为采空区加上“安全锁”

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采空区是“采矿活动中随矿石开采后留下的可能诱发矿山灾害的空间”。我国是世界上矿山生产第一大国，有地下矿井3万多座，每年从地下开采矿石总量超过50亿t。地下矿石被采出后留下的空间如果不进行充填处理，就会形成采空区。金属矿山由于围岩较为坚硬，顶板滞后冒落，往往容易形成巨大采空区，这是诱发地表突然塌陷、井下大规模冒顶和井下透水的主要危险源。

井下冒顶灾害是采空区顶板在自重作用下突然垮落造成的危害，是事故起数最多、死亡人数最多、分布范围最广的灾害类型之一，占矿山事故总量的30%以上。金属矿山由于围岩坚硬，往往能够形成上百万立方米的大面积采空区，一旦被破坏会形成大规模垮落，并伴随着着强大的冲击波，瞬间摧毁整个矿井。井下的大面积冒顶如果持续向地表发展，会导致地面塌陷，进而诱发人员坠落、建筑物倒塌、山体崩塌、河流倒灌等多种事故和灾害。1980年6月，湖北省远安县盐池河磷矿采空区塌陷诱发山崩，淹没下游建筑，造成307人死亡。

在所有事故类型中，采空区水害是矿井重大水害事故的主要类型，所占数量比例已经超过80%。矿体回采完毕后，采空区在地表和地下水的长期补给下，充满大量积水，一旦新的采掘工程误与采空区联通，积水瞬间涌出将发生淹井，造成人员伤亡和财产的巨大损失。

研究背景

金属矿山行业采空区问题非常普遍。由于生产设备和工艺较为落后，安全生产投入长期不足，大量采空区没有处理；整顿关闭后的民采矿井遗留大量采空区无法查明，给周边矿井开采带来严重安全隐患。随着开采深度逐年下降、开采规模逐年扩大，采空区埋深和规模也越来越大，形成的安全隐患不容忽视。然而在采空区研究方面，相关研究仍缺乏系统性，甚至在采空区的概念上经常混淆，在其定义、范围、分类、分等方法上尚未形成准确的、科学的、统一的结论，造成了国家矿山安全监管的技术障碍。

中国五矿集团公司在金属矿山行业，排名处于世界第四、我国第一，是国有重要骨干企业。公司下辖30余家矿山企业，开采50余座矿山，年产矿石量2 200万t，是我国地下金属矿产量最大的集团公司。作为金属矿山行业的龙头企业，中国五矿集团公司高度重视采空区问题，将其列为安全监管的主要危险源进行管理，并于2013年与中国安全生产科学研究院合作，开展了“金属矿山采空区安全隐患治理”项目研究，旨在通过技术研究，解决矿山企业存在的典型采空区安全问题，带动金属矿山行业在采空区隐患治理方面提升科技水平。

研究过程

研究项目以五矿集团公司下属金属采空区灾害治理为核心，以采空区的探测、分析、评估为主线，以采空区的管理和灾害预警为目标，从金属采空区的精确探测、风险评估、分级管理和监测预警4个方面入手，开展研究工作。

在采空区探测方面，项目组综合分析了金属矿山采空区地表、井下探测方法和技术的适应性，在高密度电法、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的基础上，提出了“井下地震波三维层析成像结合激光钻孔扫描”对采空区危险源进行地质超前预报的技术，并建立了与矿山生产相结合的采空区的精确探测工艺方法。

在采空区风险评估方面，基于非线性弹性的本构关系，项目组建立了采空区“多米诺”效应的三维分析模型，归纳总结了采空区空气冲击性灾害、地表塌陷灾害、井下透水灾害、火区自燃灾害等的风险评估指标阈值和等级。

在采空区管理方面，项目组以五矿集团矿山采空区数据源为基础，建立了采空区灾害风险评价的指标体系和计算方法，编制了《五矿集团金属矿山采空区风险分级标准》，开发了采空区管理系统（见图1），划分了矿山采空区风险等级，实现了集团公司内部矿山企业采空区的风险分级管理。

在采空区监测预警方面，提出了单点监测的绝对值预警、变化速率预警、加速度预警和多点面预警等方法，研发了采空区围岩应力锚杆在线监测系统，结合InSAR（合成孔径雷达干涉测量技术）和微震技术，实现了采空区井下围岩变形和地表沉降的实时监测，为采空区灾变的动态监测与预警提供了有效的手段。

成果应用

项目组对中国五矿集团公司下属33家企业的49座矿山，共4 810个采空区（总体积4 292.92万m3）进行了调查统计及风险评估，在8家典型矿山开展了具体应用，解决了企业的采空区难题，取得了显著经济效益和社会效益。

针对民采空区盗采侵扰的典型问题，在五矿集团锡矿山锑矿引用地球物理综合探测方法，对盗采范围进行探测与定位，评估了民采空区的危害，提出了矿山防盗采监测系统的设计方案，结合地方政府资源整合措施，有效防范了周边盗采破坏。

针对民采空区出现安全威胁的典型问题，项目组在五矿集团西石门铁矿开展了井下地震波三维超前预报，确保井下两年安全开拓6 km，预报平均准确率达75.56%。在确保安全的同时，大幅减少了井下钻探量、提高了掘进效率。

针对岭南地区百年钨矿采空区典型问题，项目组在五矿集团山钨矿、瑶岗仙钨矿、漂溏钨矿的典型采空区，进行了三维激光（C-ALS）扫描（见图2），获得采空区空间形态的精准三维点云数据（见图3），建立了采空区精确模型，评估采空区和地表山体稳定性，有针对性地提出了采空区治理措施。

针对点柱式空场采空区大规模失稳的问题，项目组在五矿集团香炉山钨矿，开展了“多米诺”效应三维量化计算，对矿山上千根矿柱的安全性进行校核，按照10年、20年、50年的时间序列，指出了可能失效的矿柱位置和顶板区域，并在此基础上给出了合理的充填治理方案。（见图4）

针对“三下”（建筑物下、铁路下和水体下）开采的地表塌陷典型问题，项目组在五矿集团张家洼铁矿、莱新铁矿开展星载InSAR的动态监测（见图5），并与GPS实际测量结果对比，分析得出误差均值小于1 cm。项目组在此基础上划定了村庄警戒范围，提出了矿井充填工艺改进方法，保证了矿山和周边村民安全。

发展前景

矿山生产必须面对采空区问题，并伴随着矿石开采规模的不断扩大，采空区对安全生产的威胁日趋严重。我国矿山采空区灾害面临的安全形势和复杂科学问题在世界上是史无前例的，目前在采空区隐患治理方面，主要面临4大需求：不明确采空区探测、采空区分级分类评估、采空区地压监测与灾害预警、采空区治理技术。

对于中国安科院承担的“金属矿山采空区安全隐患治理”项目，我国采矿安全专家、中国工程院院士蔡美峰对其给予了高度评价：“这是首次系统、大范围地进行了采空区安全隐患探测、预警与治理研究，研究成果将有助于减少矿山采空区灾害事故，具有广泛的推广应用前景。”