采空区协同利用机制

陈庆发 ，周科平，古德生，苏家红

(1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；2.广西大学 资源与冶金学院，广西 南宁，530004；3.广西华锡集团股份有限公司，广西 柳州，545006)

自20世纪80年代以来，我国矿业开采秩序较为混乱，非法和无规划的乱采滥挖给许多矿山留下大量规模不等的采空区，致使矿山开采条件恶化、矿柱变形破坏及地表塌陷，给矿山生产和安全带来严重影响[1]。据不完全统计，近年来在我国广西、山东和河北等省发生了数十起矿山采空区坍塌重大灾害事件[2]，如：2004年5月20日峄城石膏矿区发生采空区大面积塌陷事故，矿区塌陷面积达14.47×104m2，总质量超过230×104t，冒落的体积约为100×104m3；2005年11月6日邢台县尚汪庄石膏矿区的康立石膏矿、林旺石膏矿和太行石膏矿发生特别重大坍塌事故，坍塌区面积为5.3×104m2，塌陷区中心下沉约8 m。采空区处理是预防与控制采空区灾害的重要组成部分，从地压控制的角度，将采空区处理方法分为崩落法、充填法、支撑法、封闭隔离法和联合法 5类[3]。近年来，随着科学技术的进步，采空区处理技术取得了一些新进展，李俊平[4]提出了控制爆破局部切割槽放顶技术处理采空区，千海洪等[5]基于VCR法采用深孔牙轮钻机利用高台阶崩落法处理复合采空区，解决了复合采空区处理难的问题，周科平等[6−7]提出了采用爆破扰动诱发顶板失稳的诱导崩落空区处理技术，陈友东等[8]提出类框架结构采空区处理技术。本文作者从矿山工程系统合理布局出发，广泛汲取多领域学术营养与多学科优化理念，结合岩体力学性质分析，从协调资源开采的角度提出了“协同利用”采空区处理新技术。

1 采空区协同利用的提出

1.1 思想起源

(1)“采矿环境再造”

为了实现复杂条件下软破矿体的安全高效回采，古德生等[9−10]基于对采矿工程系统复杂性、动态性和非线性特性的深刻认识，准确把握了采矿科学未来的发展趋势，站在矿业可持续发展的高度上，创造性提出了“采矿环境再造”这一科学命题。其基本内涵是“突破传统的采矿方法设计思想的限制，应用新的理论、方法和技术，营造一个良好的矿岩开采环境，最终实现矿石资源的高效回采”。

(2)协同论[11−12]

协同理念是20世纪60年代由Ansoff教授提出，随后该理念便一直成为理论界、企业界、工程界研究很多问题的指导原则。所谓协同指的是事物与事物之间的一种关系，一种相互之间的和谐与正向配合的关系。系统协同指的是通过某种方法来组织和调控所研究的系统，寻求解决矛盾或冲突的方案，使系统从无序转换到有序，达到协同或和谐的状态。系统协同的目的就是减少系统的负效应，提高系统的整体输出功能和整体效应。

(3)“内嵌式设计”理念

内嵌式设计是为满足某一功能需要，将某一元件嵌入系统之中而进行的设计。该理念在电信、电子、电气、网络、机电等行业中应用居多，如电视上天气预报中的内嵌式广告、网页中的内嵌式播放器、耳环中的内嵌式收音机、编程语言中的内嵌式函数等。

(4)岩石力学

传统的采矿设计采用的是经验类比法，靠“查手册”来进行开采方案的设计和确定采场结构参数，以至长期以来，人们习惯地认为采矿只是一门工艺，而不是一门科学。采矿是一门复杂的系统科学工程，岩石力学是使采矿从工艺向科学转变的一座桥梁[13]。岩体的力学性质包括岩体稳定性特征、强度特征和变形特征等，且这些性质随着工程尺寸和开挖方向的不同而不断变化[14]。目前，岩石力学已经广泛应用到了采矿工程中的各个领域，地下开采现代技术与矿山岩石力学相互交叉及渗透已密不可分。

