摘要：在露天矿山的开采过程中出现了的大量采空区，给矿山开采工作带来了诸多的安全与生态问题。矿山采空区综合整治是一个涉及稳定变形和生态环境的复杂系统工作，国家相关安全监管部门对矿山生产安全给予了高度关注，露天矿山采空区的安全治理工作也在积极地进行着。基于此，本文对露天矿山采空区的危害进行了简单分析，探讨了露天矿山采空区的探测、治理方法及其发展趋势。

　　关键词：露天矿山；采空区；探测治理

　　随着国民经济的迅速发展，对矿产资源的需求日益增加，对矿山企业的发展起到了促进作用。矿山企业的采矿规模增长，而在开采过程中，往往会产生大量的采空区。为保证矿山的资源利用率和安全，许多满足露天开采要求的矿区都采取了露天开采。由于地下采空区长期没有经过治理，造成了露天矿的采空区较多。矿山露天作业梯级的扩展，存在较大安全风险。因此，露天采矿中采空区如何治理已成为一个亟待解决的问题，受到越来越多的重视。

　　1露天矿山采空区的危害

　　采空区总体上呈不规则形，空区大小、高低不一。采空区的位置错综复杂，星罗状分布，层次感强，往往都在富矿区，矿柱很少，矿体损坏很大，没有进行过充填。采空区是影响露天矿安全的重要因素，主要有以下危害。

　　第一，对设备和人员的伤害。当钻机、挖掘机、矿用自卸车、装载机等设备在采空区的上部进行施工时，若采空区顶部发生崩塌，设备将发生翻转或坠入塌陷区域，造成人员伤亡和设备的损坏。

　　第二，对其它工作人员的伤害。如从井下或坍塌中漏出的有毒气体，会给操作人员带来生命危险。

　　2露天矿山采空区探测

　　2.1探测技术

　　在技术进步的同时，三维地震、瞬变电磁、高密度电法、钻探等技术也逐渐成熟。这些技术各有千秋，各有侧重，但真正能准确判断出采空区是否真实的还是钻探技术。同时，对于已钻探确定的采空区，采用三维激光扫描技术，可以确定其形态和范围，在有了扫描的条件下，可以大幅度地降低探测工作量，为探测作业提供了一个很好的补充。

　　2.1.1地球物理探测技术

　　瞬变电磁法又称时域电磁法，即TEM，是指通过不接地环或地线源，将一次脉冲磁场辐射到地面，在一次脉冲磁场间歇过程中，通过线圈或地电极对二次涡流场进行观察。简而言之，瞬变电磁方法的理论基础就是电磁场。在断电后，利用二次电场的时间分布，可以获得不同深度的地层电特性。瞬变电磁场方法虽然具有较高的工作效率，但仍无法替代其他电法探测方法。在遇到有大型金属建筑物的情况下，测量结果是不能采用的，这时需要采用直流电法或其他地球物理勘探方法。同时，当地层中出现大量低电阻层矿化带时，用瞬变电流法进行测定是不可行的，所以在进行测量时应综合考虑地质构造。在进行勘探时，要对地面上的岩体进行观测，并对设备的倾斜、高度进行记录，以便于进一步的解释。在同一工段工作前，要进行试验，确定合适的设备和电源电流。一旦被确认，仪器和电源的电流不能更改，否则会对测试结果产生影响。为了保证测量精度，在进入工作面之前，应尽可能地找到已知的地层基准点。

　　高密度电法是一种高密度的直流电法，高密度电阻法是一种简单的阵列探测技术，在现场仅需要把所有的电极都放在测点上即可。在此基础上，采用程控电极变换器和微型工程电测仪，可以快速、自动化地进行数据的采集。将测量结果输入计算机后，可以对资料进行分析，得出不同的物理解释结果。很明显，随着高密度电阻率探测技术的应用和发展，电法勘探的智能化水平得到了极大的提高。与传统的电阻率方法相比，高密度电阻法具有如下优点：第一，一次布置电极，降低了因电极布置造成的故障和干扰，同时也为现场数据的快速、自动化提供了依据。第二，它可以对不同的电极布置形式进行有效的扫描，从而能够得到较为丰富的地电剖面构造特点的地质资料。第三，实现了现场数据的自动化和半自动化，不但可以快速的获取数据，还可以避免人工操作带来的误差。第四，实现了数据的预处理和曲线形状的显示，离线处理后，还能实现对各类成果的自动绘制和输出。第五，与常规电阻率方法比较，具有成本低、效率高、信息量大、易于解释、勘探能力明显增强等优点。

　　2.1.2钻探技术

　　利用超深钻对空区进行勘探是一种比较简便的技术，它是按照矿井开采计划，在空区的可能分布区内，按一定的孔深和孔网参数，在露天台阶推进方向上进行超深探测。在先期钻井中发现空区时，应对钻孔深度进行详细的测量，并用绳索测量空区的高度。同时，对穿孔处进行防护，并进行下一步的三维激光扫描。采用超前钻井技术，对采场空区进行大范围的普查，可使空区及早发现，避免发生危险。这种方法工程量大、造价高。仅能对空区有一个大概的认识，却无法精确地获取空区的信息。它的作用是在空区的发现和空区的准确测量中起到重要的作用。

