地下礦山采空區(qū)探測及綜合治理研究

文紅兵

（西部黃金克拉瑪依哈圖金礦有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000）

本文首先對采空區(qū)的特點以及其危害性進(jìn)行簡述，采空區(qū)的隱伏性和空間分布的不規(guī)律性會對礦區(qū)的采集工作造成嚴(yán)重影響，甚至?xí)﹂_采人員的生命安全造成威脅；然后對地下礦山采空區(qū)的探測方法以及探測注意事項進(jìn)行探究分析，并就采空區(qū)的穩(wěn)定性提出了一些有效的評測方法；最后針對采空區(qū)提出了三種治理方法，并就其實際操作的注意事項進(jìn)行簡述。

1 采空區(qū)特點以及危害性

地下礦山的采空區(qū)一般是由人為挖掘并伴隨著礦井內(nèi)部巖層剝落導(dǎo)致的地下空洞，礦山的采空區(qū)為礦區(qū)生產(chǎn)以及工人施工帶來了巨大的安全威脅。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國可開采的礦區(qū)都存在著或大或小的采空區(qū)，我國礦區(qū)采空區(qū)體積最大時約有260億立方米。采空區(qū)的形成原因可以分為兩大類：人為挖掘與自然形成。部分小型礦區(qū)采集團(tuán)隊在礦區(qū)開采時，由于過度開采以及開采技術(shù)不佳，致使礦區(qū)巖層受到破壞，行成地下采空區(qū)。而隨著地質(zhì)運動，地下礦區(qū)巖層會出現(xiàn)變化，從而行成采空區(qū)。由于開采技術(shù)不同形成的采空區(qū)類型也有所不同，目前已發(fā)現(xiàn)如下幾種采空區(qū)類型：礦區(qū)長壁工作巖層面完全垮落法所形成的采空區(qū)（傾斜或緩傾斜礦層） 、回采工作巖層面完全充填或部分充填法所形成的采空區(qū)、短壁半垮落條帶回采工作巖層面所形成的采空區(qū)和短壁非垮落條帶回采工作巖層面所形成的采空區(qū)。采空區(qū)具有隱伏性強(qiáng)、空間分布特征規(guī)律較差的特征。這兩大特征為礦山的開采工作帶來很大的阻力，也為礦產(chǎn)開采人員的工作埋下安全隱患。因此，需要采取有效的方法來治理礦山采空區(qū)現(xiàn)象。

地下礦山的采空區(qū)具有較強(qiáng)的隱伏性，一般很難用肉眼分辨出采空區(qū)。如果采集團(tuán)隊沒有實現(xiàn)進(jìn)行地質(zhì)勘探，在施工過程中，可能會出現(xiàn)人員或者開采設(shè)備掉入采空區(qū)的意外事故。因此，在礦山開采工作實操前，一定要組織勘探隊伍對開采礦區(qū)的地質(zhì)狀況進(jìn)行勘測，并根據(jù)地形地貌制定安全合理的采集方案。地下礦山的采空區(qū)還會影響深層采集工作的順利進(jìn)行。由于采空區(qū)具有空間分布不規(guī)律的特點，即便事先進(jìn)行了勘探工作，也只能確定采空區(qū)的大致位置，而無法預(yù)測采空區(qū)對深層采集工作的影響。這不僅會影響采集工作的進(jìn)度，還會嚴(yán)重影響礦山的生產(chǎn)。采空區(qū)還會導(dǎo)致礦區(qū)坍塌事故。人為形成的采空區(qū)會破壞礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)的和諧性與穩(wěn)定性，在進(jìn)行深度開采時，頂柱無法支撐整個開采區(qū)的壓力，就會出現(xiàn)坍塌事故，這會嚴(yán)重威脅到采礦工人的生命安全。除此之外，采空區(qū)還會影響礦山城市化的進(jìn)程。部分已經(jīng)開采過的礦山具有較穩(wěn)定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與較高建設(shè)價值，可以在其附近區(qū)域進(jìn)行建筑工程施工。但是受采空區(qū)的影響，很多建筑物都無法進(jìn)行建設(shè)，這使得礦山的利用價值大大下降。

