金属露天矿山采空区治理方法与流程

本发明涉及采空区治理领域，特别是金属露天矿山采空区治理方法。

背景技术：

目前，国内金属露天矿山采空区治理的方法是通过钻探掌握空区位置，再通过空腔扫描的形式掌握采空区形态，最后通过充填法或崩落顶板围岩的形式达到处理采空区的目的。存在的不足：

1.对于私挖乱采等没有采矿设计数据的采空区，钻探工作无法精确定位，钻探工程量较大，费用较高；

2.采空区上部露天开采预留的安全厚度没有试验依据，预留的保安层没有考虑矿山爆破震动及不同采空区顶板形态对采空区稳定性的影响；

3.采空区预留保安层厚度过大造成采空区处理实际不合理，处理难度加大；

4.充填法处理露天矿采空区存在二次装运、矿石贫化等问题，采矿成本增加；

5.目前矿山的采空区管理及预警监测技术均为静态，而采空区的发展变化是动态的，现有监测平台不能时时动态监测，安全隐患大。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供金属露天矿山采空区治理方法，以解决采空区的及时处理，减少对露天矿山采剥的安全威胁。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种金属露天矿山采空区治理方法，其步骤包括：

根据矿山的岩体、矿床状况，结合岩石力学试验数据，确定采空区顶板保安层厚度；

获取采空区探测数据；

构建矿山三维数字模型，所述矿山三维数字模型中包括：矿床实体模型、采空区与露天台阶和边坡的相互关系；

获取地压监测数据；

根据所述采空区顶板保安层厚度、所述采空区探测数据、所述矿山三维数字模型和所述地压监测数据确定采空区处理时机和处理方案；

根据所述采空区处理时机和所述处理方案，运用体积平衡对采空区处理结果进行预估，若预估结果在误差允许范围内，则露天矿山施工可正常进行。

在一些实施例中，优选为，所述采空区顶板保安层厚度的确定方法包括：

根据矿区揭露的岩体的工程地质及岩体变形状况，确定岩体的工程地质条件、地压活动状况和发展趋势；根据矿体和围岩节理、裂隙状况划分工程地质岩组，评价不同工程地质岩组的工程地质条件，结合室内岩石力学参数试验成果，获取岩石质量数据；结合岩石力学参数推荐值，确定岩石力学参数；

获取岩石力学试验数据；

根据岩体的工程地质条件、地压活动状况和发展趋势、岩石质量数据、岩石力学参数计算分析得出露天矿采空区顶板安全厚度技术参数；结合所述岩石力学试验数据得出采空区顶板保安层厚度与采空区跨度的对应关系。

在一些实施例中，优选为，所述岩石力学试验数据的获取方法包括：随采场向深处延伸，对各种岩石力学参数进行测试；所述测试包括：单轴抗压静力特性测试、劈裂抗拉强度测试、点载荷、静力受压弹性模量和泊松比试验；

所述露天矿采空区顶板安全厚度技术参数的计算方法包括：荷载传递线交汇法、厚跨比法、破裂拱概念法。

在一些实施例中，优选为，所述采空区顶板保安层厚度与采空区跨度的对应关系包括：

石英假象赤铁矿：h＝0.54b+0.86

闪石石英假象赤铁矿：h＝0.61b+1.19

镜(赤)铁矿：h＝0.52b+0.63；

h为安全顶板厚度，单位为米；b为采空区跨度，单位为米。

在一些实施例中，优选为，结合所述岩石力学试验数据得出采空区顶板保安层厚度与采空区跨度的对应关系之后，所述采空区顶板保安层厚度的确定方法还包括：

采用有限元数值摩西分析采空区顶板形态对采空区稳定性的影响方式，所述影响方式包括：相同顶板安全厚度条件下，弧形采空区顶板及半圆形顶板中形成压力拱利于采空区顶板稳定；当弧形顶板弧形高度大于采空区跨度1/4时，不同弧度对采空区安全系数影响较小，小于2％；不同矿体所需顶板安全厚度受不同采空区顶板形态影响也不尽相同；

