李艳雄
金堆城钼业股份有限公司 陕西省渭南市 714102
摘要：通过露天矿采空区安全技术措施的应用，使电铲、钻机、采矿汽车等大型设备处于采空区上方作业时，避免和减少因采空区顶板冒落坍塌所造成的人员伤亡及设备损坏事故的发生，有效的保证了矿山的安全生产。本文浅析露天矿采空区处理中的安全防治措施。
引言
为提高矿山资源回收率和开采的安全性，大部分符合露天采矿条件的矿山均采取露天开采方式。目前，如何治理采空区已经成为露天开采中的一项重要研究课题，随着矿山向深部开采，压力也随之增大，地下采空区在强大的地压下，极容易发生垮塌，尤其是对井下开采后转为露天开采的矿山影响相当大。井下开采残留的大量采空区没有进行及时的治理，给露天开采造成了严重威胁。
1采空区顶板冒落的主要原因
采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区，按矿产被开采的时间，可分为老采区、现采区和未来采区。由于历史上的无序开采，与一味的追求产量高指标，忽视对地质环境的保护，加之受煤矿开采条件、开采方式、生产工艺、技术装备等综合因素影响和限制，使矿区地质环境遭受严重破坏。采空区形成以后，各空洞之间的煤柱极不稳定，在压力、震动及地下水冲刷、溶蚀的作用下，煤柱失去稳定性，上部覆盖的岩层失去支撑，极易发生垮塌。
2采空区顶板冒落对露天矿的危害
由于采空区的不规则性、不确定性及不稳定性，加之相关技术资料的不完善，使得露天开采中极易发生垮塌事故。同时，产生大量的有毒有害气体，为露天开采留下了严重的安全隐患。采空区对露天矿安全生产的危害主要表现在以下几个方面。
2.1对设备及操作人员的危害
电铲、钻机、采矿汽车或其他大型设备正处于采空区上方作业时，在压力及震动的作用下，采空区煤柱失稳，上覆岩层极易发生垮塌，造成人员伤害、设备损毁等事故。
2.2对爆破作业的危害
在爆破过程中，采空区积聚的可燃气体可能被引爆，使爆炸能量增大，造成人员伤害和设备意外损坏。
3安全技术措施
3.1顶板安全厚度确定
顶板厚度对空区处理施工安全非常重要。多层重叠空区结构力学体系复杂，且外在因素（爆破震动、雨水弱化、设备动静载荷）对空区稳定性的影响增大，为此，多层重叠空区顶板最小安全厚度应在单层空区顶板最小安全厚度的基础上，增加1．5的安全系数，确保中深孔切割崩落法处理施工安全。经过与高校合作，通过对岩石力学参数测试及数值模拟分析，结合工程地质情况及采空区赋存状况，对采空区进行稳定性分析，确定了采空区顶板最小安全厚度，严控设备、人员安全作业条件。
3.2钻孔碎石充填
地表钻孔碎石充填法适用于空区相互重叠且空区之间的隔层厚度小于最小安全厚度，同时被上部空区覆盖的下层空区规模大、采高高、跨度大、体积大的多层空区的处理。钻孔碎石充填法是在空区顶板上方的地表台阶面采用140mm潜孔钻机穿凿至空区，用350mm套管利用地质钻对小孔进行扩孔，然后将次品矿进行破碎，由汽车运至碎石仓，通过圆盘给料机将仓内碎石下放到皮带输送机，运至钻孔上部的下料仓，碎石通过钻孔充填空区。空区充填后，再进行台阶推进，同时采用崩落法对未充填密实的空区进行小规模爆破处理。碎石充填空区后，对空区顶板和侧帮岩体形成支撑，有效控制空区顶板和矿柱受压变形破坏，避免空区塌陷；同时碎石充填空区，虽未能完成充填密实，但能大大减少空区体积和空区顶板连续暴露面积，使其危险程度降低，能保证台阶推进时人员和设备的安全。
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3.3空区探测
目前，国内外对于采空区探测主要采用高密度电阻率法、地震波法、探地雷达法、三维激光法等，经过测试比对，三维激光法效果良好，能实现对空区的精确测量。空区激光扫描系统工作原理是依靠激光定位，光线从光源发射到前面的某个目标反射回来，利用高速电子电路测定其经历的时间，并以此来测定光源至目标的距离。空区激光自动扫描系统（CALS）依靠遥控装置控制探头测定数据，通过电缆等传输设备输入到控制软件中进行数据转换，生成空区三维模型。金钼汝阳露天矿地下转露天时对井下工程资料进行统一收集、现场实测，但是由于地下采空区复杂，不能精确地反映地下采空区特性，而且受岩石风化及破坏作用，其形态随着时间推移有所变化，为了对采空区进行精确评价，需要准确掌握影响计划推进的台阶下采空区形态，利用常规钻机对资料显示存在空区的计划设备作业区域进行钻探复核，确定精确的三维形态及赋存状态，制定可靠的空区穿爆方案；提前利用潜孔锤反循环钻机技术对深部高危空区进行深孔复核，逐层测清空区形态及相互关系，便于综合考虑治理方案；在台阶面按照一定网度对疑似存在空区的区域进行探测，以便确定无资料的盲空区。钻探仅能掌握空区的顶板厚度以及空区高度，为准确掌握空区的面积、三维形态，利用潜孔钻机在空区上方施工110-140mm小孔，孔深以穿透空区为准，探头在空区内360°无死角扫描，利用发射回的数据形成空区定位的点云，利用专业控制软件导出转化后形成三维图形，可以与SUＲPAC、3Dmine、CAD软件进行对接，便于分析设计。
3.4空区监测与安全预警
空区稳定性监测预警常用的监测方式包括应力监测、变形（位移）监测、光弹监测、声发射监测、微震监测和弹性波测试等。声发射技术（AE）是利用岩石破裂过程中往往伴随声波信号的特点，根据信号强度判断岩石破坏程度及破裂地点，当探明空区后，根据空区的危险程度埋设声发射监测装置，普遍适用于国内外露天和地下金属矿山，该方法简便、实用，适应性好，采用整体监控，重点关注计划作业区空区情况。微震监测是利用岩石破裂过程中由于弹性应变能的释放，采用多点监测，可对微震事件进行定位，进而确定岩石破裂部位，根据微震事件的强度，可对大规模地压活动提供预警，对于高危空区区域管控效果明显，能对微震事件全数字化数据采集、存储及处理，进行物理多参数分析，实现信息的远传输送和多用户计算机远程可视化监控与分析，减轻监测人员的工作危险性与劳动强度，已经建立地表与地下多通道微震监测控制网络，实现全范围立体24h全天候实时监测、高精度空间定位，确保人员设备在高危空区相关区域作业的安全。
3.5遥控机械采矿
利用最先进的自动化技术（通讯、定位、工艺设计、监视与控制系统）操纵采矿设备。遥控采矿工艺包括自动凿岩、自动装药和爆破、自动铲装、自动运输等，我国部分地下矿山已经实现了遥控操作，针对露天矿中危险环境开采，遥控设备成为必要发展方向。
结语
如何保证露天开采过程中采空区域的安全问题已经成为各个矿山的重中之重，此安全技术措施在金钼汝阳露天矿的生产过程中得到了成功的应用，为今后的生产工作起到一定的指导意义，也可为其他露天矿作为借鉴和参考。
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论文作者:李艳雄
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/8
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