劉海林 汪為平 何承堯 孫國(guó)權(quán) 肖益蓋

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.浙江漓鐵集團(tuán)有限公司)

近年來(lái)，金屬非金屬地下礦山采空區(qū)塌陷引發(fā)的安全事故接連發(fā)生，造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，引起了國(guó)務(wù)院、國(guó)家及各地安全監(jiān)管部門(mén)的高度重視及廣大人民的高度關(guān)注。

據(jù)國(guó)務(wù)院安委會(huì)辦公室下發(fā)的《金屬非金屬地下礦山采空區(qū)事故隱患治理工作方案》統(tǒng)計(jì)，我國(guó)金屬非金屬地下礦山采空區(qū)總量大，分布范圍廣。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，至2015年底，全國(guó)金屬非金屬地下礦山共有采空區(qū)12.8億m3，分布于全國(guó)28個(gè)省(市、區(qū))。

目前，采空區(qū)事故隱患治理存在突出問(wèn)題：一是采空區(qū)為誘發(fā)重特大事故的重要因素，易引發(fā)透水、坍塌、冒頂片幫等多種形式的災(zāi)害，往往造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失；二是采空區(qū)事故隱患治理不及時(shí)，部分礦山企業(yè)忽視采空區(qū)治理，特別是歷史遺留采空區(qū)得不到及時(shí)處理；三是中小型礦山采空區(qū)管理不到位，專業(yè)技術(shù)力量薄弱，不按設(shè)計(jì)施工或無(wú)設(shè)計(jì)施工，礦柱留設(shè)不規(guī)范，造成采空區(qū)重疊、交錯(cuò)現(xiàn)象比較普遍，嚴(yán)重威脅礦山安全生產(chǎn)；四是采空區(qū)安全問(wèn)題已經(jīng)成為影響一些地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)和諧的重要因素[1]。

2001年7月17日廣西南丹因采空區(qū)透水引發(fā)特別重大突水事故，死亡81人。2005年12月26日，河南安陽(yáng)都里鐵礦因采空區(qū)突發(fā)大面積塌陷，造成8人墜落、3人失蹤。2005年河北邢臺(tái)“11·6”特別重大采空區(qū)坍塌事故死亡37人。2008年8月11日龍橋鎮(zhèn)龍?zhí)稕_銅礦發(fā)生一起采空區(qū)坍塌事故，導(dǎo)致3人死亡、2人下落不明。2015年山東平邑縣萬(wàn)莊石膏礦區(qū)“12·25”采空區(qū)坍塌事故造成1人死亡、13人下落不明。

可見(jiàn)，加強(qiáng)采空區(qū)的治理及監(jiān)管工作對(duì)于防止采空區(qū)安全事故的發(fā)生，保證礦山安全生產(chǎn)和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全極其重要，而研究采空區(qū)治理技術(shù)將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

1 金屬非金屬地下礦山采空區(qū)特點(diǎn)

金屬非金屬地下礦山采空區(qū)具有隱蔽性強(qiáng)、規(guī)整性差、空間分布規(guī)律性差、空間形態(tài)變化大、頂板冒落塌陷情況難以預(yù)測(cè)等特點(diǎn)。不同礦種、不同開(kāi)采方法形成的采空區(qū)形態(tài)和特點(diǎn)各異。如山東、安徽、湖南、江蘇等地區(qū)的石膏礦為層狀礦體，采用房柱法開(kāi)采，形成采空區(qū)面積巨大，石膏礦圍巖較軟，遇水膨脹，采空區(qū)容易發(fā)生冒落，引發(fā)地表塌陷。安徽、河南、廣東地區(qū)的方解石礦為厚大礦體，采用房柱法開(kāi)采，形成的采空區(qū)高度大、體積大，圍巖為脆性硬巖，容易發(fā)生突然失穩(wěn)。山東、廣東、安徽、云南等地區(qū)厚大鐵礦、鉛鋅礦、銅礦等采用VCR采礦方法嗣后充填采空區(qū)，開(kāi)采過(guò)程中形成的采空區(qū)高度和圍巖暴露面積巨大，往往在充填前上盤(pán)和頂板會(huì)發(fā)生局部冒落或巖移。江西、湖南、安徽、海南等地采用空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采的脈狀鎢礦、金礦、銅礦等形成的采空區(qū)為條帶狀，高度較大，形態(tài)極不規(guī)則，容易發(fā)生冒落和巖移。

