一种露天矿崩落法处理复杂空区后的安全评估方法

摘要

本发明所述的一种露天矿崩落法处理复杂空区后的安全评估方法，是以处理空区塌实程度、下部空区稳定性影响因素、虚渣厚度等指标为基础的半定量的崩落法处理空区后的危险性评估标准，该标准共有19种不同的指标组合，对应安全、相对安全、相对危险、危险、极危险等五大类危险程度。通过对空区处理后的爆区进行危险程度评估及制定残矿资源回收方案，可以为回收残矿资源及后续下部空区处理提供可靠的依据，降低采空区诱发的安全风险，保证矿山安全生产，提高资源回收率。

说明书

技术领域：

本发明涉及矿山安全领域，具体涉及一种露天矿崩落法处理复杂空区后的安全评估方法。

背景技术：

已知的，我国许多金属非金属矿山存在大量未处理空区。长沙矿山研究院曾对25省457家金属非金属矿山大中型矿山企业进行采空区调查研究，查明采空区规模达4.32亿m³；按行业分布，有色金属行业采空区体积占调查总量的43.67％，黑色金属行业采空区体积占调查总量的18.18％，黄金矿山采空区体积占调查总量的7.51％，化工矿山采空区体积占调查总量的17.44％，建材矿山采空区体积占调查总量的13.20％。大量未处理的采空区和不明采空区的存在，不仅导致矿山开采条件恶化，严重影响矿山生产和安全，制约了矿山的发展，也极大地破坏和浪费了地下宝贵的矿产资源据，造成重大的经济损失。据不完全统计，因采矿引发的塌陷面积达1150km²，发生采矿塌陷灾害的矿业城市有30多个，每年因采矿地面塌陷造成的损失达4亿元以上。

为了消除采空区诱发的安全隐患，保证矿山安全生产，提高资源回收率，矿山企业需结合矿山开采方式、采空区规模及赋存特征等制定采空区综合治理措施。目前，国内外采空区处理方法不外乎崩落法和充填法，充填法处理空区通常情况下能够有效地消除或者降低空区导致的地压隐患，但采用崩落法处理空区可能导致因不能有效地处理空区而增加了空区隐患风险。因此，针对露天矿崩落法处理的采空区进行安全评估是十分必要的。

发明内容：

为了克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种用于露天矿崩落法处理空区后的安全评估方法，该方法可以为生产推进回收残矿资源及后续下部空区处理提供可靠的依据。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种露天矿崩落法处理复杂空区后的安全评估方法，包括以下步骤：第一步、爆区划分为小分区：

根据爆破设计实测孔深，按照空区顶板高度相近原则将爆区划分若干个空区顶板高度相近区，所述空区顶板高度是空区顶板至台阶面的距离，所述相近原则是指实测点的空区顶板高度与该区平均顶板高度差值不大于5m；然后再按照空区高度相近原则将每个空区顶板高度相近区再细分为若干个小分区，空区高度相近原则是指实测点空区高度与该分区平均空区高度差值不大于3m，按上述原则划分，小分区范围内的空区不仅顶板高度相近，空区高度亦相近，利于下步空区塌实程度分析和爆破效果判定；

第二步、分区内处理空区塌实程度分析：

接上步，根据实测透孔的地表高程、空区顶板高度、底板高度、岩石碎胀系数计算每个小分区崩落处理后爆堆面高程理论值，将该理论值与其对应的爆堆实测高程对比，分析该分区的塌实程度，判定爆破效果，同时也需要结合整理的穿孔施工记录、爆破设计、装药记录，将异常孔进行统计，圈定其位置，并将大范围的异常区作为重点区域重点分析；

1)如果理论高程和实测高程接近且穿孔、装药过程中未出现大面积异常孔，则可以认为该区域下部空区塌实，爆破效果好；

2)如果理论高程大于实测高程，实际塌陷更深，可能是由两种情况导致：一是该区域由多层空区复合而成且空区之间的原岩厚度较薄，处理上层空区的同时导致下层空区同时垮落，这种情况说明该区域基本塌实，爆破效果好，达到空区处理的目的；二是待评估分区为单层空区，或为复合空区但由于原岩厚度较厚下层空区未垮落，塌陷更深可能是由爆破区域自由面好、靠近爆区后排等正常因素造成，亦可认为该区域已基本塌实，爆破效果较好；

