露天开采复杂采空区的危险性探测与分析

叶图强, 陈晶晶,王 铁

(广东宏大爆破股份有限公司，广东 广州 510623)

自20世纪80年代以来，大宝山矿周边民采泛滥，几十年的民采形成了大量采空区。大宝山矿虽然从1997年就开始对采空区进行处理，但远远达不到采充平衡的要求，导致了2004年的3次大塌方。经过2004～2006年的集中整治，地下采空区重大安全隐患得到初步治理，井下生产也已全面停止。但是，原来已出现垮塌而没有全部充满的采空区、充填接顶不严的采空区、没有处理的采空区，以及2004年采空区调查时没有探明的民采采空区仍然存在。大宝山矿转为露天开采后，随着露天开采深度的下降，井下采空区对露天开采安全生产构成了极大的威胁， 2008年10月8日就发生一起施工车辆陷入采空区的车毁事故。目前，大宝山矿采用超前钻探孔和三维空区探测相结合的方法对采空区进行探测，取得了一定的成效。

1 露天开采复杂采空区的探测

1.1 大宝山矿采空区分布情况

大宝山矿由于采用空场法进行地下开采，特别是民采泛滥，在开采区段即11～57线沿走向2000m地段，形成了大量的采空区。最为密集的区段为45～49线及25～29线，且采空区面积较大，其中21～49线存在有相互贯穿的采空区群。在采空区的水平范围内，其密集程度随着采矿中段的作业程度呈增加趋势，从470m水平至670m水平均有采空区分布，特别是在该区段内有多个中段采空区相互贯通，构成了大跨度、大高度采空区(如图1所示)。

图1 大宝山矿采空区纵投影图

1.2 采空区的探测方法

采用超前勘探和自动激光扫描系统相结合的方法进行采空区探测[1-2]。超前勘探能及时发现采空区的位置，但采空区的具体形状只有通过自动激光扫描系统才能确定[3]。大宝山矿采空区主要采用国际上先进的空区激光三维探测设备C-ALS(空区自动激光扫描系统)进行探测。采用C-ALS可以对下覆空区进行精确测量，一方面可以详细了解下覆空区以指导安全生产，另一方面可以为空区处理提供详实的数据。

1.2.1 采空区钻探的原则

本着“有疑必探、先探后进”的原则，探明地下采空区情况，具体问题具体分析，确保爆破孔、装药、爆破、挖装、运输等环节的施工安全。

原则上要求勘探孔深度不小于一个台阶高度加上保安层厚度(根据本工程中的地质条件，勘探孔设计深度约为19m)。由于采空区塌陷区范围内绝大部分岩层已破碎或是存在大量裂隙，所以在本工程中经常遇到打不到设计深度的情况。为了保证施工过程中的安全，在台阶推进过程中，根据挖机作业情况，在挖机前方每隔一定距离布设勘探孔，然后再用三维激光扫描系统探测采空区和塌陷区的具体形状[4-5]。

采空区钻孔勘探的依据为：①原地下开采采空区的资料及物探探明的空区资料；②原地下采空区治理图；③铅锌矿、高品位铜矿富集区(因为无论民采还是大宝山矿开采，均是开采价值较高的矿体，部分民窿没有详细资料，民采过程中发现好的盲矿体，往往进行采掘留下空区)。

1.2.2 采空区钻孔勘探

本工程采用分体式阿特拉斯高风压潜孔钻机，钻进过程中遇裂隙或破碎带时采用黄泥护壁等措施进行处理。钻探的主要目的是保证运输道路的安全，保证作业平台的安全以及探明采空区的崩落处理情况。

1)钻孔位置的选择。由于采场经历了3次大的塌方，可以推断大部分采空区已经坍塌，因此在布设勘探孔时，应把着重点放在采空区中心和空区边缘地带，勘探孔设计孔深应根据采空区跨度来设计，孔位应由测量人员现场放样，本工程主要采用超前垂直孔勘探(图2)和超前倾斜孔勘探(图3)两种方法。

2)钻孔的施工。首先，在存在采空区的工作平台的上一个台阶布设超前勘探孔(图2)，如果因上部虚碴过厚或裂隙发育，垂直勘探孔无法正常钻进至空区，但依据原有资料，下部确实存在多层空区，为确保安全，在台阶边坡上或在工作台阶上打倾斜孔，依据探测情况及时调整处理方案；若因地质条件差，岩层裂隙发育，超前垂直和倾斜勘探孔均无法正常施工，则应在台阶推进过程中，根据实际情况每隔一定距离布设勘探孔，采用边探测边挖运作业。在露天剥采施工中采用此法取得了一定成效。

采空区钻探过程中，施工员应全程监控，对钻进情况编录，发现空区或疑似空区，应实测空区深度后报现场主管及技术主管，在钻孔作业时，必须有专人观察周围岩层的动态，发现异常，立即撤离。