且，当采空区顶板为弧顶高度大于采空区跨度1/4时，将采空区顶板保安层厚度与采空区跨度的对应关系修正如下：

石英假象赤铁矿：h＝0.50b+0.80

闪石石英假象赤铁矿：h＝0.55b+1.07

镜/赤铁矿：h＝0.49b+0.6。

在一些实施例中，优选为，当所述采空区保留有矿柱支撑顶板时，所述采空区顶板保安层厚度的确定方法包括：

根据露天金属矿特定的矿柱安全系数f分析公式判定矿柱是否稳定；

当矿柱安全系数f为1.5，则稳定，对两侧采空区进行单独安全厚度确定；

当矿柱安全系数f大于1.5，则不稳，忽略该矿柱，对采空区进行整体安全厚度确定；

所述露天金属矿特定的矿柱安全系数f分析公式为：

式中st为矿柱岩体抗压强度；wp为矿柱官渡；h为矿柱高度；s1为岩柱面积；s2为矿柱面积；r为上覆岩层的平均容重；z为上覆岩层厚度。

在一些实施例中，优选为，所述采空区探测数据包括：

根据地质资料和生产勘探资料，利用物探方法在露天生产台阶进行采空区物性异常定位；

根据采空区物性异常定位，将钻孔穿入采空区，并扫描获取采空区点云数据，形成采空区实体模型；

根据采空区实体模型确定采空区顶板和底板的高程、跨度参数。

在一些实施例中，优选为，所述构建矿山三维数字模型包括：

构建矿山矿床的地表、采空区、岩层、断层的三维模型；

构建露天开采境界坑；

构建矿体的三维实体模型。

在一些实施例中，优选为，所述确定采空区处理时机包括：所述采空区顶板保安层厚度、所述采空区探测数据、所述矿山三维数字模型和所述地压监测数据确定采空区处理的最低台阶水平，所述最低台阶水平满足：对应生产作业台阶、穿孔深度小、夹制作用弱。

在一些实施例中，优选为，运用体积平衡对采空区处理结果进行预估包括：

根据采空区探测数据和爆破前、后采空区区域地形测量图，运用体积平衡原理对采空区处理结果进行分析；

所述体积平衡原理的公式为：空区顶板体积×松散系数＝空腔体积+爆破后空腔上部爆堆体积；

若所述体积平衡原理的公式两侧体积误差在5％以内，则采空区得到有效处理。

(三)有益效果

本发明提供的技术方案，获取矿山的岩体、矿床的实况和岩石力学试验数据进行采空区顶板保安层厚度进行确定，并进一步探测采空区数据、地压监测数据，并且构建能够方便观察的三维数字模型，根据上述各种数据、模型推算采空区的处理时机和处理方案，并对采空区处理效果进行评估，确定采空区充填效果。根据所述采空区处理方案和爆破前、后采集的地形数据，运用体积平衡对采空区处理结果进行评估，若评估结果在误差允许范围内，则露天矿山施工可正常有序进行。该方式重在治理前的分析和确认，能提高采空区治理的有效性。且，经过在多个露天采场境界范围内的采空区实际试用，采空区附近露天天采剥施工零事故，矿石回收率96％以上，贫化率4％以下，真正做到了为矿山企业安全有序生产保驾护航。有效保证采空区上部露天开采的安全、正常、有序进行，对金属露天矿山下部采空区的治理有重大的借鉴意义。