2 地下礦山采空區(qū)探測注意事項以及穩(wěn)定性分析

2.1 地下礦區(qū)采空區(qū)探測方法及注意事項

為了提高施工安全度，在開采礦山之前，都會對采空區(qū)進(jìn)行探測?，F(xiàn)階段所使用的采空區(qū)探測方法主要有物體探測和鉆探，其中物體探測是借助探測設(shè)備對礦山進(jìn)行地質(zhì)檢測，根據(jù)探測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，判斷該區(qū)域是否存在采空區(qū)或者判斷采空區(qū)的位置；而鉆探則是使用鉆孔儀器打一定深度的孔洞，然后對礦區(qū)內(nèi)部情況進(jìn)行勘探。如圖1所示，其為瞬變電磁法在礦山采空區(qū)探測中的應(yīng)用。主流的物探方式有電法勘探、探地雷達(dá)、地震勘探法、層析成像法等等。這些物探方法都屬于間接探測，主要操作流程是先在礦區(qū)采集巖石樣本，然后利用物理學(xué)原理或者探測儀器對這些樣本進(jìn)行檢測分析，根據(jù)試驗結(jié)果得出該礦區(qū)的地質(zhì)情況與采空區(qū)狀態(tài)。下面對這些物探方法進(jìn)行簡要介紹，并就使用該物探方法對采空區(qū)進(jìn)行探測時的主要事項進(jìn)行探究。

圖1 瞬變電磁法在礦山采空區(qū)探測中的應(yīng)用

電法勘探的原理是通過對礦區(qū)測點處巖石的電阻率或者礦區(qū)的測深點的電阻率進(jìn)行測量，將測得的電阻率數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)樣化表進(jìn)行比對，得出測點下的斷層狀況與斷層深度。在使用電法勘探時，一定要選擇合適的測深點，原則上測深點不少于十個且各個測深點盡量均勻分布。這樣能夠提高勘探效率與勘探結(jié)果的可靠度。探地雷達(dá)的工作原理是利用電磁波的反射原理，探測時，探地雷達(dá)向探測區(qū)發(fā)射電磁波，并等待接收反射回來的電磁波，通過設(shè)備內(nèi)嵌的程序計算出地底深度。探地雷達(dá)操作簡單，探測結(jié)果準(zhǔn)確度較高，但是探測深度有一定的限制，市面上售賣的探地雷達(dá)的探測深度范圍為0.1m～30m，深度深于30m，探測結(jié)果的準(zhǔn)確度較低。地震勘探法的工作原理是利用地質(zhì)彈性與密度的差異。由人工制造彈性波，通過觀察彈性波在礦區(qū)地質(zhì)層的傳播狀態(tài)來界定采空區(qū)的有無與位置情況。地震勘探法是礦區(qū)勘探采空區(qū)的重要方法，也是最有效的方法之一。地震勘探法需要控制好人造彈性波的能量大小，否則可能會破壞礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重情況下會出現(xiàn)礦區(qū)坍塌。層析成像法是利用射線對觀測巖層進(jìn)行掃描，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析反演，得出觀測巖層的具體形狀，進(jìn)而得到礦區(qū)采空區(qū)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。使用層析成像法進(jìn)行地質(zhì)勘探時，勘探人員需要進(jìn)行防輻射保護(hù)，需要穿戴防護(hù)服。在勘探之前，一定要疏散無關(guān)人員，避免其受到射線照射。

2.2 地下礦山采空區(qū)穩(wěn)定性分析

利用物探與鉆探方法得到采空區(qū)的具體數(shù)據(jù)后，還應(yīng)該對采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，然后根據(jù)穩(wěn)定程度選擇合適的治理手段與開采方法。下面就地下礦山采空區(qū)的穩(wěn)定性檢測進(jìn)行探究分析。目前主流的采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法有理論分析法、相似模擬分析法、數(shù)值模擬分析法以及工程穩(wěn)定性類比分析法。其中理論分析法主要通過計算頂板承載力、對礦區(qū)地質(zhì)巖層密度以及采空區(qū)周圍地表的破壞程度進(jìn)行理論分析，進(jìn)而推算出采空區(qū)的穩(wěn)定性，理論分析法只能通過地質(zhì)知識與計算公式得出的結(jié)果，如果數(shù)據(jù)測量過程中出現(xiàn)錯誤會影響整個分析結(jié)果，因此理論分析方法具有較高的錯誤率。而相似模擬分析法，是在實驗室進(jìn)行相似模擬試驗，通過模擬礦區(qū)開采沉陷過程與開采穩(wěn)定后的地面狀態(tài)來對礦區(qū)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。這種方法操作較為復(fù)雜，但是分析結(jié)果的可靠程度較高。