图2 超前垂直勘探孔

图3 超前倾斜勘探孔

1.2.3 三维激光扫描探测

根据采空区钻探探明的空区，结合原有空区资料，利用穿透空区的钻孔将三维激光探测仪激光探头下放至空区，进行全方位扫描，由地表计算机记录探测数据，再由Surpac或AutoCAD软件根据采集的数据绘制空区三维空间图，然后由测量人员现场放样圈定，进一步核实的采空区范围，并在工作面上树立明显标志，禁止无关人员进入该区域。根据三维激光探测仪扫描结果，编写采空区崩落设计方案，进行采空区的处理。

该方法优点是施工简单，探测精度高，探测周期短，但是要求孔径不小于90mm，孔壁稳定且孔内不能有大量水。另外，有时应根据需要随时补加钻孔，确保扫描工作无盲区。

2 采空区探测结果分析

2.1 采空区的判断方法

根据潜孔钻吹出的钻屑和钻孔过程情况，并结合已经收集的资料可推断采空区的情况：

1)若取样分析钻探到铅锌矿、高品位铜矿，则很可能存在采空区。

2)若钻孔过程中发现空洞，则有空区，可以根据钻孔深度判别保安层厚度。

3)若在塌陷区钻探，岩石完整则可能存在整体移位的局部小采空区。

4)若在塌陷区钻探，岩石松软则说明前期塌陷已经基本将原采空区填充满。

5)当岩层未塌时，形成的采空区岩层透气性差，当发生坍塌并延伸至地表，由于采空区上部岩层的裂隙增加，微通道丰富，低温的差异，地下压力的差别，在对流作用下，在地表会冒明显的热气，则说明下部采空区已基本坍塌。

6)一般情况下，钻探过程中岩性比较完整，且有一定的保安层厚度，能够保证作业平台的安全，顶板塌陷前有一定的征兆，如地表开裂等。

7)一般情况下，钻探过程中岩性比较松软，如果继续塌陷，则地表出现局部沉降、滑落、滚石等现象。

2.2 采空区探测存在的问题

1)急需一种能有足够钻力的钻机。本工程也采用过立轴式纯回转地质钻机，其优点就是钻探深度远远大于CM351型潜孔钻机。但是在塌陷区内施工的过程中，我们发现冲洗液漏失严重，另外该钻机占地面积大，移动不便，且是纯回转钻机，因此钻进速度较慢，收效甚微。

目前本工程较多采用的是CM351型高风压露天潜孔钻机。此钻机的缺点就是大范围长时间的钻探深孔存在很大的风险，而且正循环排碴，若遇较破碎地层，很难将碴吹出来，也就无法钻进至设计深度，无法进行较为准确的安全分析。洛阳栾川钼矿曾尝试引入潜孔锤反循环钻进技术，也取得了不错的成效[6]，此项课题在大宝山矿还有待进一步研究。

2)若空区内水较多，则下放的三维探测仪很难进行激光扫描，也就不能准确的圈定空区的形状，进而不能进行空区的安全分析。

3 结语

采空区塌陷会给矿山带来巨大的经济损失，因此，采空区范围内施工作业的安全问题是露天开采过程中剥采工作的重中之重。采空区安全生产问题并不可怕，但必须引起足够重视。顶板塌陷前有一定的征兆，如地表开裂、局部沉降、滑落、滚石等现象，所以在采空区塌陷区内施工，必须要坚持“有疑必探，先探后进”的原则，做好技术交底，坚持按章操作。

采用超前勘探和自动激光扫描系统相结合的方法对大宝山矿采空区进行了探测。探测结果表明，该方法能获得采空区的精确空间数据，对采空区探测具有较好的实用价值，对指导矿山安全生产具有现实意义。

[1] 彭欣，崔栋梁，李夕兵，等.特大采空区近区开采的稳定性分析[J].中国矿业，2007,16(4):70-72.

[2] 李夕兵，李地元，赵国彦，等.金属矿地下采空区探测、处理与安全评价[J].采矿与安全工程学报，2006,23(1):24-28.

[3] 过江, 古德生, 罗周全. 金属矿山采空区3D 激光探测新技术[J].矿冶工程, 2006,26(5):16-18.

[4] 庞曰宏,宫德玉,彭卫杰. 采空区失稳分析及监控[J].化工矿物与加工,2009(10) ：31-32.

[5] 郭广礼,何国清,崔曙光. 部分开采老采空区覆岩稳定性分析[J]. 矿山压力与顶板管理,2003(3):70-73.

[6] 李冬霜,王茂森,梁毅. 洛阳栾川钼矿复杂地层钻进工艺研究与试验[J]. 探矿工程：岩土钻掘工程,2009(6):10-12.