采空區(qū)發(fā)生冒落或塌陷災(zāi)害，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：① 巨大的破壞性，大型采空區(qū)冒落通常伴隨著巨大的沖擊氣浪和沖擊波，造成井下人員傷亡、巷道和設(shè)備破壞，同時(shí)引起地表的塌陷，破壞植被、農(nóng)田水利設(shè)施及生態(tài)環(huán)境，更嚴(yán)重時(shí)造成地表構(gòu)建筑物陷落，人員傷亡；② 突發(fā)性和難預(yù)測(cè)性，地下采空區(qū)災(zāi)害很難預(yù)測(cè)，其圍巖一般為脆性硬巖，在破壞失穩(wěn)前沒(méi)有明顯的宏觀前兆，冒落和塌陷往往在一瞬間或極短時(shí)間內(nèi)完成，人員很難提前撤離或采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施；③ 誘發(fā)其他災(zāi)害性，采空區(qū)冒落時(shí)容易誘發(fā)其他的井下災(zāi)害，采空區(qū)冒落后引起地應(yīng)力重新分布，容易造成周邊區(qū)域應(yīng)力升高，誘發(fā)井巷和采場(chǎng)變形冒頂，采空區(qū)冒落而貫通上覆巖層，形成地下水或地表水的流動(dòng)通道，容易誘發(fā)透水淹井事故。

2 采空區(qū)治理技術(shù)體系

采空區(qū)的安全有效治理需要相應(yīng)的技術(shù)體系來(lái)支撐。通過(guò)多年多處采空區(qū)治理工程的設(shè)計(jì)及施工總結(jié)，形成了“測(cè)、繪、診、治”技術(shù)體系?！皽y(cè)”即對(duì)采空區(qū)進(jìn)行全面調(diào)查和測(cè)量，主要包括物探、鉆探和激光掃描測(cè)量等；“繪”即對(duì)采空區(qū)探測(cè)、測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行精確繪制，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的三維可視化；“診” 即根據(jù)采空區(qū)的測(cè)量結(jié)果及其所處的外部環(huán)境等因素對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析診斷；“治”即綜合分析并確定采空區(qū)治理方案或選擇綜合利用方案。

2.1 采空區(qū)“測(cè)”和“繪”技術(shù)

采空區(qū)屬于地下空洞，整體可見(jiàn)性差，為了確保治理方案的可行性和可靠性，采空區(qū)治理前必須要勘察清楚，明確處置對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)。

采空區(qū)勘察有地球物理勘察(物探)及精確探測(cè)。對(duì)于不明采空區(qū)的勘察常采用物探方法，主要手段有高密度電法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法、微重力法、地震法、大地電磁法等。物探完成后采用鉆探對(duì)采空區(qū)的位置進(jìn)行核實(shí)確認(rèn)。崔曉榮等[2]在處理大寶山礦采空區(qū)時(shí)，通過(guò)物探和鉆探手段進(jìn)行多層次、多手段的采空區(qū)綜合探測(cè)分析，即通過(guò)綜合物探鎖定空區(qū)范圍，工程鉆探核實(shí)空區(qū)位置，三維掃描探明空區(qū)參數(shù)，確保不漏探采空區(qū)，并探明復(fù)雜采空區(qū)和盲空區(qū)，為后續(xù)崩落爆破處理奠定了基礎(chǔ)。李耀華等[3]以瞬變電磁法為主對(duì)沙午鐵路沿線及周圍進(jìn)行勘查, 采用電阻率測(cè)深加強(qiáng)鐵路沿線勘探, 查明了某鐵礦采空區(qū)的分布位置、范圍以及空間特征等, 提高了準(zhǔn)確性, 取得了良好效果。物探方法探測(cè)繪制的采空區(qū)見(jiàn)圖1。

