地下转露天开采的采空区危害与探测技术探讨

２０１０年第ｌ０期　煤炭工程　地下转露天开采的采空区危害与探测技术探讨　王海君　，李克民　，陈树召　，陈彦龙　（１．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州２２１００８；　２．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州２２１００８）　摘要：为保证地下转露天开采顺利实施，文章进行了地下采空区危害与探测技术分析。从　便于探测和处理的角度出发对地下开采形成的采空区进行了按成因分类。分析认为采空区对露天　生产的危害主要体现在经济效益下降、生产接续困难、威胁生产安全和增加穿爆工作难度四个方　面。地球物理方法是较为实用的采空区探测方法，其中高密度电法是现阶段实践证明最有效的单　一探测方法；而机械探测法适用于疑似采空区的确认。　关键词：地下转露天开采；采空区危害；探测技术；地球物理方法；高密度电法　中图分类号：ＴＤ３２５　．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—０９５９（２０１０）１０－００６９－０３　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｇｏａｆ　ｄａｎｇｅｒｓ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｍｉｎｉｎｇ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｔｏ　ｓｕｒｆａｃｅ　ＷＡＮＧ　Ｈａｉ—ｊｕｎ　－一，ＬＩ　Ｋｅ—ｍｉｎ　．＿，ＣＨＥＮ　Ｓｈｕ—ｚｈａｏ　，ＣＨＥＮ　Ｙａｎ—ｌｏｎｇ　’　（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｍｉｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ　２２１００８，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ　２２１００８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅ　ｄａｎｇｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｇｏａｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｎ　ｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｇｏａｆ　ｆｏｒｍｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｍｉｎｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｃｌａｓｓｉｉｆｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃａｕｓｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｈｅｌｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄａｎｇｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｏａｌ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｉｉｆｃｕｌｔ，ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｓａｆｅｔｙ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｇｏａｆ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｂｌａｓｔｉｎｇ　ｄｉｆｉｆｃｕｌｔ．