3)如果理论高程小于实测高程，也可能出现两种情况：一种是爆区位于爆破网络中心线附近、自由面差，该情况下若理论值与实际值相比小8m，则认为该区域空区已基本塌实，否则未塌实；另一种是孔排距过大、穿孔、装药不到位，导致该区域没有塌实，爆破效果差，为危险区；

各分区的踏实程度是由多重因素影响的，所以应根据各分区的具体情况及空区平剖面图，综合分析评价每个分区的塌实程度和爆破效果；

第三步、所有分区危险程度评估：

接上步，空区处理后爆区危险性与处理空区塌实程度、下部空区稳定性、虚渣厚度有关，下部空区是指与本次崩落法处理空区有紧密联系的下层空区或空区群，下部空区稳定与否是空区处理安全评估的重要指标，也是决定崩落区矿石铲装作业安全性的重要因素，其影响因素有：下部空区与已处理空区间的原岩厚度、空区形态、地质构造和地压活动情况；虚渣厚度与后续空区处理密切相关，与后期崩落矿石的铲装作业的安全直接相关，当虚渣厚度≥24m，可认为虚渣较厚，否则，认为虚渣较薄；

根据以上指标，制定了崩落法处理空区后危险性评估标准，该标准共有19种不同情况对应安全、相对安全、相对危险、危险、极危险等五大类危险程度；

第四步、爆区整体危险区界定：

接上步，根据各分区的危险程度评估结果，用不同的充填图案分别代表安全和相对安全、相对危险、危险、极危险充填爆区内的每个分区，爆区危险程度评估结果充填图可直观显示不同区域的危险程度和范围，从整体上界定了各区域的危险性，为后期资源的安全回收提供了可靠的依据；

所述第二步中的实测高程点的间距不大于10m*12m，覆盖所有透孔，所述异常孔包括乱孔、堵孔、废孔、深水孔、装药不到位孔。

所述第三步中的原岩厚度是指下部空区与已处理空区间的岩石层厚度，原岩厚度小于最小安全厚度，则下部空区稳定性差，危险性高；否则，当原岩厚度大于最小安全厚度，则下部空区稳定性好，安全性高，在较稳固岩性情况下，最小安全厚度为空区跨度的1/2。

所述第三步中的空区形态分为简单空区和复杂空区：简单空区一般是指无构造带穿过、顶板岩石稳固性好且空区顶板连续暴露面积较小、跨度小、矿柱多的单层空区，一般空区高度不超过6m，单一空区跨度不超过20m；或者是上下有空区重叠，但上层空区底板与下层空区顶板间的原岩厚度大于最小顶板安全厚度的空区，除此以外的空区为复杂空区。

所述第三步中的地质构造对空区稳定性影响最大的是断层或破碎带，当待评估分区有断层或破碎带横穿情况时，则认为地质构造复杂；当待评估分区无断层或破碎带横穿情况时，则可认为地质构造相对简单。

所述第三步中的地压活动情况，目前进行有效监测的手段主要是声发射监测和微震监测，岩体声发射监测为点监测技术，适用浅层空区、重点区域监测，声发射监测仪记录的参数有总事件、大事件、能率，通常情况下根据统计的数据作成有关直方图、曲线图的变化趋势，判断岩体的稳定性状况，监测数据明显趋于上升时，特别是大事件数较大时应作出危险预报，对于中硬及以上的岩石，确定岩体声发射预警参考指标；微震监测技术为体监测技术，既适用于浅层空区也适用于深层空区，但传感器需立体成组布置，该仪器主要监测微震事件率、微震定位事件空间聚集度、微震b值、微震关联维值、能量指数-累计视体积和微震事件活动熵6个参数，地压活动的异常情况需根据事件类型及地压灾害预警模型确定。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

