高危空区群下地下转露天协同开采技术研究

何斌全 汤永平

（1.湖南柿竹园有色金属有限责任公司，湖南郴州423037；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙410012；3.国家金属采矿工程技术研究中心，湖南长沙410012）

柿竹园矿现保有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号矿带工业储量约2亿t，北东部毗邻野鸡尾露天坑。矿体厚大集中，倾角5°～20°，南北长860 m，东西宽1 100 m，平均厚245 m，西部出露地表标高620 m，塌陷区北部及东部山脊覆岩土厚达180 m，平均剥采比2.21 t/t 小于经济合理剥采比7.53 t/t，矿石品位上贫下富，适合进行露天开采。矿区矿岩稳固、工程和水文地质条件简单，传统由上而下分台阶采剥，基建剥离量1 314.54 万m³，且先期矿石品位低。建矿初期，因矿石品位低、可选性差、萤石无法综合回收和经济受限等影响，该矿采用385 m 平硐—溜井+490 m 平硐—斜坡道开拓，优先地下开采采区中部长315 m、宽313 m 范围内的富矿，采矿生产能力达到214.5 万t/a。该矿开采先后经历了两个阶段，第一阶段采用分段空场阶段出矿法回采矿体中部品位最高的315 m×313 m 范围、490～558 m 标高间富矿，只回采矿房；第二阶段采用15次中深孔大爆破连续阶段崩落法对315 m×313 m 范围内的矿柱回采至588 m 标高，导致地表累计塌陷7.97 万m2，最大塌陷深200 m。地表塌陷给该矿地下正常和安全生产带来了一系列难题，如地表泥水混入井下导致矿石贫化且影响选矿，塌陷区北部和东北部高陡悬崖导致地表滚石和滑坡显现，塌陷区南部形成跨度100 m 的悬臂空区、不稳定间柱与已采大空区形成高危群空区，含矿1 315.24 万t 的塌落大块堵塞出矿巷等。确保该矿地下转露天安全协同开采的关键技术包括前期采剥境界优化，井下安全协同作业整体方案设计，采空区精准探测与分类，空区稳定性分析、处理与实时稳定性监测等。

近年来，国内在空区探测与分类、空区稳定分析与处理方面研究成果丰硕。李太启［1］采用钻孔冲洗液法+钻孔电视法对采空区进行了准确探测，但该法工程量较大、耗时长、费用高。马法成［2］采用高密度电阻率法圈定异常、钻探验证和三维激光扫描建模的综合探测方法对某铁矿山采空区进行了高效、经济、精准探测。谭卓英等［3］在地下转露天开采实践中将采空区类型归纳为规划开采形成空区、古采和非法盗采形成空区、充填不充分或充填体沉降形成空区以及二次垮塌形成空区，并利用探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）精准、高效、经济地探测了露天境界内浅地表范围内的复杂空区。李群等［4］、章林等［5］利用空区探测仪（MDL-VS150 或CMS）对空区进行激光扫描获取点云数据，结合3Dmine 软件建立了采空区三维实体模型，并运用FLAC3D软件进行了空区稳定性分析，对于空区稳定性评价具有重要意义；此外，上述研究中对采空区进行了分类，按空区存在状态分为单一采空区、贯通采空区和群落采空区，按形成时间分为老采空区、现采空区和未来采空区（计划开采区），按可控性分为明晰采空区、模糊采空区和未知采空区。于世波等［6］采用数值模拟、相似模型试验和有限元强度折减法对甲玛铜多金属矿露天与井下协同开采方法进行了研究，认为地下采空区充填后对于边坡稳定性的影响甚微。黄先文［7］总结了磷矿露天台阶下地下空区跨度与安全顶板厚度的关系。赵兴［8］研究了大宝山矿采空区处理问题，认为该矿露天境界下的单层空区宜采用中深孔或切割孔爆破处理，多层空区采用分层分次处理法和侧翼揭露崩落充填法处理较为妥当。河南洛钼地下转露天开采与柿竹园矿开采具有高度的相似性，其协同开采关键技术值得借鉴。王春毅等［9］、林卫星等［10］提出了洛钼矿先采用高密度电法和地震映象法初探空区，再利用钻孔探测和三维激光扫描技术精确探测空区，然后利用微震监测方法实时监测立体空区稳定性的总体技术思路，并结合空区赋存特点和处理的难易程度，一次或分次采用碎石充填或控制爆破技术处理空区。