圖1 物探方法探測(cè)繪制的采空區(qū)示意

對(duì)于可知采空區(qū)，常用三維激光掃描法探測(cè)，如加拿大的CMS空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)、英國(guó)的鉆孔式激光掃描儀C-ALS及探桿式掃描儀VS150等，這些探測(cè)系統(tǒng)工作原理基本一致。通過(guò)對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的處理，可以將采空區(qū)真實(shí)的三維空間形態(tài)建立模型，實(shí)現(xiàn)立體展示。劉曉明等[4]在銅坑礦、高峰礦業(yè)公司、冬瓜山銅礦、安慶銅礦、柿竹園多金屬礦等相繼開(kāi)展了基于CMS探測(cè)的采空區(qū)三維模型構(gòu)建、露天塌陷坑準(zhǔn)確探測(cè)、采場(chǎng)周邊超欠挖量計(jì)算以及基于空區(qū)實(shí)測(cè)的采礦貧損測(cè)定、復(fù)雜邊界礦柱回采Surpac爆破設(shè)計(jì)、采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析等相關(guān)衍生技術(shù)的研究與應(yīng)用, 取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。張新光等[5]運(yùn)用空區(qū)激光自動(dòng)掃描系統(tǒng)(CALS)對(duì)三道莊鉬礦區(qū)以前地采留下的采空區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)、系統(tǒng)地探測(cè), 基本查明了采空區(qū)的分布、大小和貫通關(guān)系, 為該礦由地下生產(chǎn)轉(zhuǎn)入露天開(kāi)采的空區(qū)處理提供了相對(duì)可靠的決策依據(jù)。3D掃描法繪制的采空區(qū)見(jiàn)圖2。

圖2 3D掃描繪制的采空區(qū)示意

2.2 采空區(qū)“診”和“治”技術(shù)

采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法主要有理論分析(模糊理論、灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、彈性梁理論、砌體梁理論、太沙基地壓、普氏地壓等)、實(shí)驗(yàn)室相似模擬(平面相似模擬、三維相似模擬)、數(shù)值模擬(有限單元法、有限差分法、離散單元法、邊界元法、剛體元法等)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與工程類比法等[6-7]。常用的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段有位移監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、微地震監(jiān)測(cè)等[8]。某礦山采空區(qū)暴露面積與點(diǎn)柱尺寸的關(guān)系理論計(jì)算見(jiàn)圖3。某礦山多中段采空區(qū)穩(wěn)定性分析相似模擬實(shí)驗(yàn)見(jiàn)圖4。某礦山房柱法開(kāi)采采空區(qū)跨度穩(wěn)定性數(shù)值模擬見(jiàn)圖5。某充填法開(kāi)采礦山采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。

圖3 理論分析法計(jì)算采空區(qū)暴露面積

圖4 采空區(qū)穩(wěn)定性相似模擬實(shí)驗(yàn)

圖5 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬

圖6 采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

采空區(qū)治理方法受多種因素影響。從大的方面來(lái)講，采空區(qū)治理方法主要有崩、充、封、撐和聯(lián)合方法幾類[9-10]。

崩落法處理采空區(qū)，通過(guò)爆破方式崩落采空區(qū)圍巖，可直接將圍巖崩落至地表，徹底消除采空區(qū)，也可崩落部分圍巖充填采空區(qū)，形成緩沖巖石墊層，使采空區(qū)與下部生產(chǎn)區(qū)隔離，防止圍巖突然大面積塌落時(shí)產(chǎn)生的巖石沖擊、地震波和氣浪(又稱空氣沖擊波)對(duì)生產(chǎn)區(qū)作業(yè)人員和設(shè)施的危害。