附图说明

图1为本发明一个实施例中金属露天矿山采空区治理方法示意图。

图2为实施例采空区探测方案。

图3为实施例爆破网络连接施工图。

图4为实施例穿孔、装药示意图。

图5为实施例爆破前采空区与地表模型。

图6为实施例爆破后地表状态模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。

一种金属露天矿山采空区治理方法，其步骤包括：

步骤10，根据矿山的岩体、矿床状况，结合岩石力学试验数据，确定采空区顶板保安层厚度；

步骤20，获取采空区探测数据；

步骤30，构建矿山三维数字模型，所述矿山三维数字模型中包括：矿床实体模型、采空区与露天台阶和边坡的相互关系；

步骤40，获取地压监测数据；

步骤50，根据所述采空区顶板保安层厚度、所述采空区探测数据、所述矿山三维数字模型和所述地压监测数据确定采空区处理时机和处理方案；

步骤60，根据所述采空区处理时机和所述处理方案，运用体积平衡对采空区处理结果进行预估，若预估结果在误差允许范围内，则露天矿山施工可正常进行。

获取矿山的岩体、矿床的实况和岩石力学试验数据进行采空区顶板保安层厚度进行确定，并进一步探测采空区数据、地压监测数据，并且构建能够方便观察的三维数字模型，根据上述各种数据、模型推算采空区的处理时机和处理方案，并对采空区处理效果进行评估，确定采空区充填效果。根据所述采空区处理方案和爆破前、后采集的地形数据，运用体积平衡对采空区处理结果进行评估，若评估结果在误差允许范围内，则露天矿山施工可正常有序进行。该方式重在治理前的分析和确认，能提高采空区治理的有效性。且，经过在多个露天采场境界范围内的采空区实际试用，采空区附近露天天采剥施工零事故，矿石回收率96％以上，贫化率4％以下，真正做到了为矿山企业安全有序生产保驾护航。

下面具体对上述步骤进行详细描述：

一种金属露天矿山采空区治理方法，如图1所示，其步骤包括：

步骤110，根据矿山的岩体、矿床状况，结合岩石力学试验数据，确定采空区顶板保安层厚度；

该步骤具体展开为：

a.对矿山工程综合地质条件分析与评价，对矿区揭露的岩体进行工程地质以及岩体变形情况的调查和了解，根据矿区揭露的岩体的工程地质及岩体变形状况，确定和分析岩体的工程地质条件、地压活动状况和发展趋势；根据矿体和围岩节理、裂隙现场调查资料，划分工程地质岩组，评价不同工程地质岩组的工程地质条件，结合室内岩石力学参数试验成果，获取岩石质量数据；结合岩石力学参数推荐值，确定岩石力学参数，为矿区整体稳定性分析提供基础资料；

b.获取岩石力学试验数据；岩石力学参数试验是指随采场往深部延伸，系统的对各种岩石力学参数进行测试工作，具体试验内容是：单轴抗压静力特性测试、劈裂抗拉强度测试、点载荷、静力受压弹性模量和泊松比试验。

c.根据岩体的工程地质条件、地压活动状况和发展趋势、岩石质量数据、岩石力学参数计算分析得出露天矿采空区顶板安全厚度技术参数；结合所述岩石力学试验数据得出采空区顶板保安层厚度与采空区跨度的对应关系。

确定对应关系具体为：

分析采空区顶板安全厚度，即充分考虑工程地质、水文地质、爆破震动等影响的情况下，采取荷载传递线交汇法、厚跨比法、破裂拱概念等多种理论方法及有限元数值模拟计算分析，提出露天矿采空区顶板安全厚度技术参数。进一步分析不同跨度采空区顶板安全厚度，考虑其所需承担的最大动载荷(约2000t)，同时考虑矿山爆破震动对采空区稳定性影响，得出采空区顶板安全厚度与采空区跨度关系如下：

石英假象赤铁矿：h＝0.54b+0.86

闪石石英假象赤铁矿：h＝0.61b+1.19

镜(赤)铁矿：h＝0.52b+0.63

采用有限元数值模拟分析采空区顶板形态对采空区稳定性的影响，得出：相同顶板安全厚度条件下，弧形采空区顶板及半圆形顶板中形成压力拱有利于采空区顶板稳定；当弧形顶板弧形高度大于采空区跨度1/4时，不同弧度对采空区安全系数影响较小，小于2％；不同矿体所需顶板安全厚度受不同采空区顶板形态影响也不尽相同。并根据计算结果，对采空区顶板为弧形且弧顶高度大于采空区跨度1/4时，留设顶板安全厚度与采空区跨度关系修正如下：

石英假象赤铁矿：h＝0.50b+0.80

闪石石英假象赤铁矿：h＝0.55b+1.07

镜(赤)铁矿：h＝0.49b+0.6

上述各式中，h为安全顶板厚度，单位m；b为采空区跨度，单位m。

对于保留有矿柱支撑顶板的采空区，确定分析步骤如下：首先判定矿柱是否稳定，如稳定则对两侧采空区进行单独安全厚度确定，如不稳，则忽略该矿柱，对采空区进行整体安全厚度确定。其中对比分析国内外各种矿柱分析手段，判断矿柱是否稳定采用下面的露天金属矿特定的矿柱安全系数分析公式：

