1、所属领域

采矿工程

2、适用范围

金属、非金属矿山露天开采

3、基本原理

本项技术开创了大型多层采空区治理的先例，破解了大型多层采空区三维精准探测、大型多层采空区的风险防控和治理等共性难题，形成了三方面核心技术。（1）对各类岩（矿）石标准样品进行室内物性分析测试，并在已知采空区地区进行多方法物性测量试验，利用震、电、磁等多类高效集成物探方法扫面，潜孔钻实时验证，及时对采空区的三维形态和规模进行精确描述，建立综合地球物理探测-潜孔钻验证-洞穴式三维激光扫描互反馈的采空区精准探测技术。（2）通过室内岩石力学分析、结合雷达图像同向轴错断和面波的频散曲线建立采空区顶板岩石完整性评价技术。结合现场堆载试验，总结出不同岩石强度等级、计算岩石顶板不同厚度跨度比的安全系数经验公式，建立了采空区顶板安全性的动静态稳定性评价模型。（3）建立超大型多层采空区承载力计算-牙轮钻和潜孔钻的互反馈技术，对地下不明多层大型采空区实现了分区和分层精确爆破处理。

4、关键技术与装备

通过对不同介质和异质体内地震波与电磁场传播理论的研究，进行多种物理探测方法的室内和现场物性测试，结合采场的系统地质填图和地质资料收集，并在已知采空区地区进行多方法物性测量试验，建立了露天采场高强度开采的超大多层采空区地质-地球物理异常数据驱动实时识别模型。利用震、电、磁等多类高效集成的浅层地震-高密度电阻率-瞬变电磁物探方法扫面，潜孔钻实时验证，及时采用洞穴式三维激光扫描设备对采空区的三维形态和规模进行精确描述，消化吸收再创新了综合地球物理探测-潜孔钻验证-洞穴式三维激光扫描互反馈的超大多层采空区三维精准探测技术。

利用单轴压缩实验、三轴实验、劈裂等实验方法，得到了采区内不同岩性的岩石的压缩模量、强度C、φ值参数，统计了岩石节理特征，利用露天采场雷达图像同向轴错断和面波的频散曲线，以及完整岩石的现场实验和实验室超声波实验，建立了露天采场岩石完整性评价技术。检测不同炮检距的振动位移、速度和加速度，振动信号的频谱特性，计算出不同距离的相应惯性力，计算分析了边坡影响下的空区应力区和塑性区分布，对比无边坡影响情况，研究了不同厚度跨度比、不同拱顶形式，得出岩石顶板不同厚度跨度比的安全系数经验公式；并最终建立露天采场超大型多层采空区的预警防控一体化技术。 通过野外地质调查、地球物理探测和结构面数字识别系统ShapeMetriX 3D节理计算，建立起露天采场高陡边坡地质模型，利用理论分析方法和强度折减法，对两种边坡模型进行了进一步的分析计算，建立了预警步骤和预警指标；建立了含采空区的边坡的评价方法及预警防控技术。

对于不同厚度的采空区顶板承载力进行计算，指导牙轮钻和潜孔钻进行爆破作业，把爆破处理的结果反馈给顶板承载力数值模拟和计算，为二次或三次爆破处理再次提供依据，实现对地下不明多层大型采空区实现了分区和分层精确爆破处理。

5、工艺流程

（1）基础调查工作和采空区精准探测（查清研究区地质特征及采空区赋存规律）

查清研究区褶皱构造和断层构造的地质特征。查清断层的走向、倾向、倾角以及沿走向延展范围等空间特征，断层的性质，断层两盘岩矿层的相对运动情况，断层对矿体的破坏程度等地质特征。

在地质调查工作的基础上，应用综合物探方法对研究区内的采空区的埋深、矿体赋存状态、片理化带和破碎带进行精确的探测，查明区内采空区的赋存位置、规模及空间分布及与矿体的空间关系，查明破碎带、构造带和软弱层的空间关系和地下水文条件；测试研究区的地球物理性质（包括岩石电性、波速等性质）；

（2）采空区岩石力学研究

室内岩石力学性质实验

岩石力学实验分如下几个步骤进行：采样：加工：实验室三轴抗压：大型力学模型数值计算与分析

以顶板岩性组合、岩石力学性质、水文地质特征、采空区顶板应力场性质等背景因素和降雨、机械和爆破震动为预测因子，采用FLAC3D计算分析软件对采空区顶板承载力进行动态模拟计算。

野外力学试验，建立采空区承载力物理模型。

（3）地下采空区处理技术

本次采空区处理主要采用地表崩落法，由于采空区面积较大、多层空区相互贯通与影响、水文情况复杂、现场作业人为干扰较大、极端天气经常发生及现场地层岩性和构造复杂等一系列因素，因此，结合现场情况，采空区的处理需要在采空区顶板承载力和岩石力学等研究成果的基础上进行，达到精准爆破的目标。

6、主要创新点

强干扰环境下集成创新并配套应用超大多层采空区精准探测技术，进行了采空区的初步预警。建立了露天采场高强度开采的超大多层采空区地质-地球物理异常数据驱动实时识别模型。