为有效解决柿竹园矿存在的生产技术难题，借鉴“协同开采”理念［11-15］以及已有研究成果［16-20］，本研究提出的协同开采技术方案包括：首先对塌陷区周边的高危空区群采用低品位矿石充填；再禁止塌陷区南部井下采出矿石，清表后在地表采用深孔爆破技术崩落高危悬臂矿岩；然后对塌陷区北部和东北部高陡悬崖实施地表削坡剥离并回填塌陷区；最后由地下开采过渡到露天开采，并探索性回采塌陷区内的巨块矿石。

1 采空区类型划分

根据矿山现场工程地质调查和岩移研究，收集了矿山高10～12 m 的中分段及时更新实测图和地表塌陷区及周边实测图，结合分层塌陷区滑移面和岩石结构面分析，绘制了如图1所示的矿区地表剥离及塌落区分布图。地表塌陷区现状如图2所示。

根据矿山地形地貌、地下采空区情况、岩石性质、结构面特征、岩体失稳破坏特点等因素，本研究将采空区划分为地表和各分段塌陷区、部分充填的过渡型（悬臂）区、高危明空区、外围空区等4种类型。并结合井下采空区调研成果，如实测地表塌陷区、各分段塌落岩移实测点圈成分段塌落区、严重变形的矿间柱等，利用3Dmine 软件建立的空区三维模型如图3所示。

（1）塌陷区（图3A 区）。该区内大块悬拱暗空区和散岩广泛分布，潜孔钻机成孔难度大，机械探测方法难以实施。运用物理探测技术［2］可实现对暗空区探测，主要方法有雷达波法、微重力法、高密度视电阻率法、浅层地震法等。雷达波法［3］和电阻率法在国内外广泛采用，准确率达到90%以上。该区井下停止采出矿石并露天堆填压实低品位矿石后，采用物探方法探明并处理暗空区，确保安全后，再探索性回采该区域矿石。

（2）过渡型空区（图3B 区）。该区暗空区和明空区同时存在，如塌落与部分充填的空区形成过渡型空区。对暗空区探测和危害防治法与A区相同，对明空区探测和危害防治法与高危明空区（C 区）相同。该空区主要分布于塌落区南部，该区域禁止再采出矿石，对井下适宜充填的过渡型空区进行充填处理；对井下无法充填的大悬臂高危空区，在地表采用深孔爆破技术崩落矿岩充填过渡型空区。

（3）高危明空区（图3C 区）。该区大部分人员可进入空区或在空区附近开展相关调查，也可采用高精度三维激光探测仪扫描成图［4］。在实践中，一般以导入井巷导线点为控制点进行编录，方位和坡度以地质罗盘控制，用标准皮尺丈量长度，配以LeiCa 激光测距仪确定顶板高度，以提高空区的编录精度。对于不明老空区或人员无法测量的老采空区，在露天生产中，采用穿孔钻机水平间隔20～50 m 实施孔深24 m的钻探［2］，以便准确把握空区顶板厚度和空区平面轮廓。用上述手段收集的空区资料，误差可在1 m以内。对于该区域的空区，可采用低品位矿石充填或超前揭露采剥方式进行处理，以控制其危害。

（4）外围空区（图3D 区）。该空区一般位于塌陷区范围50 m 以外、600 m 标高以下，受塌陷区影响小，采空区一般稳定、规则、较简单，成线型分布（如平巷及规则间隔的采场采空区），对先期的露天剥离安全影响很小。该区域的空区中个别是对于未来露天开采生产安全有影响的大采空区，参考C区控制技术进行充填处理；其他的小空区随着生产台阶下降，可进行超前揭露采剥处理，以控制其危害。

2 地表剥离境界方案优化

根据工程地质调研成果，通过分析和研究矿山纵横剖面图及生产现状中分段实测图等资料，利用3Dmine 软件建模，以塌陷区中部采区下方315 m×313 m 范围、集中出矿中段492 m 标高为底，按假定的70°错动角圈定的岩移范围作为本研究地表剥离重点作业区，如图4所示。

