為采空區(qū)加上“安全鎖”

馬海濤

采空區(qū)是“采礦活動(dòng)中隨礦石開采后留下的可能誘發(fā)礦山災(zāi)害的空間”。我國(guó)是世界上礦山生產(chǎn)第一大國(guó)，有地下礦井3萬(wàn)多座，每年從地下開采礦石總量超過(guò)50億t。地下礦石被采出后留下的空間如果不進(jìn)行充填處理，就會(huì)形成采空區(qū)。金屬礦山由于圍巖較為堅(jiān)硬，頂板滯后冒落，往往容易形成巨大采空區(qū)，這是誘發(fā)地表突然塌陷、井下大規(guī)模冒頂和井下透水的主要危險(xiǎn)源。

井下冒頂災(zāi)害是采空區(qū)頂板在自重作用下突然垮落造成的危害，是事故起數(shù)最多、死亡人數(shù)最多、分布范圍最廣的災(zāi)害類型之一，占礦山事故總量的30%以上。金屬礦山由于圍巖堅(jiān)硬，往往能夠形成上百萬(wàn)立方米的大面積采空區(qū)，一旦被破壞會(huì)形成大規(guī)?？迓洌殡S著著強(qiáng)大的沖擊波，瞬間摧毀整個(gè)礦井。井下的大面積冒頂如果持續(xù)向地表發(fā)展，會(huì)導(dǎo)致地面塌陷，進(jìn)而誘發(fā)人員墜落、建筑物倒塌、山體崩塌、河流倒灌等多種事故和災(zāi)害。1980年6月，湖北省遠(yuǎn)安縣鹽池河磷礦采空區(qū)塌陷誘發(fā)山崩，淹沒(méi)下游建筑，造成307人死亡。

在所有事故類型中，采空區(qū)水害是礦井重大水害事故的主要類型，所占數(shù)量比例已經(jīng)超過(guò)80%。礦體回采完畢后，采空區(qū)在地表和地下水的長(zhǎng)期補(bǔ)給下，充滿大量積水，一旦新的采掘工程誤與采空區(qū)聯(lián)通，積水瞬間涌出將發(fā)生淹井，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。

研究背景

金屬礦山行業(yè)采空區(qū)問(wèn)題非常普遍。由于生產(chǎn)設(shè)備和工藝較為落后，安全生產(chǎn)投入長(zhǎng)期不足，大量采空區(qū)沒(méi)有處理；整頓關(guān)閉后的民采礦井遺留大量采空區(qū)無(wú)法查明，給周邊礦井開采帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患。隨著開采深度逐年下降、開采規(guī)模逐年擴(kuò)大，采空區(qū)埋深和規(guī)模也越來(lái)越大，形成的安全隱患不容忽視。然而在采空區(qū)研究方面，相關(guān)研究仍缺乏系統(tǒng)性，甚至在采空區(qū)的概念上經(jīng)?；煜?，在其定義、范圍、分類、分等方法上尚未形成準(zhǔn)確的、科學(xué)的、統(tǒng)一的結(jié)論，造成了國(guó)家礦山安全監(jiān)管的技術(shù)障礙。

中國(guó)五礦集團(tuán)公司在金屬礦山行業(yè)，排名處于世界第四、我國(guó)第一，是國(guó)有重要骨干企業(yè)。公司下轄30余家礦山企業(yè)，開采50余座礦山，年產(chǎn)礦石量2 200萬(wàn)t，是我國(guó)地下金屬礦產(chǎn)量最大的集團(tuán)公司。作為金屬礦山行業(yè)的龍頭企業(yè)，中國(guó)五礦集團(tuán)公司高度重視采空區(qū)問(wèn)題，將其列為安全監(jiān)管的主要危險(xiǎn)源進(jìn)行管理，并于2013年與中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院合作，開展了“金屬礦山采空區(qū)安全隱患治理”項(xiàng)目研究，旨在通過(guò)技術(shù)研究，解決礦山企業(yè)存在的典型采空區(qū)安全問(wèn)題，帶動(dòng)金屬礦山行業(yè)在采空區(qū)隱患治理方面提升科技水平。

研究過(guò)程

研究項(xiàng)目以五礦集團(tuán)公司下屬金屬采空區(qū)災(zāi)害治理為核心，以采空區(qū)的探測(cè)、分析、評(píng)估為主線，以采空區(qū)的管理和災(zāi)害預(yù)警為目標(biāo)，從金屬采空區(qū)的精確探測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、分級(jí)管理和監(jiān)測(cè)預(yù)警4個(gè)方面入手，開展研究工作。

在采空區(qū)探測(cè)方面，項(xiàng)目組綜合分析了金屬礦山采空區(qū)地表、井下探測(cè)方法和技術(shù)的適應(yīng)性，在高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁法、微重力法、淺層地震法等綜合地球物理方法的基礎(chǔ)上，提出了“井下地震波三維層析成像結(jié)合激光鉆孔掃描”對(duì)采空區(qū)危險(xiǎn)源進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的技術(shù)，并建立了與礦山生產(chǎn)相結(jié)合的采空區(qū)的精確探測(cè)工藝方法。

