项目组人员对矿山采空区进行实地探测

项目组采用探测技术划定了某露天矿山采区风险范围

    采空区，是由人为挖掘或天然地质运动在地表下面形成的“空洞”，一般矿山开采都会遗留下采空区。随着矿山向深部开采，地压增大，采空区在强大的地压下，极易发生坍塌事故，尤其对地下转露天开采的矿山影响更大。地下开采残留了大量没有及时处理的采场、硐室、巷道，不仅对露天开采带来了极大隐患，也给矿山工作人员和设备带来严重的威胁。

    由于历史原因，我国矿业秩序一度较为混乱，民采小矿的私挖乱采，留下了大量不明采空区、废弃井巷，恶化了矿山的安全条件，增大了矿山生产的风险。据中国安科院统计，自2001年7月至2008年4月，我国非煤矿山由于采空区引起的3人以上重特大事故共发生36起，造成347人死亡。
    2001年7月17日，广西南丹拉甲坡矿发生采空区透水事故，造成81人死亡；2003年2月，河北邯郸武安市下团城村民采空区突然陷落事故，造成村内房屋开裂，引发了一场长达5年的群众上访事件……

    这些事故的原因几乎如出一辙：矿体在早期遭受小矿点私挖乱采破坏，遗留下大量不明采空区、废弃井巷，位于地下水位以下的废弃采空区、井巷中存有大量不确定水体，整个矿区开采条件十分恶劣。生产者在采空区不明的情况下，没有进行合理的安全规划而盲目开采，导致重大透水事故的发生，最终造成人民生命财产的损失和大量国家宝贵资源的浪费，也引发了很多社会问题。

    如何变“采空区”为“安全区”，已成为这些采空区灾害高发型金属矿山的重大难题。为攻克这一难题，原国家安全生产监督管理局于2004年正式立项，委托中国安科院等单位进行“高风险金属矿山安全规划和灾害控制技术”研究。

    研究过程

    “高风险金属矿山安全规划和灾害控制技术”项目以采空区灾害风险控制为核心，以采空区安全规划、危险源辨识、风险评价和风险控制为主线，以恢复安全生产为目标，从金属矿山采空区危害的辨识、评价、规划、开采4个方面入手，开展调查研究。

    采空区危害辨识。采用了高密度电法、地质雷达、瞬变电磁法、微重力法、浅层地震法等综合地球物理方法结合激光钻孔扫描对采空区危险源进行探测。项目组通过现场试验，综合分析了各种方法的适用性，提出了一整套准确辨识未知采空区危害的综合探测流程。经现场验证，该方法可以实现采空区灾害的辨识与定位。

    金属矿山采空区风险评价技术。项目组提出了“内外应力拱”采空区结构稳定性分析模型，并给出了采空区结构稳定性评价判据，较以往方法能够更为清晰的考虑矿柱失稳到采空区坍塌的动态过程。在“三带”理论、概率积分法、定性和定量分析地表沉降的基础上，采用国际先进的颗粒元和有限元方法分析了采空区结构稳定性、采空区群塌陷后果和关键矿柱遭蚕食后的灾害演化规律，建立了地压灾害的数值模拟评价程序和评价指标，对采场结构参数进行验证与评价，预测了采场及采空区地压灾害可能发生的主要部位，为地压控制措施提供依据。项目组还首次提出了基于“地理信息系统”分析的采空区塌陷风险评价法，综合考虑采空区域矿山生产、土地价值、人口、构筑物等因素，采用距离权重插值法绘制各指标的评分等值线图，同过栅格图像进行图形运算，评价采空区塌陷后果严重程度。

    金属矿山安全规划。从安全规划程序、方法、规划内容及恢复生产的程序方法进行了许多探索性的研究。建立了井田安全规划、灾害控制安全规划、生产系统安全规划、安全管理规划组成的高风险矿区安全规划指标体系，提出了井田生产规划概念，建立了完善的高风险矿区安全规划程序，以及恢复生产程序与方法，为同类高风险金属矿山恢复生产提供了理论依据。

    金属矿山安全开采技术。通过分析残余矿体的形成过程及特征，提出适应残余矿体安全开采的无空区分条完全充填采矿法。项目组采用小参数进路回采方式，回采完毕后立即进行胶结充填维护顶板稳定。这一开采技术具有矿石回收率高、有效控制地压活动的特点，适合于高风险矿山板状残矿回采。项目组还对金属矿山安全充填隔离矿柱进行了设计研究，在数值模拟分析的基础上提出了形成充填隔离矿柱层的最优方法。此外，还研发了金属矿山用光纤光栅位移计、应力计和震动传感器，建立了地压监测示范工程，对采空区稳定性进行监测。