充填法處理采空區(qū)，采用碎石、尾砂、水砂、混凝土等充填料充填采空區(qū)，控制地壓活動(dòng)。充填法治理采空區(qū)適用范圍廣，特別對(duì)地表構(gòu)建筑物及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)等具有較好的作用。

支撐法處理采空區(qū)，留下永久礦柱或構(gòu)筑人工礦柱支撐采空區(qū)的頂板。支撐法處理頂板堅(jiān)硬穩(wěn)固的采空區(qū)時(shí),只能暫時(shí)維持空?qǐng)龇€(wěn)定,除非采出率極低,并不能最終消除頂板沖擊地壓,而且人工礦柱支撐較昂貴,損失大量資源。

封閉法處理采空區(qū)，采用密閉墻、隔離柵欄、阻波墻等設(shè)施封閉采空區(qū)通道，防止采空區(qū)冒落時(shí)產(chǎn)生的巨大沖擊波對(duì)井下環(huán)境和工人的破壞作用。封閉法通常用來(lái)處理分析穩(wěn)定的小型采空區(qū)，封閉的同時(shí)采用地壓監(jiān)測(cè)儀器對(duì)采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

聯(lián)合法是在一個(gè)礦區(qū)內(nèi)針對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)程度的采空區(qū)聯(lián)合多種方法處理。這種方式可以使用最經(jīng)濟(jì)的手段達(dá)到消除采空區(qū)安全隱患的目的。

3 采空區(qū)治理技術(shù)體系的應(yīng)用

3.1 封閉法+崩落法

某石膏礦為近水平層狀礦體，采用房柱法開(kāi)采，礦房寬6 m，礦柱寬6 m，高8～12 m，形成面積約50萬(wàn)m2的采空區(qū)群。采空區(qū)對(duì)地表和井下構(gòu)成了重大安全隱患。

首先，采用CMS空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)礦山采空區(qū)進(jìn)行實(shí)測(cè)，并利用礦業(yè)軟件建立采空區(qū)三維模型。其次，對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)采空區(qū)穩(wěn)定性分析結(jié)果將采空區(qū)分成若干片區(qū)。穩(wěn)定區(qū)域的采空區(qū)采用封閉方式處理，不穩(wěn)定區(qū)域的采空區(qū)采用崩落頂板方式處理。

對(duì)于穩(wěn)定區(qū)域的采空區(qū)，封閉方式有2種，一種采用混凝土密閉采空區(qū)通道，另一種采用中深孔崩落的廢渣封堵通道，均在通道封閉處設(shè)置警示標(biāo)識(shí)。

對(duì)于不穩(wěn)定區(qū)域的采空區(qū)，由于采空區(qū)面積大，采用分區(qū)、分次爆破崩落方案。設(shè)計(jì)施工3排深孔崩落采空區(qū)頂板，誘導(dǎo)上覆巖層冒落。為了掌握采空區(qū)崩落期間的區(qū)塊地壓變化，確保施工安全，在采空區(qū)崩落區(qū)周邊安裝頂板下沉、礦柱應(yīng)力、微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)安裝高清視頻監(jiān)控對(duì)采空區(qū)進(jìn)行觀測(cè)。