1.2 采空区协同利用的提出及意义

采空区协同利用是指将现有采空区直接或通过某种技术手段环境改造后被纳入整个矿山的开采布局之中，作为开采系统中的部分井巷工程、切割工程、自由爆破空间、硐室空间等加以利用，使矿山取得较好的协同效果和较高的协同效应。

新方法区别于“充”、“崩”、“撑”、“封”等常规采空区处理方法，如用一个字来表示这种采空区处理理念，那就是“用”，这种“用”区别于矿山闭坑后的用，是资源开采过程中的“用”，是从系统的内部出发，积极地、主动地和能动地“用”。

新方法的提出具有以下意义：

(1)突破了从地压控制角度划分采空区处理方法的限制，首次提出“协同利用”空区处理新技术模式。

(2)进一步丰富和发展了采空区处理技术体系。

2 采空区协同利用基本原则与模式

2.1 采空区协同利用基本原则

(1)安全第一性

采空区协同利用，不能以牺牲工程稳定性为代价，在保证工程稳定的前提下，变被动为主动，变不利为有利，充分合理地开发利用采空区。工程安全性应包含宏观上工程整体稳定性与微观上的施工安全。

(2)工艺合理性

采空区利用本质是使得采空区所在空间位置能够在最大程度上内嵌入开采布局中。采空区利用对采矿方法设计提出了要求，因此，在采矿方法选择时就应同步考虑到采空区的协同利用。

(3)经济节约性

采空区协同利用需要考虑经济性，如果仅考虑工艺方便，而花费代价太高就使利用意义大打折扣。如果能够直接利用，不进行采空区物理环境的改造，此时成本最低。

2.2 采空区协同利用基本模式

从利用过程中采空区所起的作用不同，将采空区协同利用分为以下3大类基本模式。

(1)作为开采空间利用

结合选用的采矿工艺，调整开采布局，将采空区调整为开采布局的一部分，充分利用采空区，节省工程量，提供施工方便。对于复杂的空区群，可能有多套调整利用方案，需进行综合比较确定最佳方案。

按改造的程度不同，作为开采空间利用模式又可分为4亚类。

① 直接调整利用

根据采空区空间形状，规模，方位，将其调整为开采系统中的部分井巷工程、切割工程、自由爆破空间和硐室空间等直接利用，适用于中小规模的独立采空区。

② 崩落部分围岩后利用

基于采矿方法的开采布局中如果不能直接将采空区利用，可以采用崩落部分围岩后将采空区调整为部分井巷工程，切割工程或自由爆破空间利用，适用于中小规模的独立采空区。

③ 部分充填后利用

采矿方法的开采布局中如不能直接将采空区直接利用，也可以借鉴采矿环境再造技术，采取先进行部分充填后将其调整为部分井巷工程，切割工程或自由爆破空间利用，适用于大中型采空区，图1所示为部分上向分层充填与条柱式充填表现形式，图2所示为部分不同表现形式的人工矿柱水平投影图。

④ 联合处理后利用

对于复杂形状的大中型采空区或者复杂空区群体，经多种常规采空区方法或采矿环境再造方式处理后再进行利用。

图1 水平分层充填与条矿柱式充填Fig.1 Upward slice filling and strip-pillar filling mode

图2 人工矿柱水平投影图Fig.2 Artificial pillar horizontal projection map

(2)作为转换空间利用

绿色、无废开采也是21世纪采矿技术的重要发展方向[15−16]。将采空区看作为转换空间进行利用，是指将废石、尾矿等矿山固体废料直接充填至井下采空区，少废或无废排放。采空区作为转换空间利用不仅解决了这些废料的排放堆积问题，而且强化了工程稳定性。采空区周边资源回采也可与转换空间的利用协同进行，系统输出较高的协同效应。