Ｔｈｅ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ａ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｇｏａｆ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｃｏｎｆｉｍｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｓｔａｇｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅｓ　ａｓ　ａ　ｍｏｓｔ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎ　ｇｏａｆ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉｎｇ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｔｏ　ＳｕＩ￣ａｃｅ；ｇｏａｆ　ｄａｎｇｅｒｓ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ；　ｈｉｇｈ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ　相对于地下开采而言，露天开采具有资源回采率高、　开采形成的采空区分为明空区和暗空场两类　Ｊ。研究借鉴　生产能力大、安全水平高、工作环境好、生产成本低等优　其经验，从便于采空区探测和处理的角度出发将地下采空　势…。基于以上认识，国内外部分矿山实施了地下转露天　区分为四类。　开采。虽然这类矿山相对较少，但在资源条件允许的情况　１）计划性开采形成的采空区。主要指建国以来国有矿　下采用露天开采是矿业的发展趋势。对于地下转露天开采　山有计划的开采作业形成的采空区，其特点是采矿活动有　的矿山，生产中受到原地下开采留下的采空区威胁是不可　较详细的设计，采空区可以很容易的在平剖面图上圈出。　避免的，因此开展相关采空区探测和处理技术研究具有重　以紫金山金矿为例，其１９９３至２０００年间由中国有色金属　要的现实和长远意义　。　总公司地下开采形成的采空区可归为此类。　１采空区类型　２）民采或古代开采形成的采空区。我国采矿历史悠　久，东部的很多矿山从宋代甚至更早便已开始了小规模开　紫金山金矿是我国实施地下转露天开采的典型代表，　发。未经规划的民采和古代开采形成了大量采空区，这类　在生产实践中他们根据人员是否能够进入开展调查将地下　采空区的特点是无资料可查（或资料无法满足罔定采空区的　收稿日期：２０１０～０４—１９　作者简介：王海君（１９７０一），男，河北邯郸人，采矿高级工程师，１９９２年毕业于重庆大学采矿工程专业，现为中国　矿业大学采矿工程博士研究生、内蒙古泰升集团副总经理，主要从事采矿工程技术方面的研究。　６９　煤需要），需要开展专门的采空区探测工作。　炭工程　２０１０年第１Ｏ期　Ｃ　＝Ｃ　＋ＡＣ　Ａ　＝Ａ一△』４　（４）　（５）　３）顶板岩层移动形成的采空区。采用垮落法处理顶板　时，无论是强制崩落还是自然垮落，都不能充分充填采空　区，因顶板岩层移动使采空区扩大。随着岩层控制理论与　技术的发展，这类采空区可通过开采形成的采空区预测。　４）次生灾害形成的采空区。在地下开采过程中或结束　后，采空区内可能发生次生灾害，如积聚水等，进一步侵　蚀采空区周边的岩体，扩大了原采空区或形成新的采空区。　较为常见的是地下煤矿开采后形成的火区，无论是人为失　则：　ＳＤ＝１００×；（ｑｙ—ｑＤ）（Ａ一△Ａ）一［　ｃ　＋　（Ｑ　一Ｑ。）（ｃ　＋ＡＣ）］｝　ＡＳ＝１００×［（△Ａ＋ａｃ）Ｑｙ（　十ＡＣ—ＡＡ—　Ｃ　）Ｑ。］　此外，还需考虑一定的采空区探测成本：　ＡＳ＝１００　ｘ［（△Ａ＋ＡＣ）Ｑ　（Ａ＋ＡＣ—ＡＡ—　（７）　（６）　误造成的还是煤自燃发火形成的，都会不断侵蚀煤壁而扩　大采空区　。如新疆库尔阿肯煤田地下火区，２０世纪７０年　代由于小煤窑开采形成，在１９９６年至２００５年的十年里，　火区长度由１０ｋｉｎ左右发展至２６ｋｉｎ。　通过对四种采空区类型的特点进行分析可知，计划性　开采形成的采空区由于区域明确，对于地下转露天开采不　会构成太大影响；民采或古代开采形成的采空区和顶板岩　层移动形成的采空区，由于采空区的形成区域未知或需要　预测，所以需要进行专门的采空区探测工作；对于次生灾　害形成的采空区，由于此种采空区的形成与地质构造相关，　所以如果地质条件比较特殊，如开采区域为含水层或者煤　易自燃等，同样要加强采空区的探测工作。