 支撐法+充填法

某硅灰石礦山為緩傾斜層狀礦體，采用全面法開采，采空區內留設大小不一的點柱，礦柱邊線均為弧形，個別礦柱頂底大、中間小，間距為2～23 m，直徑為1～38 m，采空區高4～8 m，形成約7萬m2的采空區群[11]。

圖9 設計水平深孔炮孔布置剖面

首先，采用激光3D掃描系統對礦山所有采空區進行三維實測，并建立三維模型，部分采場立體模型見圖10。其次，對采空區進行穩定性分析，將采空區分區、分類。對于不穩定的采空區，采用充填法處理；對于欠穩定的采空區，采用增設人工礦柱和在原點柱周邊施工加固礦柱的方式進行處理(圖11)。

圖10 實測全面法采空區模型

圖11 人工礦柱支撐采空區示意

采用廢渣干式充填，充填前在采空區下部水平所有入口砌筑擋墻，擋墻底部預留泄水孔。井下廢渣采用汽車運輸至采空區附近，采空區內廢渣采用皮帶運輸，自下而上、臺階后退式、自內往外進行充填，直到充填至頂板，采用注漿接頂。

支撐法+充填法處理采空區，既達到了治理采空區的目的，又節省了治理成本。

3.3 封閉法+監測法

某方解石礦區經多家礦山數十年開采，采空區總體規模達到350萬m3。采空區賦存標高為+180～+500 m， 7～8個中段，中段高度約30 m，開采高度約18 m，礦體傾角約80°，礦體真厚度為90～100 m，采用房柱法開采[12]。

首先，采用CMS空區探測系統對礦山采空區進行三維精確探測，并建立采空區空間模型。通過查詢，該礦區單空區最大暴露面積約2 500 m2，單空區最大高度為20 m左右。相鄰礦山間采空區隔離礦柱規整性差，且普遍偏小。上下中段的礦柱對應關系差，且很不規整。礦區采空區三維立體模型見圖12。

圖12 礦區采空區三維立體模型

該礦區的采空區具有總體規模大、暴露面積大、連通性良好、采空區相互影響復雜等特點。根據探測所得采空區空間分布狀況、三維空間結構、礦柱上下對應關系，采用工程地質調研、室內及現場試驗、數值模擬、理論計算、工程類比等綜合方式對采空區的穩定性進行了分析模擬，認為采空區在沒有采礦爆破等較大擾動的情況下是穩定性的。由于受環境保護和無充填料來源等條件的限制，經過研究和實踐，該礦區可行和可靠的采空區治理方法為柵欄和齒形阻波墻聯合封閉，多點位移計和鉆孔應力計在線監測的方案。采空區封閉方式見圖13，采空區在線監測系統見圖14。

3.4 封閉法+充填法

某金礦體為一緩傾斜脈狀體，走向近南北，傾向東，傾角為7°～18°。礦體長370 m，延伸30～230 m，呈參差不齊鋸齒狀尖滅，脈幅為0.8～4.13 m，平均厚2.26 m，賦存標高為+5～-120 m。采用斜井開拓，布置有-25 m和-45 m 2個水平，經過多年房柱法開采形成面積約2.2萬m2采空區[13-14]。

圖13 采空區封閉方式示意

圖14 礦區采空區穩定性監測系統

通過查閱礦山前期開采資料和現場調研，對可以測量的采空區進行三維精確探測，建立了采空區三維模型(圖15)。根據采空區的測量結果，從單空區規模、采空區密集程度、埋藏深度、上覆巖層及圍巖性質、采空區地壓顯現、采空區塌陷可能性及與井下作業現場關系等方面對采空區危害程度進行了評估，得出礦山采空區穩定性一般，危害程度為中等。但該礦區地表不允許塌陷，為了防止采空區冒落對井下產生危害，并預防地表塌陷，確定對井下邊角小型采空區進行封閉處理，對主體采空區采用尾砂膠結充填法處理。

圖15 部分采空區三維立體模型

為了順利完成采空區充填工作，同時本著節約成本的原則，在地表建設一個簡易可移動式充填站，充填站充填能力約30 m3/h，制備的料漿質量濃度約70%，充填料灰砂比為1∶12。充填料漿制備與輸送示意見圖16。

圖16 充填料漿制備與輸送示意

由于采空區的貫通性良好，充填前將采空區劃分為5個單元，依次砌筑充填擋墻。充填管道沿斜井敷設至采空區頂部，采用間隔分層充填方式，最后采用泵送充填料接頂。通過充填處理主體采空區，消除了礦山采空區安全隱患。

4 采空區治理的發展趨勢

4.1 采空區的治理技術研究方向

經過多年的研究和實踐，我國在金屬非金屬地下礦山采空區治理方面取得了豐碩的理論和實踐成果，但在不明采空區的精確探測、超大型采空區穩定性控制技術、采空區穩定性監測儀器研發、老采空區的地表充填治理工藝、采空區治理質量檢測和質量控制理論和技術、采空區治理技術規范和標準等多方面仍有很大的探索拓展空間[15]。