式中st为矿柱岩体抗压强度(mpa)；wp为矿柱官渡(m)；h为矿柱高度(m)；s1为岩柱面积(m²)，即采空区平面面积；s2为矿柱面积(m²)；r为上覆岩层的平均容重(t/m³)；z为上覆岩层厚度(m)。矿柱安全系数取值为1.5，即f值大于1.5则矿柱稳定，反之则不稳定。

步骤120，获取采空区探测数据；

根据地质资料和生产勘探资料(以已有资料综合为基础，包括地质地形图、地质分层图、生产勘探资料和/或采空区已有资料)，利用物探方法(比如：高密度电阻率法、浅层地震法和/或瞬变电磁法)在露天生产台阶进行采空区物性异常定位；

根据采空区物性异常定位，将钻孔穿入采空区，并使用空腔三维扫描仪采集采空区三维轮廓点云数据，掌握采空区顶板和底板的高程、跨度等数据，使用3dmine等矿山数字软件形成采空区实体模型

步骤130，构建矿山三维数字模型，所述矿山三维数字模型中包括：矿床实体模型、采空区与露天台阶和边坡的相互关系；

属于矿山三维可视化数字模型开发，即，综合运用数字矿山软件3dmine及图形处理软件cad等构建矿山矿床的地表、采空区、岩层、断层的三维表面模型、露天开采终了境界坑及矿体的三维实体模型。通过建立以上模型，实现矿床的三维可视化，准确的在三维空间内描述出矿床的形状、采空区与露天台阶和边坡的相互关系，为下一步采空区处理工作及开采设计和施工管理奠定基础。

步骤140，获取地压监测数据；

地压监测，即运用微震监测系统建立一套对采空区围岩及顶板地压活动状况进行时时监控及预报的开放、可移动、扩展、回收利用的监测平台。为采空区处理及露天采剥施工的安全有序进行提供监测数据。

步骤150，根据所述采空区顶板保安层厚度、所述采空区探测数据、所述矿山三维数字模型和所述地压监测数据确定采空区处理时机和处理方案；

处理时机的确定，即依据探测的采空区三维数据、采空区顶板安全厚度、空区周围监测状况结合露天采矿设计台阶，确定采空区处理的最低台阶水平，以减少穿孔深度，防止夹制作用的出现使得顶板无法塌落。

采空区处理方案的设计，即根据采空区探测数据及台阶水平，确定强制崩落或诱导崩落采空区顶板的具体爆破方案，其包括施工设计说明书、详细爆破参数、绘制施工图并提出安全措施，特别应强调与采空区联通的平硐、斜井口飞石的防护。如图2所示，如图2-4所示，图2中，横向(类似横向)线条为高密度电阻率法布线，纵向(类似纵向)线条为浅层地震法布线，围成一定形状的线圈为物性异常区域，围成的线条圆圈为针对异常区域设计的超深探孔，三维空腔扫描采集的采空区轮廓已在图中文字标出。如图4所示，施工图中设置孔口回填段1，起爆药包2，装药段3，导爆管雷管4，孔底围岩预留段5，地表6，采空区围岩7，采空区剖面轮廓8。圆圈为掏槽起爆孔。

步骤160，根据所述采空区处理时机和所述处理方案，运用体积平衡对采空区处理结果进行预估，若预估结果为顺利，则按照所述处理方案进行采空区治理。

采空区处理效果评价，即根据采空区探测资料和爆破前、后采空区区域地形测量图，运用体积平衡原理(空区顶板体积×松散系数＝空腔体积+爆破后空腔上部爆堆体积)对采空区处理效果进行定性、定量分析。公式两侧体积误差在5％以内则表明采空区得到有效处理，采空区空腔已被崩落顶板充填，采空区安全隐患已消除，露天采剥施工可以安全有序进行，反之则应分析其产生较大误差的原因。

自2012年2月至今，已采用该方法有效治理83个露天采场境界范围内采空区，实现采空区附近露天采剥施工零事故，矿石回收率96％以上，贫化率4％以下，真正做到了为矿山企业安全有序生产保驾护航。

接下来，为了使本技术领域的人员更好的理解技术，特以52#采空区的治理为例进行详细说明。

1.通过已有资料分析，确定在1665台阶水平勘查区域采用高密度电阻率法和浅层地震法交错布线勘查，确定4个物性分析异常区域后设计超深钻探孔，孔位穿透后通过三维空腔扫描仪掌握了52#采空区详细参数，如表1。