(3)作为卸荷空间利用

深部资源的不利开采条件主要表现为“三高一扰动”的特点，即“高地应力、高地温、高岩溶水压和强烈的开采扰动”[17]。近年来，深部资源卸压开采技术取得了较大进展，其卸荷原理是通过合理的回采顺序，使开采区域的适当部位产生局部弱化，以合理调整围岩应力分布状态，在开挖结构的近表层形成低应力卸荷圈，使应力集中部位向深部转移，在围岩深部形成应力集中的自承载圈[18]。

通过调整开采布局，可将部分现有空区调整为卸荷开采中卸荷槽的一部分加以利用。图3所示为采空区作为部分卸荷空间的利用模式。

图3 采空区作为卸荷空间的利用模式Fig.3 Cavity using mode as a part of unloaded space

3 采空区协同利用机制

(1)开采布局可依据现有采空区的赋存特征进行适当调整，采空区微环境可通过技术手段再造或改造，因此，采空区内嵌入开采布局中具有客观可行性。

(2)采空区协同利用适宜的采矿方法主要有空场法、空场嗣后充填法，或采矿环境再造系列采矿法。

(3)工艺调整过程必须以岩体力学性质的计算分析为指导，如：阶段(分段)高度的调整、采矿环境再造方式的确定、施工顺序的决策等。

(4)中小规模采空区可直接内嵌入矿山开采布局中，作为开采系统中的部分井巷工程、切割工程、自由爆破空间、硐室空间等加以利用。

(5)较大规模采空区或复杂空区首先通过采矿环境再造的方式，划大空区为小空区或划连续空区为孤立空区，然后将小空区或孤立空区内嵌入矿山开采布局中加以利用。

4 应用研究

4.1 工程背景

高峰矿区 105号矿体为埋藏较深的大型特富矿体，属于高硫和高铁的锡石-硫化矿床，价值巨大，矿石中含锡、锌、铅和锑等多种金属，综合品位在20%上，且含硫和铁均高达28%以上。矿体位于100号矿体的下部，在−79 m标高与100号矿体相连接，向下延伸至−300 m标高。矿体为南北走向，呈弧形弯曲，沿走向长300 m左右，已揭露的矿体水平厚度为8～40 m。矿体在−114～−145 m之间称为碎裂矿段，碎块大小约10 cm，未胶结，易脱落；因其品位高，近年来受民采干扰，形成了多个形态不一的采空区。

碎裂矿段矿石品位较高，价值贵重，决定了矿段回采需采取回收率高、贫化率低的采矿方法，同时矿体埋藏较深，矿体碎裂，基本可以排除单纯的崩落法和空场法；由于矿石含硫较高，有自燃的可能性，充填法中应排除与留矿法有关的采矿方法；矿体节理裂隙异常发育，工作面稳定性和坚固性差，如采用常规的分层充填法[19]，则存在开采安全性差，生产效率低，地质灾害隐患多等现象；此外，赋存在其中的采空区也对资源开采提出了更高的要求，如预先充填空区，则用分层充填法开采中充填体自身存在较大隐患，如不充填，如何能保证对周边碎裂资源安全回采。综上所述，对空区条件下碎裂资源开采问题，迫切需要引入新观点、新方法、新思维加以解决。

4.2 单空区协同利用方案

基于连续采矿与采矿环境再造理论和技术，在采空区信息不全的情况下，陈庆发等[20]提出了采矿环境再造分段凿岩阶段矿房采矿法，介绍了单空区协同利用方案。

4.3 多空区协同利用方案

多空区条件下的隐患资源开采，如继续沿用单空区采矿方法无法保证矿山安全生产，本着采空区协同利用及在最大程度上规避风险的宗旨，发明了采矿环境再造分层分条中深孔落矿采矿法(见图4)。

图4 采矿环境再造分层分条中深孔落矿采矿法Fig.4 Mining environment reconstructing layering and stripping medium-length hole caving mining method