(1)目前采空區物探需要2種及以上的方法進行驗證探測，物探探測精度有待提高。未來應加強采空區的物理特性探測等方面的研究，加強物探新方法和新技術的研究，提高探測不明采空區空間位置和形態的準確度。

(2)金屬非金屬大型地下礦山采場已發展到超大型階段，一次形成單個采空區的體積達到10萬m3以上。未來應深入研究和掌握超大型采空區的失穩觸發機制、圍巖破壞規律以及穩定性控制技術。

(3)隨著新技術、新材料的出現，加強對礦巖體物理力學特性研究，充分發揮其優越特性，開發新型地壓傳感器，提高地壓監測靈敏度、精度和可靠性，同時充分利用通信技術的進步，實現地壓監測數據傳輸的可靠性和連續性。同時在應逐步建立和完善地壓監測安全預警理論體系和安全預警閥值標準。

(4)目前歷史遺留的老采空區常用治理方法是地表注漿和充填，盲目性較大，治理效果難以控制，尤其是采空區充水或多中段開采形成的采空區，充填治理難度最大，控制不當容易造成充填治理工程的巨大浪費。因此，對歷史遺留老采空區，尤其是充水采空區和多中段采空區的充填和注漿治理理論，需要進一步研究和探索。

(5)目前我國金屬非金屬地下礦山采空區穩定性分級、治理方法、治理效果監測等技術內容尚無通用的標準和規范。未來相關部門和機構應盡早謀劃，加強合作，為制定采空區治理和檢測的相關技術標準和規范做技術積累和儲備。

4.2 采空區的功能化利用

伴隨著科學技術的進步和人類認識事物思維的轉變，許多新的理念引入到了礦山領域。金屬非金屬礦山采空區治理的目的由消除安全隱患向功能化利用方向發展。采空區為礦山開采形成的廢棄空間，如在其形成前期先行設計或形成后加以改造，均可以作為地下工程進行使用。這樣采空區既不存在安全隱患又產生了使用價值，因此，實現采空區的綜合利用可以作為未來采空區治理發展方向[16]。

(1)采空區可以作為礦山自身的資源，實現多功能化利用，如礦山產品的深加工、上下游擴展等。在礦山設計期間將礦山選廠或洗礦車間設計建設在地下，規劃形成穩定的采空區地下空間，既減少了地表的環境污染和噪聲污染，又可大量節約礦山的提升、運輸成本。

(2)廢棄采空區可以作為礦山廢棄物存儲空間，如改造為大型硐室、水倉、廢石倉、尾礦庫等。尾礦排放一般都堆排在尾礦庫，尾礦庫的建設會帶來資源、環境、安全和土地等諸多問題，通過對礦山廢棄的采空區進行論證和改造，成為礦山廢棄物的存儲空間，既可以消除隱患，又可以實現礦山可持續發展和綠色發展。

(3)廢棄采空區可以作為地下功能空間，如倉儲、冷庫、地下實驗室、人防設施等。不同礦山采用的開拓方式不同，采空區的賦存條件也不同。有的礦山采用斜坡道開拓，有的采用平硐開拓，有的采用豎井開拓；采空區有的體積大，有的體積小，有的埋藏淺，有的埋藏深等，因此，不同采空區利用要具體分析。對于采用斜坡道和平硐開采形成的采空區，車輛人員進出方便，可以考慮改造成為地下倉儲空間和冷庫(溫度恒定)，也可以改造作為處理放射性廢料的地下實驗室(需要研究采空區穩定性以及采空區與地表生物圈隔離的措施等)[17]；靠近城市的小型采空區通過技術改造符合防空洞建設標準的，可以作為人防設施；利用豎井開拓形成的采空區，可以建設石油儲備庫，采空區不僅儲備庫容大，建設周期短，投資小，還具有安全、環保等優點[18]，通過技術手段對采空區進行穩定性加固和密封性處理以達到石油儲備條件，即可實現廢棄采空區油氣儲備功能化。

5 結 語

通過分析我國金屬非金屬地下礦山采空區探測、穩定性分析和治理技術現狀，提出“測、繪、診、治”技術體系，并在多家礦山采空區治理中應用，有效消除采空區安全隱患，對于類似礦山的采空區治理具有借鑒意義。

盡管在金屬非金屬礦山采空區治理的研究方面取得了一定的成果，但由于采空區災害問題的復雜性，仍需在采空區的物理特性、不明采空區精確物探技術、超大型采空區空間結構與穩定性控制技術、采空區區域應力和圍巖變形空間演化規律與致災機制、采空區穩定性監測新型傳感器和綜合預警體系、采空區治理和檢測的標準規范等方面進一步探索和研究。

礦山采空區綜合利用揭示了我國金屬非金屬礦山采空區處理的發展趨勢?；踩[患為功能空間，低價值礦床開發在設計初期可以預設采空區功能，現存廢棄采空區治理可以通過穩定性論證、技術改造等一系列手段實現其功能化利用。采空區在未來既可以成為存儲廢棄物的地下空間，也可以成為重要的國防、工業和民用地下設施工程。變廢為寶是對礦產資源合理綜合利用的最好方式，相信隨著技術、材料、設備的不斷發展和進步，地下礦山采空區會被賦予更多的積極作用和有益功能。