总之，采空区　的探测工作是实现开采方式由地下转为露天的一个先决条　件，需要认真对待。　２　采空区危害　地下开采形成的采空区不仅降低了露天开采的经济效　益，而且威胁到生产作业安全。　２．１经济效益降低　矿产资源通过地下开采以后，形成采空区，再转为露　天开采，南于可采矿产资源减少，导致露天开采的经济效　益降低。地下开采的影响可用下式表达：　Ｓｙ＝１００×［ＱｙＡ一（ＶＣＢ＋ＱｙＣ　）］　（１）　Ｓ。＝１∞ｘ｛（９　一Ｑ。）Ａ一［Ｖｃ　＋（９　一Ｑ。）ｃＫ］｝（２）　ＡＳ＝１００　Ｘ（Ｑ　一Ｑ。）（Ａ—Ｃ　）　（３）　式中Ｓ　——原预计露天开采效益，万元；　Ｑ　——原罔定资源量，Ｍｔ；　Ａ——矿石售价，　ｔ；　露天矿设计剥离量，Ｍｍ　；　Ｃ　——露天剥离成本，元／ｍ　；　Ｃ　——露天采矿成本，元／ｔ；　Ｓ，　——地下开采后的露天矿开采效益，万元；　Ｑ　——地下开采采出的矿石量，Ｍｔ；　△．　一地下开采造成的露天矿效益降低，万元。　地下开采不仅采出了部分资源，而且会导致露天采矿　成本升高、采出矿石品位降低，进一步恶化露天矿开采的　经济效益。假设地下转露天开采的采矿成本Ｃ　和矿石售　价Ａ　有：　７０　Ｃ　）Ｑ。］＋Ｃ。　（８）　式中Ｃ　——采空区的探测成本，万元。　２．２生产接续难度加大　露天矿生产中，一般会进行剥采比均衡来保证生产稳　定；而采空区的出现可能使大量的剥离工作失去效益，造　成生产管理难度加大。设露天矿均衡剥采比为ｎ，则需增加　剥离量ＡＶ＝ｎＱ　。　２．３威胁生产安全　采空区对露天矿生产安全的影响主要是由围岩形变的　恶化导致的。采空区围岩在时间效应、水化作用和外力震　动等因素影响下抗剪强度降低，发生连续性破坏传导至露　天采场工作范围时，威胁露天生产安全　。具体表现为地　面塌陷、边坡失稳和积蓄物质释放。　地面塌陷分预见性塌陷和非预见性塌陷两种。前者是　人为采取生产性爆破等技术措施贯穿已知的采空区顶板而　引起的塌陷，具有主观故意性，其危害较小，主要表现为　矿石采运难度增加，引发产量衔接困难；而后者是未知的　采空区或采空区已知但认为不会塌陷的地区突然发生塌陷，　他直接威胁设备和人员作业安全。２００１年紫金山金矿８６３　平台塌陷导致一台ＫＱＧ一１５０Ｙ钻机坠人空场　。　由于地下采空区的存在，使得多种空间在露天作业台　阶交汇，所产生的切割作用削弱了台阶的整体性，因为边　坡失稳的可能性大幅度提高；另外采空区顶板垮落引起的　地面塌陷可能直接弓Ｉ发边坡失稳　］。另外，采空区内可能　积聚的水、火、有毒气体等物质，一旦露天开采过程中揭　露采空区导致积聚物质释放，会威胁临近设备、人员安全。　２．４穿爆工作难度大　采空区的存在不仅会威胁到穿孔设备的作业安全，而　且会降低其作业效率，在采空区顶板裂隙断裂带和无连续　断裂变形带穿孔时容易出现卡钻等现象；爆破时，由于未　预见的自由面和岩石破碎出现，爆轰气体可能从设计以外　的方向散出，导致爆破效果不能满足要求。　３采空区探测技术　由于采空区存在的普遍性和对露天开采的巨大危害，　准确探测地下开采形成的采空区是矿产资源地下转露天开　采过程中面临的主要技术难题。对于未知采空区的探测，　现阶段主要有机械探测法和物理探测法两大类。　２０１０年第１０期　煤炭工程　机械探测法利用钻机结合已有资料对疑似采空区的地　区实施现场探测，该方法探测结果较为准确，但成本较高，　作业的危险性较大，因此多用于对已圈定采空区的确认。　地球物理方法具有安全性好、成本低、精度高、探测工作　条件好等特点，但探测效果受到实际地形、地质条件和矿　岩介质物理力学性质的限制和影响。当前用于采空区探测　的主要有常规电法、浅层地震法、微重力法、探地雷达法、　法探测露天采区内的暗空场。　３．４综合物探法　随着勘探工作的不断深入，人们要求的勘探的精度不　断提高，待解决问题的复杂性和难度加大，但由于单一物　探方法往往对地质异常体很难定性，因此已不能满足生产　的要求，综合物探方法根据地质体的密度、电性、弹性等　多种物性对采空区进行探测，应用各种方法相互验证，使　异常体的确定更加准确、可靠。同时，采用综合探测技术　能减少误判，提高准确度和精度，比单一探测方法的结果　瞬变电磁法、高密度电法等。　３．１浅层地震法　地震波在弹性介质中传播，遇到弹性不同的介质分界　面，就会产生波的反射。浅层地震反射波法就是利用这一　特性，人工激发地震波并接收反射波信号，通过时频特征　和振幅特征分析了解到地下地质体的特征信息，达到工程　地质勘察目的。