首先将−110～−140 m主体资源划分为10 m厚度的3个分层。分层内按照设计的条柱式连续采矿方法进行开采，条柱断面为10 m×10 m，条柱长度按矿体具体条件确定。第1循环采取整体上隔一采一的方式，然后进行较高配比的水泥砂浆胶结充填(水泥与砂浆质量比为1:4)；第2循环，在已经隔一采一嗣后充填的条件下，对第2循环内矿体进行隔一采一然后回采矿房，先进行3 m的高配比胶结充填，然后进行低配比的水泥砂浆充填(水泥与砂浆质量比为1:6或1:10)。第1循环和第2循环的回采工艺大致相同，拉槽布置在条柱的端部，然后进行后退式回采，出矿从凿岩道平底结构铲运机出矿。充填均通过上一分层的外围平巷进行，经出矿进路、充填通风联络道下放充填管路进行。在形成3 m厚度的人工底柱时，要确保人工底柱的整体性和充填质量。

限于篇幅，仅介绍4分层采空区协同利用方案。

4分层17号和15号空区在矿段开采前已全部充填。为给周边矿体回采提供了协同空间(爆破补偿空间)，18号空区仅充填至−130 m。分层内划分22个条柱，由2条穿脉巷道把4分层矿脉分为A，B和C 3个区段，如图5所示。

需要特别说明的是：如将A区和B区资源划为单个条柱式开采，则条柱过长，不利于工程的安全性与产能搭配；如在A和B区之间留设一斜4～6 m宽的条柱，则上述开采难题迎刃而解。斜条柱矿产资源开采后形成的采空场，不仅解决了A和B资源开采条柱过长与安全性差的问题，与此同时，连同A部分资源开采后部分采场盈余空间也为B部分资源的开采提供了协同空间(通风与充填巷道)，其自身也可与其他条柱在产能上进行合理搭配。斜条柱设计体现了采空区协同利用技术的精髓。

图5 4分层采空区协同利用方案Fig.5 Cavity synergetic utilization scheme in orebody of layer No.4

4.4 应用效果评价

采空区协同利用作为一种采空区处理新方法新机制，从提出历经怀疑、接受、肯定、应用多个阶段。截止至目前，广西高峰矿已应用该技术成功处理了多个采空区，积累了一些先进经验，已将采空区协同利用写入企业采空区处理技术规程中；同时，依托的“十一五”国家科技支撑计划课题“高峰矿碎裂矿段安全高效开采综合技术研究”已顺利通过国家科技部专家组验收。

应用效果表明：新机制不仅成功处理了空区隐患，实现了空区隐患资源的安全开采，同时还大大降低了空区处理成本，甚至零成本；单空区条件下采用的空场类采矿法能够灵活调节开采布局，充分发挥采空区的协同利用度，输出最好的协同效果和协同效应；复杂多空区条件下采空区协同利用方案仍有较多技术问题需要深入研究，如时空协同次序优化问题。

可预见，采空区协同利用、采矿环境再造、常规采空区处理技术等耦合形成的联合处理技术对于复杂空区群灾害处理具有广阔的应用前景。

5 结论

(1)突破常规采空区处理方法分类的限制，首次从协调资源开采的角度提出了“协同利用”采空区处理新技术，对于发展和完善空区处理技术体系具有重要的理论意义。

(2)通过确立空区协同利用基本原则，将采空区协同利用的分为开采空间、转换空间和卸荷空间3类基本模式，使新技术上升至理论水平和技术可操作阶段。

(3)机制研究表明开采布局灵活调整性是采空区协同利用之根本，适宜的采矿方法主要为空场法、空场嗣后充填法或采矿环境再造系列采矿法；采空区协同利用须以工程稳定性准确计算分析为依据。

(4)工程应用效果表明采空区协同利用新机制具有多种优点，对于我国众多空区隐患资源及残矿资源的安全开采具有重要的指导意义。

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