    成果应用

    在研究过程中，项目组在广西高峰矿业有限责任公司、中国五矿集团邯邢冶金矿山管理局西石门铁矿和符山铁矿、中国铝业集团山西分公司孝义铝矿、河北省武安市下团城村周边铁矿等地开展了具体应用，取得了显著效益。

    2001年7月，广西南丹县龙泉矿冶总厂所属拉甲坡矿发生特大透水事故，导致81人死亡，广西南丹县境内的所有矿区全部停产。项目组通过对金属矿山灾害辨识技术的研究，对高峰公司100号主矿体开采区域采空区、地表塌陷区隐患和突水事故隐患进行了治理。其中，对100号主矿体采空区处理后实施封闭，保持了充填体结构的稳定性，基本消除了重大事故隐患，解决了当地1 800人的就业问题，避免了因此造成的社会不稳定影响，恢复并稳定了我国铟商品市场，降低了铟产品进口量。

    2003年，河北省武安市下团城村东北约200m处，有一采空区突然陷落，致使村内房屋开裂，给村民造成极大恐慌。事故发生后，项目组采用高密度电法和可控源音频大地电磁法，对村庄附近其他未知采空区进行探测，对空区危害程度进行评估，搬迁了受采空区影响的村民，化解了当地社会矛盾，稳定了矿业秩序，使200万t矿体得以继续开采。

    2007年12月，中国铝业公司山西分公司孝义铝矿相王矿区露天采场受民采矿硐破坏严重，新厂房因采空区塌陷停建。项目组采用高密度电法和微重力法对浅埋矿硐群露天揭露的风险进行了辨识和分级，圈定了露天揭露采空区风险范围，准确率在80%以上，为矿区安全规划提供指导意见，保证了中国铝业200万t氧化铝项目得以顺利实施。

    2009年3月，邯邢冶金矿山管理局西石门铁矿北采区发生空区透水事故，8人被困井下。事故发生后，项目组迅速赶赴现场，采用高密度电法和瞬变电磁法对事故区域民采空区及其含水情况进行了探测，确保了应急救援的顺利实施，总结了矿区采空区和水体探测方法，为矿山的恢复生产和深部近2亿元资源的开发利用提供了保证。

    2009年6月，邯邢冶金矿山管理局符山铁矿尾矿库下发现民采遗留特大采空区，危及坝体安全。项目组采用激光钻孔扫描法掌握了采空区形态，制定了采空区充填设施方案，采用有限差分法和颗粒元法进行了充填后稳定性分析，划定了警戒范围，保证了矿山生产和尾矿库下游村民的安全。

    “十一五”时期，“高风险金属矿山安全规划和灾害控制技术”项目获得国家软件著作登记权1项、国家发明专利1项。2009年，项目被评为该年度中国职业安全健康协会科学技术一等奖。

    发展前景

    我国金属矿山采用空场采矿法的比重约占53.5%，历史采空体积超过250亿m3，形成了大量未处理的采空区。80%的地下金属矿山存在采空塌陷灾害，每年造成的损失达4亿元以上。这些采空区有的已经塌陷，有的仍旧存在，并随着矿山的开采，以每年10亿m3的数目不断扩大。

    目前，我国采空区灾害的研究主要有3大需求：一是新建建筑错误地建造在无历史可查的隐伏空区上方。若空区突然塌陷，将导致重大坍塌事故，如河北武安、湖南郴州、安徽铜陵等矿业城市的建设用地都存在隐伏空区的危害，形成了矿业城市“塌陷—搬迁—再塌陷—再搬迁”的恶性循环。二是大量未知空区使矿山生产环境恶化，采空区透水、垮塌灾害危害矿工生命，如广西大厂矿区、甘肃厂坝铅锌矿、西石门铁矿、开阳磷矿、秦岭金矿、兰坪铅锌矿、会东铅锌矿等国内大多数矿山，都受到周边民采空区的威胁。三是大量已知的特大采空区危险源仍将长久存在，必须对采空区的稳定性进行准确评估，划定风险等级，规划安全开采方案，建立监测系统，及时预报采空区地压灾害。

    “高风险金属矿山安全规划和灾害控制技术”项目的研究成果针对上述需求开展规划、探测、评价与监测研究，经实际应用证明，能够解决采空区灾害被迫停产矿山的技术难题，实现高风险矿山安全开采。

    在下一步的研究中，中国安科院还将开展综合地球物理探测定位准确性、分辨率和探测深度问题研究，研发新型扫描仪对充水采空区腔体形态进行探测，将采空区监测系统与物联网技术融合，实现采空区灾害的全天候、全方位预测预报。