分析地下矿山采空区探测与综合治理

韦天能

摘要：本文详细分析了采空区的特点、分类及危害，介绍了常见的探测手段、稳定性分析方法及综合治理方法。提出了空区探测、建模、稳定性分析及治理的一体化空区围岩稳定性评判综合治理技术，实现了复杂空区探测（CMS 空区探测）—采空区三维模型构建（3Dmine 建立空区三维模型）—数值计算（采用FLAC3D程序模拟）之间的耦合链接。

关键词：采空区；探测；稳定性分析；综合治理

采空区是由人为挖掘在地表下面产生的“空洞”，采空区伴随着空场法（全面法、留矿法、房柱法）、崩落法（少部分）和充填法（极少量）的回采进行而形成。目前，我国大多数矿山均不同程度地存在着一些未处理的采空区，这给矿山生产及周边环境带来了巨大安全隐患。

1 采空区特点及其危害

采空区特点：隐伏性强、规整性差、空间分布特征规律性差、空间形态变异性大、顶板冒落塌陷情况难以预测。

采空区可根据存在状态、形成时间、可控程度等进行分类。按存在状态可分为单一空区、贯通空区和群落空区（空区变形严重、成片连通、面积大、体积大、形态变化大、稳定性差的群空区）；按形成时间可分为老采空区、现采空区和未来采空区（计划开采的区域）；按可控性分为明晰空区、模糊空区和未知空区。

国内外每年因采空区冒落引发的安全事故时有发生，如2008 年8 月11 日庐江龙潭冲铁矿采空区坍塌造成3 人死亡，2008 年6 月25 日桃冲铁矿崩落塌陷禁区坍塌引起山体滑坡，造成12 人下落不明等。据安监总局对2010 年非煤矿山死亡事故统计分析，与采空区有关的事故占33. 6%，采空区作为影响矿山安全生产及周边环境的重大危险源，已引起矿山主管部门和企业的高度重视，近年来国家加大了对这方面的监管、研究与治理力度。

2 采空区探测及稳定性分析研究

2. 1 采空区探测技术

目前国内针对未知空区的探测手段是物探加钻探，主要物探方法有高密度电法、瞬变电磁法、地质雷达法、微重力法、地震法、大地电磁法等。其中在金属矿山地下未知采空区探测方面应用较多的有电阻率层析成像技术、瞬变电磁法以及钻孔弹性波CT技术。

針对已知空区，采空区的精确探测是采空区稳定性分析、残矿回收与综合治理的首要条件。近年来发展起来的激光3D 扫描技术为采空区的三维精确探测提供了硬件保障，如加拿大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，这些系统的最大优点是可精确探测人员无法进入的采空区及形态极不规整的复杂采空区。CMS 的探测硬件设备与数据流程图及工作原理如图1，空区探测时将激光探测设备伸入到空区内部，便可对空区进行平面和立面双向360°扫描，并记录每个扫描点的三维坐标。对CMS 记录的空区三维坐标经过后处理便可建立空区三维实体模型，然后通过三维模型可任意切割剖面、计算空区容积等。

1—扫描探头；2—电源；3—控制PDA；

4—电脑；5—数据处理软件

基于以上空区探测技术，经过大量研究和实践，得到了有效探测复杂采空区的可靠方法，即采空区探测技术路线：开采资料调研—矿体赋存特征分析—物探（探测空区的存在性和大致范围）—钻探（修正物探成果）—CMS 探测（精确探测空区三维坐标）—空区三维模型建立（利用相关矿业软件）。

2. 2 采空区稳定性分析

目前国内外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）、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）和工程类比法等。由于采空区围岩的特点是随采场不断推进，岩层运动状态不断变化，围岩中的应力分布状态不断调整，即采空区稳定性分析要充分考虑岩体的非均质性及其在采动影响下破裂失稳过程的动态特性，这使得采空区稳定性问题通常无法用解析方法简单地求解，相比之下，数值模拟计算方法具有较广泛的适用性。

采空区治理方案制定前首先要对采空区稳定性进行评判，其前提是要基本明确采空区的三维真实形态。大量研究和工程实践表明，采空区稳定性评判的可靠性和空区模型的真实性极为密切。

3 采空区综合治理技术

3. 1 采空区治理思路

采空区如何处理要因地制宜、因时制宜，不同的矿山和不同的采空区类型应分别对待。从大的方面来讲，采空区治理方法就是“崩”、“充”、“封”3 种。

3. 2 采空区治理方法

3. 2. 1 崩落法处理采空区

崩落法处理空区的前提是地表允许塌陷，基本方式是通过崩落围岩至空区全部被废石充填满或空区顶板崩塌至地表，再将地表塌陷坑回填。其特点是处理成本低、见效快、工艺简单，在国内矿山空区处理中广泛采用。基本工艺按采矿方法不同有下面两种情况：

（1）采用崩落法开采矿山。当围岩稳固性较好，顶板不能随采矿的进行而自行冒落时形成采空区。此类采空区一般整体规模较大，采空区形态、范围不明。此时采用深孔或硐室爆破进行强制或诱导崩落顶板岩体冒落。

（2）采用空场法开采矿山。该类采空区一般保留有矿柱，空区整体稳定性相对较好，但由于空场法开采矿山矿石回收率较低，因此空区处理要与矿柱回采密切结合，此时通过分区段、分段等爆破方式崩落矿柱和围岩，在处理空区的同时，充分回收矿体。

3. 2. 2 充填法处理空区

用碎石、尾砂、水砂、混凝土等充填料充填空区，控制地压活动。充填法处理空区适用范围广，特别对地表建筑物保护，矿区生态环境保护等有独特的作用。充填法可分为干式充填和湿式充填两种。前者建立充填系统投资少，充填总成本低，简单易行，但充填能力低，多用于矿体规模不大的中小矿山及老矿山。后者充填料流动性好，充填速度快，效率高，多用于厚大矿体的开采，但需一整套充填输送系统和设施，投资大，其中胶结充填比水砂、尾砂充填成本高。

3. 2. 3 隔离和封堵处理采空区

利用封堵墙将采空区进行封堵，将工作区域和采空区进行隔离，一方面避免人员误入，另一方面避免采空区突然大面积冒落时，采空区坍塌所形成的冲击气浪危及井下作业区的安全。但该方法对地表起不到任何保护作用，地表移动带仍需监测、隔离。该方法成本低，周期短，投资少。

4 结论

综上所述，针对采空区的特点，提出了空区探测、建模、稳定性分析及治理的一体化空区围岩稳定性评判综合治理技术，实现了复杂空区探测（CMS 空区探测）—采空区三维模型构建（采用有关矿业软件）—数值计算（采用FLAC3D等）之间的耦合链接。

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