第一期崩落的采空區(qū)埋深約100 m，面積約8 000 m2。崩落區(qū)采用水平扇形深孔，非電毫秒雷管微差爆破方案，每排水平深孔量約1 200 m,最大深孔68 m,第一排炮孔覆蓋采空區(qū)面積6 100 m2，控制厚度3.7 m，實(shí)際總裝藥量約15 000 kg，一次崩落礦巖量約52 000 t。爆破工程實(shí)施22 d后，采空區(qū)對(duì)應(yīng)的地表發(fā)生了沉降，形成一個(gè)以爆區(qū)為中心的沉降盆地，沉降面積約12 000 m2，中心最大沉降深度約1.8 m。該處采空區(qū)的崩落處理僅爆破一排深孔即達(dá)到了誘導(dǎo)采空區(qū)上覆巖層冒落的設(shè)計(jì)預(yù)期。第一期崩落區(qū)實(shí)測(cè)采空區(qū)模型(實(shí)體部分)見(jiàn)圖7，水平深孔炮孔布置平面見(jiàn)圖8，水平深孔炮孔布置剖面見(jiàn)圖9。

圖7 采空區(qū)實(shí)測(cè)模型平面

圖8 水平深孔炮孔布置平面

3.2 支撐法+充填法

某硅灰石礦山為緩傾斜層狀礦體，采用全面法開(kāi)采，采空區(qū)內(nèi)留設(shè)大小不一的點(diǎn)柱，礦柱邊線均為弧形，個(gè)別礦柱頂?shù)状?、中間小，間距為2～23 m，直徑為1～38 m，采空區(qū)高4～8 m，形成約7萬(wàn)m2的采空區(qū)群[11]。

圖9 設(shè)計(jì)水平深孔炮孔布置剖面

首先，采用激光3D掃描系統(tǒng)對(duì)礦山所有采空區(qū)進(jìn)行三維實(shí)測(cè)，并建立三維模型，部分采場(chǎng)立體模型見(jiàn)圖10。其次，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，將采空區(qū)分區(qū)、分類。對(duì)于不穩(wěn)定的采空區(qū)，采用充填法處理；對(duì)于欠穩(wěn)定的采空區(qū)，采用增設(shè)人工礦柱和在原點(diǎn)柱周邊施工加固礦柱的方式進(jìn)行處理(圖11)。

圖10 實(shí)測(cè)全面法采空區(qū)模型

圖11 人工礦柱支撐采空區(qū)示意

采用廢渣干式充填，充填前在采空區(qū)下部水平所有入口砌筑擋墻，擋墻底部預(yù)留泄水孔。井下廢渣采用汽車運(yùn)輸至采空區(qū)附近，采空區(qū)內(nèi)廢渣采用皮帶運(yùn)輸，自下而上、臺(tái)階后退式、自內(nèi)往外進(jìn)行充填，直到充填至頂板，采用注漿接頂。

支撐法+充填法處理采空區(qū)，既達(dá)到了治理采空區(qū)的目的，又節(jié)省了治理成本。

3.3 封閉法+監(jiān)測(cè)法

某方解石礦區(qū)經(jīng)多家礦山數(shù)十年開(kāi)采，采空區(qū)總體規(guī)模達(dá)到350萬(wàn)m3。采空區(qū)賦存標(biāo)高為+180～+500 m， 7～8個(gè)中段，中段高度約30 m，開(kāi)采高度約18 m，礦體傾角約80°，礦體真厚度為90～100 m，采用房柱法開(kāi)采[12]。

首先，采用CMS空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)礦山采空區(qū)進(jìn)行三維精確探測(cè)，并建立采空區(qū)空間模型。通過(guò)查詢，該礦區(qū)單空區(qū)最大暴露面積約2 500 m2，單空區(qū)最大高度為20 m左右。相鄰礦山間采空區(qū)隔離礦柱規(guī)整性差，且普遍偏小。上下中段的礦柱對(duì)應(yīng)關(guān)系差，且很不規(guī)整。礦區(qū)采空區(qū)三維立體模型見(jiàn)圖12。