本发明所述的一种露天矿崩落法处理复杂空区后的安全评估方法，是以处理空区塌实程度、下部空区稳定性影响因素、虚渣厚度等指标为基础的半定量的崩落法处理空区后的危险性评估标准，该标准共有19种不同的指标组合，对应安全、相对安全、相对危险、危险、极危险等五大类危险程度。通过对空区处理后的爆区进行危险程度评估及制定残矿资源回收方案，可以为回收残矿资源及后续下部空区处理提供可靠的依据，降低采空区诱发的安全风险，保证矿山安全生产，提高资源回收率。

附图说明：

图1为简单空区示意图；

图2为复杂空区示意图；

图3为E区1334复杂空区剖面图；

图4为E区1334复杂空区处理后危险区划分剖面示例图；

图5为E区1334复杂空区处理后爆区整体危险区划分图。

具体实施方式：

通过下面实施例可以更详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进，本发明并不局限于下面的实施例；

结合附图1-5所述的一种露天矿崩落法处理复杂空区后的安全评估方法，包括以下步骤：

第一步、爆区划分为小分区：

根据爆破设计实测孔深，按照空区顶板高度相近原则将爆区划分若干个空区顶板高度相近区，所述空区顶板高度是空区顶板至台阶面的距离，所述相近原则是指实测点的空区顶板高度与该区平均顶板高度差值不大于5m；然后再按照空区高度相近原则将每个空区顶板高度相近区再细分为若干个小分区，空区高度相近原则是指实测点空区高度与该分区平均空区高度差值不大于3m，按上述原则划分，小分区范围内的空区不仅顶板高度相近，空区高度亦相近，利于下步空区塌实程度分析和爆破效果判定；

第二步、分区内处理空区塌实程度分析：

接上步，根据实测透孔的地表高程、空区顶板高度、底板高度、岩石碎胀系数计算每个小分区崩落处理后爆堆面高程理论值，将该理论值与其对应的爆堆实测高程对比，分析该分区的塌实程度，判定爆破效果，同时也需要结合整理的穿孔施工记录、爆破设计、装药记录，将异常孔进行统计，圈定其位置，并将大范围的异常区作为重点区域重点分析；

1)如果理论高程和实测高程接近且穿孔、装药过程中未出现大面积异常孔，则可以认为该区域下部空区塌实，爆破效果好；

2)如果理论高程大于实测高程，实际塌陷更深，可能是由两种情况导致：一是该区域由多层空区复合而成且空区之间的原岩厚度较薄，处理上层空区的同时导致下层空区同时垮落，这种情况说明该区域基本塌实，爆破效果好，达到空区处理的目的；二是待评估分区为单层空区，或为复合空区但由于原岩厚度较厚下层空区未垮落，塌陷更深可能是由爆破区域自由面好、靠近爆区后排等正常因素造成，亦可认为该区域已基本塌实，爆破效果较好；

3)如果理论高程小于实测高程，也可能出现两种情况：一种是爆区位于爆破网络中心线附近、自由面差，该情况下若理论值与实际值相比小8m，则认为该区域空区已基本塌实，否则未塌实；另一种是孔排距过大、穿孔、装药不到位，导致该区域没有塌实，爆破效果差，为危险区；

各分区的踏实程度是由多重因素影响的，所以应根据各分区的具体情况及空区平剖面图，综合分析评价每个分区的塌实程度和爆破效果；

第三步、所有分区危险程度评估：

接上步，空区处理后爆区危险性与处理空区塌实程度、下部空区稳定性、虚渣厚度有关，下部空区是指与本次崩落法处理空区有紧密联系的下层空区或空区群，下部空区稳定与否是空区处理安全评估的重要指标，也是决定崩落区矿石铲装作业安全性的重要因素，其影响因素有：下部空区与已处理空区间的原岩厚度、空区形态、地质构造和地压活动情况；虚渣厚度与后续空区处理密切相关，与后期崩落矿石的铲装作业的安全直接相关，当虚渣厚度≥24m，可认为虚渣较厚，否则，认为虚渣较薄；