结合矿床赋存条件与塌陷区的关系，分析认为：①错动范围内表土及岩石绝大部分位于732 m 标高以上，720 m 水平能见到品位较低的工业矿；②塌陷边界北侧的长100 m、宽50 m 半塌陷拱以及南侧长234 m、宽100 m 半塌陷拱岩体由于断层、下部出矿及高陡山坡影响已局部出现滑塌；③除了K5-0/1N盘区和K3-8 矿房外，剩余部分跨度为20 m 的井下半塌陷拱和单个空区基本位于塌陷区南侧及北侧600 m 标高以下；④除了塌陷区西部地面标高约640 m 外，其他区域地面标高均660 m以上。

为尽快解决当前生产问题、减少前期剥离投入，缓解上山公路修建困难，按露天剥离境界底距塌陷区边界30 m、采空区顶板厚不少于50 m［18-19］、最终边坡小于45°［18］的原则，根据东北部坑底平台标高732、720、708 m，分别命名为732、720、708 剥离境界，并通过3Dmine软件建模，进行了方案比选与分析，结果如表1 所示。通过方案比选，优化确定的720 剥离境界如图5至图7所示。

720采剥境界内岩土总量399.68 万m³，其中覆盖层表土40 万m³排入原太平里排土场，359.68 万m³岩土中的低品矿石推排入塌陷区。剥离境界采剥标高为660～885 m，采深225 m，台阶高12 m，台阶坡面角70°，最终边坡角42°～45°，安全平台宽3 m，清扫平台宽6 m，坑内运输道路宽12 m（个别为6 m）。720剥离境界将为露采基建创造有利条件，按采剥能力不少于150万m³/a配套设备，剥离年限约2.4 a。结合西南部浅埋矿体露天剥离，实现总采剥能力约280万m³/a，争取2～4 a 完成首期露天开采基建，为地下转露天开采奠定基础与提供生产经验。

注：①阶段高12 m，台阶坡面角70°；②每2 个台阶设长40 m 缓坡段；③安全平台宽3 m，清扫平台宽6 m，每3 个安全平台留1 个清扫平台；④道路宽一般为12 m，坡度8%～9%，708 m标高以下道路6 m宽，转弯半径15 m；④按150万m³/a计算剥离年限。

3 地下转露天安全协同开采技术

3.1 推排、回填、压实塌陷区矿岩

对于塌陷区凹陷坑，通过采剥低品位矿石，经汽车运至凹陷坑（或大裂隙）外10～15 m 安全地段边缘，由推土机或装载机将其自塌陷坑外边缘向中心分步推排至塌陷坑内。塌陷区正下方停止采出矿石并被低品位矿石堆填、压实形成平台后，再结合物探与钻探等勘察手段探明塌陷区内的悬拱、暗空区等危险源。在采取必要措施、确保安全的条件下，其他设备和人员方可进入塌陷区内进行分台阶采剥塌陷区内的低品位矿石与露采（或地采）的高品位矿石配矿，运至东波选厂进行综合利用。

3.2 露天与地下协同作业安全措施

采区315 m×313 m 范围井下采空区面积3.3 万m2，体积373 万m3，96%的采空区基本被塌落的矿岩充填，从根本上缓解了该矿地压集中难题。当前是露天与井下协同作业的最佳时期，可采取以下协同技术措施：

（1）标高648 m 以上露天采剥与标高600 m 以下地下协同开采期间，最低平台底板（即悬臂梁、单个大采空区）最小安全厚度≥50 m，最终边坡角≤45°。

（2）标高600 m 以上禁止地下开采和禁止大跨度全盘区式地下开采。对安全影响较大的塌陷区南部禁止井下采出矿石；对北部K5-0/1N 全盘区采空区、南部KS1和KS2等大采空区尽快实施充填作业，以防地表突陷。

（3）地下开采转移至塌陷区东部和490 m 以下矿体。采区313 m×315 m 内先回采490 m 以上已塌陷的残矿；然后490 m 以下“隔一采一”先空场法后崩落法回采类锅底形矿体。东部采区与塌落区间留设50 m 隔离矿柱，优先考虑自东向露天境界开采490 m 以下矿体，为地下转露天开采提供6～8 a的协同开采过渡期。