圖12 礦區(qū)采空區(qū)三維立體模型

該礦區(qū)的采空區(qū)具有總體規(guī)模大、暴露面積大、連通性良好、采空區(qū)相互影響復(fù)雜等特點(diǎn)。根據(jù)探測(cè)所得采空區(qū)空間分布狀況、三維空間結(jié)構(gòu)、礦柱上下對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用工程地質(zhì)調(diào)研、室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論計(jì)算、工程類比等綜合方式對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析模擬，認(rèn)為采空區(qū)在沒(méi)有采礦爆破等較大擾動(dòng)的情況下是穩(wěn)定性的。由于受環(huán)境保護(hù)和無(wú)充填料來(lái)源等條件的限制，經(jīng)過(guò)研究和實(shí)踐，該礦區(qū)可行和可靠的采空區(qū)治理方法為柵欄和齒形阻波墻聯(lián)合封閉，多點(diǎn)位移計(jì)和鉆孔應(yīng)力計(jì)在線監(jiān)測(cè)的方案。采空區(qū)封閉方式見(jiàn)圖13，采空區(qū)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖14。

3.4 封閉法+充填法

某金礦體為一緩傾斜脈狀體，走向近南北，傾向東，傾角為7°～18°。礦體長(zhǎng)370 m，延伸30～230 m，呈參差不齊鋸齒狀尖滅，脈幅為0.8～4.13 m，平均厚2.26 m，賦存標(biāo)高為+5～-120 m。采用斜井開(kāi)拓，布置有-25 m和-45 m 2個(gè)水平，經(jīng)過(guò)多年房柱法開(kāi)采形成面積約2.2萬(wàn)m2采空區(qū)[13-14]。

圖13 采空區(qū)封閉方式示意

圖14 礦區(qū)采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)查閱礦山前期開(kāi)采資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)可以測(cè)量的采空區(qū)進(jìn)行三維精確探測(cè)，建立了采空區(qū)三維模型(圖15)。根據(jù)采空區(qū)的測(cè)量結(jié)果，從單空區(qū)規(guī)模、采空區(qū)密集程度、埋藏深度、上覆巖層及圍巖性質(zhì)、采空區(qū)地壓顯現(xiàn)、采空區(qū)塌陷可能性及與井下作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)關(guān)系等方面對(duì)采空區(qū)危害程度進(jìn)行了評(píng)估，得出礦山采空區(qū)穩(wěn)定性一般，危害程度為中等。但該礦區(qū)地表不允許塌陷，為了防止采空區(qū)冒落對(duì)井下產(chǎn)生危害，并預(yù)防地表塌陷，確定對(duì)井下邊角小型采空區(qū)進(jìn)行封閉處理，對(duì)主體采空區(qū)采用尾砂膠結(jié)充填法處理。

圖15 部分采空區(qū)三維立體模型

為了順利完成采空區(qū)充填工作，同時(shí)本著節(jié)約成本的原則，在地表建設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)易可移動(dòng)式充填站，充填站充填能力約30 m3/h，制備的料漿質(zhì)量濃度約70%，充填料灰砂比為1∶12。充填料漿制備與輸送示意見(jiàn)圖16。

圖16 充填料漿制備與輸送示意

由于采空區(qū)的貫通性良好，充填前將采空區(qū)劃分為5個(gè)單元，依次砌筑充填擋墻。充填管道沿斜井敷設(shè)至采空區(qū)頂部，采用間隔分層充填方式，最后采用泵送充填料接頂。通過(guò)充填處理主體采空區(qū)，消除了礦山采空區(qū)安全隱患。

4 采空區(qū)治理的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 采空區(qū)的治理技術(shù)研究方向

經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，我國(guó)在金屬非金屬地下礦山采空區(qū)治理方面取得了豐碩的理論和實(shí)踐成果，但在不明采空區(qū)的精確探測(cè)、超大型采空區(qū)穩(wěn)定性控制技術(shù)、采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)儀器研發(fā)、老采空區(qū)的地表充填治理工藝、采空區(qū)治理質(zhì)量檢測(cè)和質(zhì)量控制理論和技術(shù)、采空區(qū)治理技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等多方面仍有很大的探索拓展空間[15]。