　　2.1.3三维激光扫描技术

　　三维激光扫描技术包括CMS和C-AIS3-D激光扫描仪。这两种检测方法在原理上是一致的，而基于C-AIS的三维激光扫描仪由于其优越性，已逐渐成为采空区测量的主流技术。该系统的探测探针直径为50mm，360°可旋转，可对半径150m的区域进行全方位探测。数据捕获速度达到200点/s，精度t5cm，并使用MDL软件进行自动绘制。通过对空区进行三维建模，对空区的三维空间形态及位置进行精确的恢复，从而得到正确的采空区参数，为下一步的治理工作提供了可靠的基础。它具有从地面上穿透钻井下的探针、良好的工作环境、保障工人的人身安全、高精度和快速的检测速度。空区多为非均匀分布，当有突出物阻碍时，会使空区无法完整地探测，并有一定的盲区。其次，在迷雾笼罩的情况下，空区的扫描范围也会受到限制。采用多孔探头和多重扫描组合方法可以很好地解决上述问题。

　　综上所述，由于采空区形状的复杂性，很难对其进行准确的检测，目前已有的技术方法各有优缺点，单靠一种技术很难满足精度要求。所以，必须综合运用各种技术，以达到更好的效果。为实现采空区探测、管理、处理工作科学化、制度化、规范化，应结合矿井的具体情况，制订相应的探测方案。通过对矿井实际情况的全面分析，采用资料收集、人工调查、超前钻探和激光三维扫描等方法，基本能够满足矿井采空区勘探的技术需求。

　　2.2确定探测技术

　　根据不同探测方法的特征，确定了以地球物理勘探为基础，并对其进行了初步的勘探。利用钻孔技术对采空区进行准确的控制。但是，在探测工作中，它的成本很高。鉴于露天开采要求钻孔松散爆破的现实条件，采用钻孔深度法进行常规钻孔，可有效降低探测费用。

　　2.3划分探测区域

　　2.3.1正常探测区

　　指在常规钻孔作业中，对已查明的采空区范围以外的地区，或在开采中发现有可能是由于采空区或巷道坍塌所造成的断层，或采用穿孔加深加密探测的矿岩地层位错动。

　　2.3.2验证探测区

　　指在已有的采空钻孔数据或井巷布局等采空信息区域，需要进一步勘探以确认和验证采空区的情况。

　　2.3.3重点探测区

　　指在开采过程中产生的塌陷坑、空洞及依据已暴露的条件推测有采空区的地区，以及在常规勘探中发现的井眼所划定的大体范围。

　　以上3个探测区的划分并无严格的界线，在某些条件下可以相互转换。将探井分为几个探测区域，其目标是依据已有的采空资料的可靠性，选择合适的探井密度和深度，尽量减小探井工作量。通过粗探与详细勘探的结合，加速勘探的进程，最终确定了采空区的高度和分布。

　　2.4不同探测区域的技术参数

　　2.4.1正常探测区

　　采用在常规钻孔时设置探头，钻孔深度为35 m。在没有采空区的情况下，在探井中进行回填，直至指定的钻孔深度，进行常规的爆破。在探测过程中，如果有采空区，则通过三维扫描法来确定控制边界，并根据实际情况采取加密的钻孔爆破。在没有三维扫描的情况下（如含水、高温、水蒸气、钻孔不成形等），通过加密钻井来控制边界和治理。

　　2.4.2验证探测区

　　在现有数据的基础上，对钻孔位置进行现场放样，包括坐标、高程、加密孔位置等。这一工艺是一步一步地进行，并应随钻进条件的变化而不断地进行调整。如果是采空区，应根据重点勘探区的情况，采用扫描等方式进行勘探和治理。

　　2.4.3重点探测区

　　对于已探测到的采空区，在没有扫描或不能完全进行扫描的情况下，采用进一步的加密来实现控制，其控制精度比常规的钻孔参数要高出2倍。当有空间参数的三维扫描后，根据控制座标进行钻孔控制，其参数也要符合钻井的要求。