在采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，基于非線性彈性的本構(gòu)關(guān)系，項(xiàng)目組建立了采空區(qū)“多米諾”效應(yīng)的三維分析模型，歸納總結(jié)了采空區(qū)空氣沖擊性災(zāi)害、地表塌陷災(zāi)害、井下透水災(zāi)害、火區(qū)自燃災(zāi)害等的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)閾值和等級(jí)。

在采空區(qū)管理方面，項(xiàng)目組以五礦集團(tuán)礦山采空區(qū)數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)，建立了采空區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系和計(jì)算方法，編制了《五礦集團(tuán)金屬礦山采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，開發(fā)了采空區(qū)管理系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），劃分了礦山采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了集團(tuán)公司內(nèi)部礦山企業(yè)采空區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管理。

在采空區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，提出了單點(diǎn)監(jiān)測(cè)的絕對(duì)值預(yù)警、變化速率預(yù)警、加速度預(yù)警和多點(diǎn)面預(yù)警等方法，研發(fā)了采空區(qū)圍巖應(yīng)力錨桿在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合InSAR（合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)）和微震技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)井下圍巖變形和地表沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為采空區(qū)災(zāi)變的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警提供了有效的手段。

成果應(yīng)用

項(xiàng)目組對(duì)中國(guó)五礦集團(tuán)公司下屬33家企業(yè)的49座礦山，共4 810個(gè)采空區(qū)（總體積4 292.92萬(wàn)m3）進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在8家典型礦山開展了具體應(yīng)用，解決了企業(yè)的采空區(qū)難題，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

針對(duì)民采空區(qū)盜采侵?jǐn)_的典型問(wèn)題，在五礦集團(tuán)錫礦山銻礦引用地球物理綜合探測(cè)方法，對(duì)盜采范圍進(jìn)行探測(cè)與定位，評(píng)估了民采空區(qū)的危害，提出了礦山防盜采監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合地方政府資源整合措施，有效防范了周邊盜采破壞。

針對(duì)民采空區(qū)出現(xiàn)安全威脅的典型問(wèn)題，項(xiàng)目組在五礦集團(tuán)西石門鐵礦開展了井下地震波三維超前預(yù)報(bào)，確保井下兩年安全開拓6 km，預(yù)報(bào)平均準(zhǔn)確率達(dá)75.56%。在確保安全的同時(shí)，大幅減少了井下鉆探量、提高了掘進(jìn)效率。

針對(duì)嶺南地區(qū)百年鎢礦采空區(qū)典型問(wèn)題，項(xiàng)目組在五礦集團(tuán)盤古山鎢礦、瑤崗仙鎢礦、漂溏鎢礦的典型采空區(qū)，進(jìn)行了三維激光（C-ALS）掃描（見(jiàn)圖2），獲得采空區(qū)空間形態(tài)的精準(zhǔn)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3），建立了采空區(qū)精確模型，評(píng)估采空區(qū)和地表山體穩(wěn)定性，有針對(duì)性地提出了采空區(qū)治理措施。

針對(duì)點(diǎn)柱式空?qǐng)霾煽諈^(qū)大規(guī)模失穩(wěn)的問(wèn)題，項(xiàng)目組在五礦集團(tuán)香爐山鎢礦，開展了“多米諾”效應(yīng)三維量化計(jì)算，對(duì)礦山上千根礦柱的安全性進(jìn)行校核，按照10年、20年、50年的時(shí)間序列，指出了可能失效的礦柱位置和頂板區(qū)域，并在此基礎(chǔ)上給出了合理的充填治理方案。（見(jiàn)圖4）

針對(duì)“三下”（建筑物下、鐵路下和水體下）開采的地表塌陷典型問(wèn)題，項(xiàng)目組在五礦集團(tuán)張家洼鐵礦、萊新鐵礦開展星載InSAR的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（見(jiàn)圖5），并與GPS實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比，分析得出誤差均值小于1 cm。項(xiàng)目組在此基礎(chǔ)上劃定了村莊警戒范圍，提出了礦井充填工藝改進(jìn)方法，保證了礦山和周邊村民安全。

發(fā)展前景

礦山生產(chǎn)必須面對(duì)采空區(qū)問(wèn)題，并伴隨著礦石開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，采空區(qū)對(duì)安全生產(chǎn)的威脅日趨嚴(yán)重。我國(guó)礦山采空區(qū)災(zāi)害面臨的安全形勢(shì)和復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題在世界上是史無(wú)前例的，目前在采空區(qū)隱患治理方面，主要面臨4大需求：不明確采空區(qū)探測(cè)、采空區(qū)分級(jí)分類評(píng)估、采空區(qū)地壓監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)警、采空區(qū)治理技術(shù)。

對(duì)于中國(guó)安科院承擔(dān)的“金屬礦山采空區(qū)安全隱患治理”項(xiàng)目，我國(guó)采礦安全專家、中國(guó)工程院院士蔡美峰對(duì)其給予了高度評(píng)價(jià)：“這是首次系統(tǒng)、大范圍地進(jìn)行了采空區(qū)安全隱患探測(cè)、預(yù)警與治理研究，研究成果將有助于減少礦山采空區(qū)災(zāi)害事故，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景?！?/p>

編輯 楊 璇endprint