(1)目前采空區(qū)物探需要2種及以上的方法進(jìn)行驗(yàn)證探測(cè)，物探探測(cè)精度有待提高。未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)采空區(qū)的物理特性探測(cè)等方面的研究，加強(qiáng)物探新方法和新技術(shù)的研究，提高探測(cè)不明采空區(qū)空間位置和形態(tài)的準(zhǔn)確度。

(2)金屬非金屬大型地下礦山采場(chǎng)已發(fā)展到超大型階段，一次形成單個(gè)采空區(qū)的體積達(dá)到10萬(wàn)m3以上。未來(lái)應(yīng)深入研究和掌握超大型采空區(qū)的失穩(wěn)觸發(fā)機(jī)制、圍巖破壞規(guī)律以及穩(wěn)定性控制技術(shù)。

(3)隨著新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)，加強(qiáng)對(duì)礦巖體物理力學(xué)特性研究，充分發(fā)揮其優(yōu)越特性，開(kāi)發(fā)新型地壓傳感器，提高地壓監(jiān)測(cè)靈敏度、精度和可靠性，同時(shí)充分利用通信技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院瓦B續(xù)性。同時(shí)在應(yīng)逐步建立和完善地壓監(jiān)測(cè)安全預(yù)警理論體系和安全預(yù)警閥值標(biāo)準(zhǔn)。

(4)目前歷史遺留的老采空區(qū)常用治理方法是地表注漿和充填，盲目性較大，治理效果難以控制，尤其是采空區(qū)充水或多中段開(kāi)采形成的采空區(qū)，充填治理難度最大，控制不當(dāng)容易造成充填治理工程的巨大浪費(fèi)。因此，對(duì)歷史遺留老采空區(qū)，尤其是充水采空區(qū)和多中段采空區(qū)的充填和注漿治理理論，需要進(jìn)一步研究和探索。

(5)目前我國(guó)金屬非金屬地下礦山采空區(qū)穩(wěn)定性分級(jí)、治理方法、治理效果監(jiān)測(cè)等技術(shù)內(nèi)容尚無(wú)通用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。未來(lái)相關(guān)部門(mén)和機(jī)構(gòu)應(yīng)盡早謀劃，加強(qiáng)合作，為制定采空區(qū)治理和檢測(cè)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范做技術(shù)積累和儲(chǔ)備。

4.2 采空區(qū)的功能化利用

伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類認(rèn)識(shí)事物思維的轉(zhuǎn)變，許多新的理念引入到了礦山領(lǐng)域。金屬非金屬礦山采空區(qū)治理的目的由消除安全隱患向功能化利用方向發(fā)展。采空區(qū)為礦山開(kāi)采形成的廢棄空間，如在其形成前期先行設(shè)計(jì)或形成后加以改造，均可以作為地下工程進(jìn)行使用。這樣采空區(qū)既不存在安全隱患又產(chǎn)生了使用價(jià)值，因此，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的綜合利用可以作為未來(lái)采空區(qū)治理發(fā)展方向[16]。

(1)采空區(qū)可以作為礦山自身的資源，實(shí)現(xiàn)多功能化利用，如礦山產(chǎn)品的深加工、上下游擴(kuò)展等。在礦山設(shè)計(jì)期間將礦山選廠或洗礦車間設(shè)計(jì)建設(shè)在地下，規(guī)劃形成穩(wěn)定的采空區(qū)地下空間，既減少了地表的環(huán)境污染和噪聲污染，又可大量節(jié)約礦山的提升、運(yùn)輸成本。

(2)廢棄采空區(qū)可以作為礦山廢棄物存儲(chǔ)空間，如改造為大型硐室、水倉(cāng)、廢石倉(cāng)、尾礦庫(kù)等。尾礦排放一般都堆排在尾礦庫(kù)，尾礦庫(kù)的建設(shè)會(huì)帶來(lái)資源、環(huán)境、安全和土地等諸多問(wèn)題，通過(guò)對(duì)礦山廢棄的采空區(qū)進(jìn)行論證和改造，成為礦山廢棄物的存儲(chǔ)空間，既可以消除隱患，又可以實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展。