　　3露天矿山采空区的治理

　　3.1充填法

　　充填是指以裸露在地面上的大利离石、开采废石、选矿尾砂等为主的充填集料。然后，在采空区的钻孔、天井或填充管中填充（或增压）到下采空区。采空区的充填，一是要掌握采空区的位置和大小，以及与邻近采空区的所有通路，从而实现采空区的封闭。设置隔离墙，以保证充填的脱水或允许的填料的损失。同时，为了使充填物能直接进入采空区，采空区内应能有钻孔、巷道或天井连通。达到致密充填采空区的目标。在采空区的治理中，采用充填方法，效果好，见效快，充填密实。然而，充填法施工困难、造价高、安全隐患较大。在采空区采取充填法时，应从安全和经济性两个方面综合考虑，选择合适的充填材料。胶结充填是一种较为常用的填充法，它是以水泥、砂浆等胶凝物质为主，以砾石、块石等惰性物质为集料。通过加入水分混和搅拌，形成胶结式的灌浆，利用重力自流式或管道泵的机械压力将其运送、堆积到采空区。最终得到具有一定强度、自立性和整体性的填料。

　　3.2崩落法

　　崩落围岩治理采空区的本质就是利用崩落围岩填充空区，或者在其周围形成一种缓冲性的保护岩热层，从而避免发生大规模的岩体崩塌对巷道、设防和生命造成的冲击。减轻应力集中，降低支护压力。崩落围岩有两类，一种是自然崩落，另一种是被迫崩塌。在理论上，任何一种岩石在到达一定的显露区域后，都会发生崩塌。然而，由于岩体不是理想的弹性体，在没有暴露出最大范围之前，围岩的某些部分会因为地质结构的变化而被破坏，从而导致岩层在没有结构破坏的情况下坍塌。当整体良好，稳定时，必须在其内部设置工程，进行强制下落处理，采空区的爆破位置应按矿体的顺序和倾角确定，崩落岩石的顺序一般应达到5mm或更高。利用崩落围岩法处理和治理露天矿山采空区，不需要太多的治理成本就可以取得较好的治理效率和质量，而且该方法的工艺比较简单。但是，需要注意的是，利用崩落法治理采空区，地表会出现一定程度的沉降，所以比较适合用在可以接受地表塌陷的露天矿山采空区的治理工作中。

　　3.3封闭隔离法

　　封闭隔离法是指在采空区内，采用隔离墙或设置一定厚度的缓冲层，将采空区和主生产区分隔开，从而防止爆炸产生的冲击波对主产区域内的人员、设备造成威胁。并可提高矿井的通风条件，降低漏风率。密闭隔离处理方法处理费用低，工程量少，施工周期短。然而，这种开采方式并不能完全清除采空区，对矿井的后期开采产生不利影响。同时，由于不能对地面的变形进行有效的控制，所以采用密闭隔离法处理采空区时，必须与其它方法相结合。

　　3.4支撑加固法

　　采空区支护加固是通过设置固定的矿柱或人造矿柱来支撑采空区的顶板，并采用锚索或锚杆加固采空区的顶板。支护加固法主要有加强矿柱、设置人工矿柱、加强顶板等。本发明的技术简单、高效、安全。适用于缓倾斜，地表允许塌陷，顶板相对稳定的区域。但这种方法不仅成本高，而且工作量大，只能对采空区的压力进行短暂的改善，而不能保证其稳定。因此，必须结合其它方法，以解决采空区的稳定问题。

　　4露天矿山采空区治理发展趋势

　　4.1构建赋存情况数据库

　　随着大数据技术的普及和5G时代的来临，露天矿山采空区的赋存状况数据库必须要有一个统一的规范。为今后的工程施工节省探查成本，同时对采空区的安全规范化管理也有一定的帮助。

　　4.2推广高浓度胶结充填技术

　　高浓度充填技术在矿山开采过程中得到了广泛的应用，例如，泥浆填充可以使泥浆的质量分数达到80%。通过对矿山尾矿和废石的大量消纳，使浆体固化后的充填体强度大，接顶率高。该方法可以有效地对矿井开采区域的围岩运动进行控制，从而排除矿山的安全风险。

　　4.3构建完善智能处理系统

　　在采空区围岩稳定性监测和采空区治理方面，要大力引进声发射、光纤传感等监测技术、人工智能技术和自动化设备。运用人工智能技术，对采空区围岩的稳定性进行了实时预测和评估，并通过自动化设备，对采空区进行精确控制。实现采空区的精细化、智能化处置，大大减少操作人员的失误和工作量。

　　4.4研发低成本多用途充填材料

　　通过对矿用固体废弃物进行改性，制成低成本、改善充填体性能的新型充填胶凝材料。在减少充填成本和提高采空区治理效率的前提下，可以达到资源化、无害化处理的目的。

　　5结语

　　综上所述，我国的露天矿山采空区分布广泛，数量众多，类型丰富，具有一定的开采潜力。连续发生的安全生产事故、生态灾害已经对国民经济的可持续发展造成了很大的影响。当前，矿山采空区的安全与治理问题已在各级政府的监督下得到了有效的控制。同时，将探测技术、计算机技术、数学、力学等技术相结合，使固体废弃物的资源化处理与采空区的治理相辅相成。对露天矿山的采空区进行科学的探测和有效的治理，能够在保证矿山开采工作的安全性和质量的同时，为矿山开采的经济和生态效益提供保障，促进矿山开采的可持续发展。