（4）对于井下集中的采矿点，需要进行实时微震监测（图8）和围岩变形自动监测（图9），对塌陷区周边应开展GPS 位移观测，塌陷区内矿岩开展沉降观测。一旦发现异常声响、地压活动、地表位移与变形，应及时分析原因并采取有效的处理措施。

（5）采用实测+物探+钻探手段，超前探明采剥境界内的溶洞、不明空区等，及时标定在平剖面图上并设警示标识。对于影响协同开采安全的高危大采空区实施超前充填作业，大跨度的悬臂梁进行超前深孔爆破崩落，其他稳定空区根据实际情况露天超前1～2个台阶进行采剥处理。

（6）协同作业区与生产计划应及时上图标识，并及时更新三维模型，直观展示空区、地下采区与露天采剥台阶三者之间空间与时间上的关系，实现4维动态监测，实现对危险隐患区的超前预警。

（7）露天剥离先期作业平台狭窄、地形复杂，需因地制宜对高陡的临空面处、悬臂空区、大采空区和狭窄的作业平台等采剥区域开展现场施工图设计、爆破设计和施工组织方案设计，并制定必要的安全防范技术措施，以确保凿岩、铲装运等作业安全。

（8）推测塌陷凹坑深多为113 m 左右，按75°岩移角计算，塌陷区周边约30 m 范围内岩石最容易发生滑塌。因此，按塌陷边界外30 m 处划定采剥安全重点防范区。距离塌陷区边界外10 m 处，划定为剥离危险区。在上述采剥离区域内的当班作业人员应系安全绳并且人数控制在3人以内。

（9）汽车运输矿岩至塌陷界限外10～15 m 安全平台后卸载，而后采用遥控铲装排设备将矿岩推排至塌陷区。向塌陷区推排废作业时，严禁无关人员在坡底及下方作业、停留和休息。

（10）对于采剥工作帮、高陡边帮、剥离安全重点防范区，应加强现场巡视和生产管理工作。一旦发现有不安全因素时（可能出现局部边坡开裂、坍塌），应立即停止作业，采取有效措施处理后方能继续作业。

4 结 论

在柿竹园矿高危空区群开采技术条件下，为确保地下开采逐步转露天开采的顺利实施，开展了错动范围内矿岩露天采剥境界与地下安全协同开采技术研究，得出了以下结论：

（1）对柿竹园矿高危群空区开展现场调研和工程地质调查，根据矿山10～12 m 中分段及时更新的实测图和地表塌陷区实测图，并结合岩石力学和岩体结构面研究，采用3Dmine软件建模分析，可精准划分塌陷区、过渡型（悬臂）空区、高危明空区、外围空区等。

（2）为减少前期剥离投入、缓解剥离境界外修路难的现状，结合环山贴坡布置螺旋型阶梯状剥离台阶、道路融入山坡剥离境界等思维，按地表剥离坑底距塌陷边界外30 m、距采空区顶板不少于50 m、最终边坡45°的原则，利用3Dmine 软件进行建模研究，优化确定了720剥离境界。

（3）720 剥离境界能快速地剥离高陡边坡的表土与不稳定滑坡体，构筑截排水平台，排除该矿井下泥流危害，减少表土混入影响选矿，削坡卸荷以防塌陷区周边形成高陡悬崖、滚石、滑坡、地表泥流等地质灾害，同时为露采基建创造有利条件，为地下逐步转露天开采奠定基础与提供生产经验。

（4）协同作业区域与生产计划应及时上图标识，并及时更新三维模型，直观展示空区、地下采区与露天采剥台阶三者之间在空间与时间上的关系，实现4维动态监测和对隐患区的超前预警。

（5）通过严格规划地下开采、回填高陡塌陷区、实时微震监测地下采矿点、GPS监测塌陷区周边围岩位移与沉降、实现超前预警、提前处理危险空区、加强生产管理等一系列露天和井下协同开采技术措施，解决了该矿当前生产难题，为露天与井下协同作业提供了安全保障，可为类似矿山提供有益参考。