表1

2.通过超深探孔钻取的岩层确定52#采空区顶板岩层全部为镜铁矿，扫描形成的三维模型显示其顶板为弧形且弧顶高度大于其跨度的1/4，空腔内未发现矿柱，按照稳定性公式分析其最大跨度所需顶板安全厚度为12.85m，采空区最高标高处顶板安全厚度为10.36m，而采矿设计为15m一个台阶，结合矿山现状三维数字模型确定52#采空区在露天采场下降两个台阶后，采空区轮廓完全处于1635水平台阶时原地强制崩落顶板进行处理。

3.爆破方案设计

(1)布孔方式

依据扫描资料在采空区区域范围内设计采用垂直炮孔。如图4所示，为确保采空区顶板塌落，采空区上方进行了加密布孔，孔网参数为：3.5m×3.5m，矩形布孔。

(2)穿孔施工

爆破穿孔施工采用正远sl400a钻机打垂直孔，如图4所示，钻孔直径为140mm，孔深按照布孔线所切采空区与地面剖面确定深度，孔底预留3m岩层。

(3)装药量统计

爆破采用铵油炸药。在现场实际装药过程中，依据实际情况对部分钻孔药量进行了适当调整，根据统计，实际总装药量为11330kg。

(4)装药结构与填塞

采用连续耦合装药结构。顶部用岩粉回填4.0m。

(5)确定起爆孔

根据孔网布置图、现场实际地形及采空区形态，采用掏槽爆破方式进行。

(6)爆破网路与段别

起爆网路采用孔内双发地表单发，毫秒延时爆破。

孔内选用16段的澳瑞凯非电毫秒雷管，主爆排采用3段澳瑞凯非电毫秒雷管，排间采用4段澳瑞凯非电毫秒延期导爆管雷管。

(7)安全措施

对参加本次爆破施工的人员进行爆破安全教育，对本次区域的采空区情况进行充分了解；在采空区安全厚度较薄的区域用警戒带标示，严格限制施工人数；地压监测人员对区域及其周围地压监测探头进行连续监测；现场标出安全撤离路线，做到施工人员人人皆知。

(8)采空区处理爆破

爆破方案设计完成后，经过前期施工准备，于2016年11月8日下午实施了爆破。本次爆破实际使用炸药11330kg，爆破矿岩总方量约1.31万m³，计算单耗约0.86kg/m³。

4.采空区处理效果评价

(1)爆破处理定性评价

采空区爆破处理完成后，经现场检查，未发现盲炮、冲孔等异常情况，成功实施了爆破作业。爆破后，52#采空区顶板均明显塌陷，形成直径约25m的塌陷坑，坑底标高为1629.65，塌陷最大深度为5.4m。

本采空区顶板爆破处理无侧向自由面，爆破松散体原位塌陷，对采空区顶板爆破夹制作用较大，结合分析穿孔、爆破前后实测地形，初步判断52#采空区基本塌陷。

采空区区域爆破前后模型分别见附图5、6。

(2)爆破处理定量评价

根据采空区扫描资料和爆破前、后采空区区域地形测量图，对采空区爆破处理效果情况进行定量分析。定量分析采用方法为体积平衡原理。即：

空区顶板体积×松散系数＝空腔体积+爆破后空腔上部爆堆体积

注：①矿岩松散系数取1.4；

②爆破后冲以实测后破裂线为准，破坏区域为实测破裂线与孔底所夹漏斗体积。爆破前后矿岩体积平衡见表2。

表2爆破效果评价体积平衡计算表

从表2可以得出：

公式左侧＝18272m³；

公式右侧＝17734m³。

即公式左侧>公式右侧，体积差为539m³。

根据对采空区处理效果定性、定量分析，得出本次采空区爆破处理评价结果如下：52#采空区顶板爆破处理较为成功，达到了预期效果，采空区顶板塌落较为充分，空腔得到了有效填充。本次采空区爆破处理理论计算爆破后矿岩体积与爆破后实测矿岩体积存在体积差539m³。误差率约3％，在可接受范围。结合爆破后采空区区域周围微震监测显示正常，露天采剥施工可正常进行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。