根据以上指标，制定了崩落法处理空区后危险性评估标准，该标准共有19种不同情况对应安全、相对安全、相对危险、危险、极危险等五大类危险程度，如表1所示；

表1崩落法处理空区后危险性评估标准

需要指出，危险性评估是相对的，随着生产推进，台阶下降，危险程度可能发生转化，原来相对安全的可能转化为相对危险，相对危险区可能转化为危险区；在后期推进过程中采取了进一步的处理防范措施，亦可将危险区转化为安全区；

第四步、爆区整体危险区界定：

接上步，根据各分区的危险程度评估结果，用不同的充填图案分别代表安全和相对安全、相对危险、危险、极危险充填爆区内的每个分区，爆区危险程度评估结果充填图可直观显示不同区域的危险程度和范围，从整体上界定了各区域的危险性，为后期资源的安全回收提供了可靠的依据。

所述第二步中的实测高程点的间距不大于10m*12m，覆盖所有透孔，所述异常孔包括乱孔、堵孔、废孔、深水孔、装药不到位孔。

所述第三步中的原岩厚度是指下部空区与已处理空区间的岩石层厚度，原岩厚度小于最小安全厚度，则下部空区稳定性差，危险性高；否则，当原岩厚度大于最小安全厚度，则下部空区稳定性好，安全性高，在较稳固岩性情况下，最小安全厚度为空区跨度的1/2，结合待评估矿山的实际，确定其采空区跨度与顶板岩层的最小安全厚度的对应关系如表2所示；

表2现场最小安全厚度

所述第三步中的空区形态是指：初步认为无构造带、顶板岩石稳固性好且空区顶板连续暴露面积较小、跨度小、矿柱多的单层空区，一般空区高度不超过6m，单一空区跨度不超过20m；上下有空区重叠，但上层空区底板与下层空区顶板间的原岩厚度大于最小顶板安全厚度的空区，除此以外的空区为复杂空区。

所述第三步中的地质构造对空区稳定性影响最大的是断层或破碎带，当待评估分区有断层或破碎带横穿情况时，则认为地质构造复杂；当待评估分区无断层或破碎带横穿情况时，则可认为地质构造相对简单。

所述第三步中的地压活动情况，目前进行有效监测的手段主要是声发射监测和微震监测，岩体声发射监测为点监测技术，适用浅层空区、重点区域监测，声发射监测仪记录的参数有总事件、大事件、能率，通常情况下根据统计的数据作成有关直方图、曲线图的变化趋势，判断岩体的稳定性状况，监测数据明显趋于上升时，特别是大事件数较大时应作出危险预报，对于中硬及以上的岩石，确定岩体声发射预警参考指标，见表3；

表3岩体声发射预警参考指标

微震监测技术为体监测技术，既适用于浅层空区也适用于深层空区，但传感器需立体成组布置，该仪器主要监测微震事件率、微震定位事件空间聚集度、微震b值、微震关联维值、能量指数-累计视体积和微震事件活动熵6个参数，地压活动的异常情况需根据事件类型及地压灾害预警模型确定。

本发明的具体实施例如下：

国内有色金属矿山采空区的形成过程十分复杂，既有历史的原因，也有矿山自身的原因。河南某有色矿区经过30多年的地下开采，尤其是90年代初的无序开采，导致在现有的露天开采境界内形成了大规模的多层高危地下空区，空区面积约120万m²，空区体积约1800万m³，是采空区规模大于1000万m³的3家有色金属矿山之一。大量不规则、多层重叠地下采空区的存在，严重威胁着露天开采安全，影响了矿山的正常生产，给矿山施工人员和设备带来了极大的安全威胁。为了确保矿山安全开采、稳定生产及满足企业发展需要，该矿在空区分类、分区管理、空区处理等方面进行了大量的探索和实践。本发明结合该矿E区1334极复杂空区的实例，介绍露天矿地下采空区崩落法处理后的安全评估方法。

E区1334复合空区为极复杂空区，位于该矿区的东北部，主要有1334空区、1320空区、1310空区及2403深孔采场构成，且上部由1360空区处理后的虚渣层覆盖，矿体主要赋存在矽卡岩中。为了确保在空区上方施工作业安全，该次空区处理采用崩落法分两次在1378m水平、1366m水平进行，第一次崩落法处理空区爆区面积1.98万m²，炸药量358t，爆破孔数1008个；第二次崩落法处理空区爆区面积0.506万m²，爆破孔数261个；爆区总面积2.486万m²，空区总体积70.2万m³。