浅层地震勘探具有快速、经济、较全面地　反映测区地质结构信息特征的优点，它能够较好的解决和　圈定出煤矿采空区，因而广泛应用于煤矿区的工程勘探。　３．２探地雷达法　探地雷达（Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ，简称ＧＰＲ，又称　地质雷达、透地雷达）是利用频率介于１０６—１０９Ｈｚ的无线　电波来确定地下介质分布的一种方法。它依据电磁波在地　下介质中传播时遇到存在电性差异的界面会发生反射的原　理，通过向地下发射及接收反射回地面高频电磁波，根据　接收到电磁波的波形、振幅强度和时间变化特征推断地下　介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。探地雷达广泛　应用于检测各种材料的组成，如岩石、泥土、混凝土等；　也用于确定管道、缆线、孔洞、基础层、混凝土中的钢筋　及其它地下埋件的位置。该方法的分辨率高，但探测深度　受限，在超浅深度内是最可信赖的无伤探测方法。　３．３　高密度电法　高密度电法全称为直流高密度电阻率法，基本原理为：　通过电极向地下岩层供给直流电流，测量电极问电位差，　并用计算机得出视电阻率。它实质上是一种阵列勘探方法，　与常规电法相比，具有如下特点：①电极设置引起的故障　和干扰较少，有利于实现野外数据的快速和自动测定；②　可获得更丰富的关于地电断面结构特征的地质信息；③野　外数据采集自动化，可进行资料预处理；④成本低、效率　高、信息丰富、解释方便。　极化补偿是高密度电法测量系统中比较关键的技术。　极化电位包括：金属表面与土壤间的接触电位、地面本身　的自然电位和通电后土壤中离子迁移产生的各种电位。在　激发极化法中第三种电位是待测的有用信号；在电阻率法　中，该信号是干扰。而且由于其影响，即使在停电１８０ｓ后　电极电位也不能恢复至供电前水平。因此极化补偿非常重　要，一般要求硬件和软件双重补偿，必要时要反复循环。　我国栾川钼业公司三道庄露天矿采用高密度电法探测露天　采场内的采空区取得了良好的效果，经深孔钻机机械探测　验证，精度误差仅为４．５８％；紫金山金矿业采用高密度电　更可靠。该方法应用于许多采空区的探测实践中，取得了　令人满意的探测结果。探测成果为消除安全隐患，实现矿　山由露天开采转入地下生产提供了安全保障条件。如贺兰　山脉西北端的乌兰煤矿北二采区与几个小煤矿毗邻，因采　空区边界及含水性情况不明，影响了采区的设计，也严重　威胁着矿井的生产安全。应用三维地震及电磁法对该区采　空区进行综合物探方法勘查，最大限度地克服了多解性，　基本上查明了北二采区采空区的下边界，查清了采空区的　含水状况，为采区设计和安全生产提供了决策依据。　４结论　１）从便于采空区探测和处理的角度考虑，地下开采形　成的采空区按成因可分为计划性开采形成、民采或古代开　采形成、顶板岩层移动形成、次生灾害形成四类。　２）地下转露天开采过程中采空区对露天生产的危害主　要体现在经济效益下降、生产接续困难、威胁生产安全和　增加穿爆工作难度四个方面。　３）机械探测法的探测结果较为准确，适用于对矿体内　疑似采空区的确认，而地球物理方法适用于大区域采空区　普查，但探测效果受到实际地形、地质条件和矿岩介质物　理力学性质的限制和影响。　４）浅层地震法、探地雷达法、高密度电法和综合探测　法是较常用的地球物理探测方法，我国多个露天矿的应用　效果表明，综合探测法是现阶段最有效的采空区探测方法。　参考文献：　［１］　骆中洲．露天采矿学（采矿工艺）［Ｍ］．徐州：中国矿业大　学出版社，１９９６．　［２］　曾宪辉，林连宝，邹凯．紫金山金矿地下采空区顶板上露天　台阶失稳的控制ｅＪ】．有色金属，２００２，５４（２）：９３～９７．　［３］　林连宝．紫金山金矿地下转露天开采采空区围岩工程地质特　征及危害控制［Ｊ］．有色矿山，２００３，３２（２）：ｌＯ～１４．　［４］　张建民．中国地下煤火研究与治理［Ｍ］．北京：煤炭工业　出版社，２００８．　［５］　张阳荣．紫金山金矿露天开采中的地采空区危害及其技术对　策［Ｊ］．黄金，２００２，２３（５）：１１～１４．　［６］　刘荣春．地下开采转露天开采工程岩体的失稳危害与控制技　术［Ｊ］．有色金属（矿山部分），２００５，５７（３）：２５～２８．　［７］　郭辉成．地采转露采空区处理探讨［Ｊ］．中国矿山工程，　２００７，３６（２）：４～６．　（责任编辑郭继圣）　７１