(3)廢棄采空區(qū)可以作為地下功能空間，如倉(cāng)儲(chǔ)、冷庫(kù)、地下實(shí)驗(yàn)室、人防設(shè)施等。不同礦山采用的開(kāi)拓方式不同，采空區(qū)的賦存條件也不同。有的礦山采用斜坡道開(kāi)拓，有的采用平硐開(kāi)拓，有的采用豎井開(kāi)拓；采空區(qū)有的體積大，有的體積小，有的埋藏淺，有的埋藏深等，因此，不同采空區(qū)利用要具體分析。對(duì)于采用斜坡道和平硐開(kāi)采形成的采空區(qū)，車輛人員進(jìn)出方便，可以考慮改造成為地下倉(cāng)儲(chǔ)空間和冷庫(kù)(溫度恒定)，也可以改造作為處理放射性廢料的地下實(shí)驗(yàn)室(需要研究采空區(qū)穩(wěn)定性以及采空區(qū)與地表生物圈隔離的措施等)[17]；靠近城市的小型采空區(qū)通過(guò)技術(shù)改造符合防空洞建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的，可以作為人防設(shè)施；利用豎井開(kāi)拓形成的采空區(qū)，可以建設(shè)石油儲(chǔ)備庫(kù)，采空區(qū)不僅儲(chǔ)備庫(kù)容大，建設(shè)周期短，投資小，還具有安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[18]，通過(guò)技術(shù)手段對(duì)采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性加固和密封性處理以達(dá)到石油儲(chǔ)備條件，即可實(shí)現(xiàn)廢棄采空區(qū)油氣儲(chǔ)備功能化。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析我國(guó)金屬非金屬地下礦山采空區(qū)探測(cè)、穩(wěn)定性分析和治理技術(shù)現(xiàn)狀，提出“測(cè)、繪、診、治”技術(shù)體系，并在多家礦山采空區(qū)治理中應(yīng)用，有效消除采空區(qū)安全隱患，對(duì)于類似礦山的采空區(qū)治理具有借鑒意義。

盡管在金屬非金屬礦山采空區(qū)治理的研究方面取得了一定的成果，但由于采空區(qū)災(zāi)害問(wèn)題的復(fù)雜性，仍需在采空區(qū)的物理特性、不明采空區(qū)精確物探技術(shù)、超大型采空區(qū)空間結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性控制技術(shù)、采空區(qū)區(qū)域應(yīng)力和圍巖變形空間演化規(guī)律與致災(zāi)機(jī)制、采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)新型傳感器和綜合預(yù)警體系、采空區(qū)治理和檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面進(jìn)一步探索和研究。

礦山采空區(qū)綜合利用揭示了我國(guó)金屬非金屬礦山采空區(qū)處理的發(fā)展趨勢(shì)?；踩[患為功能空間，低價(jià)值礦床開(kāi)發(fā)在設(shè)計(jì)初期可以預(yù)設(shè)采空區(qū)功能，現(xiàn)存廢棄采空區(qū)治理可以通過(guò)穩(wěn)定性論證、技術(shù)改造等一系列手段實(shí)現(xiàn)其功能化利用。采空區(qū)在未來(lái)既可以成為存儲(chǔ)廢棄物的地下空間，也可以成為重要的國(guó)防、工業(yè)和民用地下設(shè)施工程。變廢為寶是對(duì)礦產(chǎn)資源合理綜合利用的最好方式，相信隨著技術(shù)、材料、設(shè)備的不斷發(fā)展和進(jìn)步，地下礦山采空區(qū)會(huì)被賦予更多的積極作用和有益功能。