研发了大型露天采场超大多层采空区的稳定评价方法与预警防控技术，建立了露天采场岩石顶板不同厚度跨度比的安全系数经验公式。

通过野外地质调查、地球物理探测和结构面数字识别系统ShapeMetriX 3D节理计算，建立了预警步骤和预警指标，建立了含采空区的边坡的评价方法及预警防控技术。

建立超大型多层采空区承载力计算-牙轮钻和潜孔钻的互反馈技术，对地下不明多层大型采空区实现了分区和分层精确爆破处理。

7、主要技术指标及同类技术对比情况

由于隐患空区探测条件复杂，目前国内外均处于起步和探索阶段，主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。其中美国等西方发达国家以物探方法为主。美国、日本、欧洲等发达国家主要采用物探方法进行采空区探测，如美国的地震法、微重力法以及电法和电磁法探测技术具有较高的水平，其中以高密度电阻率法和高分辨率地震勘探法应用最为突出；俄罗斯采用的物探技术有地震发射波法、电法、射气测量法、瞬变电磁法等；英国、法国等国家普遍采用探地雷达技术等；日本在采空区探测方面广泛应用地震波法。

目前我国主要采用物探作为采空区探测的主要技术手段，同时采用钻探法对物探所得数据进行验证，本着物探先行、钻探跟进、验证治理、安全生产的思路进行。其中，主要的地球物理方法有微重力法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、地震映像法、高精度梯度磁法测量、探地雷达法、瑞利波法、氡气测量法以及综合物探方法等。

对于空区的稳定性分析，目前一方面主要是通过理论分析或经验公式对空区的顶板厚度和稳定性进行分析评价。由于空区稳定性与各种地质因素及非地质因素有关，其稳定性评价也是一个十分复杂的动态系统工程问题。传统的评价方法是从覆岩的性质、应力分布入手，研究破坏机理、塌陷的分带性、地表移动和变形的计算、移动速度和移动过程的持续时间、岩移的观测方法、观测网的设置原则等，对于后期的位移预测多是探讨计算方法。而目前较常用的是定性和半定量的分析方法，其分析主要分为空区顶板稳定分析和空区地基稳定性分析。

另一方面，由于近年来计算机的发展，数值模拟计算方法有了长足的进步，已经成为岩石力学研究和工程计算的重要手段，用数值分析软件对空区进行应力计算和稳定性分析也是常用的空区稳定性分析方法。目前常用的数值模拟方法主要有有限差分法、有限单元法、边界元法、半解析解法、离散元法、无界元法以及上述各种方法的藕合等,具体比较见表1。

表1 国内外同类技术成果先进性比较

8、典型实例及成效

针对弓长岭露天铁矿何家采区地下多层超大采空区的特殊性，突破传统物探理论与方法的束缚，创新集成浅层地震-瞬变电磁-高密度电阻率综合物探方法-潜孔钻探-三维激光扫描的互反馈精准探测技术。利用岩石力学分析、现场堆载试验和数值模拟方法，建立静、动载荷条件下的采空区稳定性评价与预警。并在以上成果的基础上，对采空区进行分区爆破处理，有效的排除了采空区带来的安全隐患，并使采空区形成的资源禁区变成资源有效开采区。提高了生产安全和生产效率。

弓长岭露天铁矿何家采区共探测出采空区三层，第一层空区地表投影面积约808.32m²，影响安全作业面积1800 m²，顶板最高处标高158m，最低底板标高146m，顶底板最大落差约12m；第二层采空区地表投影面积约7000m²，影响安全作业面积16800m²，最高顶板标高143m，最低底板标高127m，顶底板最大落差约16m；第三层采空区地表投影面积约8000m²，影响安全作业面积30000m²，最高顶板标高146m，最低底板标高125m，顶底板最大落差约21m。根据在采区采集的多组样品进行的单轴抗压强度实验，何家采区样品的值都大于60Mpa，何家采区空区及其附近地域的岩石（包括矿石）属于“坚硬岩”。利用雷达图像同向轴错断和面波的频散曲线，以及完整岩石的现场实验和实验室超声波实验，确定本区完整岩石磁铁石英岩、斜长角闪岩的纵波波速Vpr分别为2580m/s和2520m/s，推断空区以上至5米左右完整性应为“破碎”。空区岩石岩性属于坚硬岩，但按完整程度，由于与地表台阶距离不同，采区岩石属于破碎和较破碎。结合该项目研究成果对上述几万平方米的采空区并进行了安全爆破处理。采空区的精准探测和处理使约近亿元的矿石得以顺利采出，创造经济效益7030万元，另外该技术在鞍钢矿业的推广应用产生了近亿元的经济效益和显著的社会效应，对黄金矿山、有色金属矿山和工程地质、环境灾害评价具有重要的应用价值，为复杂地质环境进行采空区评价提供先进技术方法。

9、推广应用前景

本项目针对露天铁矿何家采区地下多层超大采空区的特殊性，突破传统物探理论与方法的束缚，创新集成浅层地震-瞬变电磁-高密度电阻率综合物探方法-潜孔钻探-三维激光扫描的互反馈精准探测技术。利用岩石力学分析、现场堆载试验和数值模拟方法，建立静、动载荷条件下的采空区稳定性评价与预警。并在以上成果的基础上，对采空区进行分区爆破处理，有效的排除了采空区带来的安全隐患，并使采空区形成的资源禁区变成资源有效开采区。提高了生产安全和生产效率。

10、专利及获奖情况

取得专利6项。