1334空区面积大、跨度大、顶板厚度变化也极大，其面积1.36万m²、体积24.48万m³，在爆区东南部空区高12～24m，跨度20m左右，顶板至1378水平面原岩厚度24～38m，部分地段与下部1320空区相透；在西北部空区高10～18m，跨度20～30m左右，顶板至1378水平面原岩厚度32～36m。1320空区面积1.02万m²、体积16.32万m³，空区高12～30m左右，跨度16～35m，顶板至1366水平面原岩厚度20～35m，该空区与上部1334空区间顶板厚度小，并有多处相互采透；与下部1310空区重叠复合部分面积7000m²，相互采透面积1000m²。1310空区面积1.7万m²、体积17万m³，空区高12～24m左右，空区跨度16～35m，与上部1320空区之间顶板原岩厚度小于最小安全厚度，并与下部与1296空区相互重叠部分面积约1万m²。2403深孔采场面积0.1万m²、体积2万m³，空区高度15～30m，跨度20m，顶板距1366水平面原岩厚度20～30m，详见表4；

表4空区基本参数

1、爆区划分为小分区

按照爆区分区原则，将处理E区1334复合空区的整个爆区划分为49个小分区。

2、分区内处理空区塌实程度分析

E区1334复合空区共计划分49个分区，其中表5为部分代表性分区根据分析计算的爆区高程理论值与实际高程值对比后分析的塌实程度，如3号分区地表平均高程1375.8m、空区顶板平均高20.5m、底板平均高29.4m、岩石碎胀系数1.35，空区处理后该区理论平均高程为1374.0m，经实测该区实际平均高程为1371.0m，实际高程小于理论高程，且该区域下部无空区，由于该分区爆破时自由面好导致实际塌陷更深，爆破效果好，该区内空区已完全塌实，达到空区处理的目的；4-1号分区空区处理后，实际平均高程1366.9m与理论高程1367.1m接近，且未出现大面积异常孔，因此，分析认为下部空区基本塌实，爆破效果好；17-1号分区空区高度高达19m，虚渣厚度16-18m，原岩厚度小，因此采用深孔切割崩落法处理该分区内空区，爆破后该区实际平均高程与爆破前平均高程接近，说明岩石塌落不明显，且周边切割孔多为水孔，装药效果差，分析认为该区域未完全塌落，存在较大安全隐患。经整体塌实程度分析，E区1334复合空区中的41个分区塌实或基本塌实，4个分区局部未塌实，4个分区未完全塌落。

表5 E区1334复合空区崩落法处理后塌实程度分析示例

3、所有分区危险程度评估

依据空区处理后的危险性评估标准对E区1334复合空区进行危险程度划定，经分析3号、4-1号、10-3号、17-1号分区空区处理后分别处于安全、危险、相对危险和极危险状态，详见如表6，爆区危险区划分剖面示意图见附图4。整体来看，E区1334复合空区共有16个安全分区、4个相对安全分区、3个相对危险分区、14个危险分区、12个极危险分区，详见表7，其中危险分区、极危险分区在水平方向上主要集中在1366m水平爆区，说明整体上1366m水平爆区危险程度明显高于1378m水平爆区。用不同的图案分别代表安全和相对安全、相对危险、危险、极危险在E区1334空区爆破区域水平图着色，如附图5所示，该图可直观显示不同区域的危险程度和范围，从图中可看书1378m水平的危险程度明显低于1366m水平，整个爆区边缘区域的危险程度明显低于爆区内部区域，危险程度整体评估图可为后期资源的安全回收提供了可靠的依据。

表6 E区1334复合空区崩落法处理后危险性评估示例

表7 E区1334复合空区处理后危险程度统计表

4、资源回收

E区1334复合空区处理后经安全评估，按照生产推进方案回收残矿资源，累计成功回收钼矿石量约300万t。

为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的。但是应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。