而數(shù)值模擬分析法的工作原理是利用數(shù)值模擬對模型力學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而得到更為精準(zhǔn)的礦區(qū)模型。該類穩(wěn)定性分析方法操作比相似模擬分析法的操作更加復(fù)雜，但是模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度更高，不僅能夠?qū)ΦV山采空區(qū)進(jìn)行類型區(qū)分，還能得到空區(qū)頂板受力狀態(tài)，穩(wěn)定性分析過程更為直觀。工程穩(wěn)定性類比分析法的工作原理是通過模擬礦區(qū)開采工程，來預(yù)判采空區(qū)的穩(wěn)定性承載能力。這種方法不僅能夠得出采空區(qū)的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，還能對開采操作進(jìn)行規(guī)范。有利于界定礦山的承載力，為后期開采施工指明了大致方向，很大程度上降低了因過度開采或者開采施工強(qiáng)度較高而導(dǎo)致的塌方事故。在對礦山采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析后，應(yīng)該制定合理的治理方案和開采施工方案，力求將采空區(qū)的危害降到最低。

3 采空區(qū)綜合治理研究

3.1 崩落法處理采空區(qū)

在礦山巖層結(jié)構(gòu)允許崩落的情況下，可以采用崩落法治理采空區(qū)。崩落法是通過外力將采空區(qū)周圍的巖層剝落下來，并以此來填充采空區(qū)，當(dāng)采空區(qū)被填滿后，還要對崩落的巖層進(jìn)行處理?？梢允褂蒙惩粱蛘咚槭瘜Ρ缆涞膸r層與地表進(jìn)行填充。崩落法的優(yōu)勢是操作簡單，能夠很快見到采空區(qū)治理成效，而且治理成本也較低。在礦山巖層結(jié)構(gòu)易于崩落和采空區(qū)體積適中的情況下，可以采用崩落法治理采空區(qū)。巖石崩落分為自然崩落和人為崩落，人為崩落巖層時一般使用炸藥進(jìn)行爆破，實際操作過程中，一定要向有關(guān)部門申請爆破備案。巖層爆破過程中，在場人員需要做好防護(hù)工作，避免出現(xiàn)意外傷亡事故。

3.2 填充法處理采空區(qū)

一些露天采集區(qū)地面表層有建筑物和許多施工設(shè)備，這樣的地表周圍條件是不支持崩落法的。這種情況下，可以采用填充法處理采空區(qū)的空陷?？梢允褂蒙惩痢⑺槭?、采集的巖層作為填充物，在填充過程中，不能直接將填充物拋至采空區(qū)。這樣可能會破壞礦山內(nèi)部的巖層結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致塌陷事故?？梢岳勉@孔進(jìn)行填充，也可以安裝一些管道，將填充物通過管道運送到采空區(qū)。該類治理方法對于操作人員的耐心度要求較高，而且耗費的時間較長，經(jīng)濟(jì)效益性較低。

3.3 封閉法處理采空區(qū)

封閉法主要適用于采空區(qū)穩(wěn)定性較高的礦山，這類采空區(qū)一般體積較小，深度較淺，出現(xiàn)崩塌的較小。而由于其規(guī)模較小，即便出現(xiàn)崩塌也不會影響礦山的生產(chǎn)進(jìn)度與采集人員的生命安全，只需進(jìn)行封閉處理即可。比如，可以在采空區(qū)附近設(shè)置警示帶或者采用障礙物設(shè)立圍欄，避免無關(guān)人員靠近。封閉法適用范圍并不廣泛，僅適用于十分穩(wěn)定的采空區(qū)。這種治理方法操作簡單、經(jīng)濟(jì)性較高，基本上沒有治理成本。但是需要定期對該礦區(qū)的采空區(qū)進(jìn)行檢測，一旦采空區(qū)的穩(wěn)定性降低，還要對采空區(qū)進(jìn)行二次處理。

4 總結(jié)

采空區(qū)是由于人工過度開采和地質(zhì)運動形成的，采空區(qū)會對施工人員的生命安全造成威脅，還會影響礦山的生產(chǎn)進(jìn)度。因此，對礦山的采空區(qū)進(jìn)行及時治理是十分必要的。常用的治理方法主要有崩落法、填充法和封閉法這三類，實際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)采空區(qū)的特點選擇合適的治理方法。