相對(duì)于地下開采而言，露天開采具有資源回采率高、生產(chǎn)能力大、安全水平高、工作環(huán)境好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)?；谝陨险J(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)外部分礦山實(shí)施了地下轉(zhuǎn)露天開采。雖然這類礦山相對(duì)較少，但在資源條件允許的情況下采用露天開采是礦業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于地下轉(zhuǎn)露天開采的礦山，生產(chǎn)中受到原地下開采留下的采空區(qū)威脅是不可避免的，因此開展相關(guān)采空區(qū)探測(cè)和處理技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

1、采空區(qū)類型

紫金山金礦是我國(guó)實(shí)施地下轉(zhuǎn)露天開采的典型代表，在生產(chǎn)實(shí)踐中他們根據(jù)人員是否能夠進(jìn)入開展調(diào)查將地下開采形成的采空區(qū)分為明空區(qū)和暗空?qǐng)鰞深?。研究借鑒其經(jīng)驗(yàn)，從便于采空區(qū)探測(cè)和處理的角度出發(fā)將地下采空區(qū)分為四類。

1)計(jì)劃性開采形成的采空區(qū)。主要指建國(guó)以來國(guó)有礦山有計(jì)劃的開采作業(yè)形成的采空區(qū)，其特點(diǎn)是采礦活動(dòng)有較詳細(xì)的設(shè)計(jì)，采空區(qū)可以很容易的在平剖面圖上圈出。以紫金山金礦為例，其1993至2000年間由中國(guó)有色金屬總公司地下開采形成的采空區(qū)可歸為此類。

2)民采或古代開采形成的采空區(qū)。我國(guó)采礦歷史悠久，東部的很多礦山從宋代甚至更早便已開始了小規(guī)模開發(fā)。未經(jīng)規(guī)劃的民采和古代開采形成了大量采空區(qū)，這類采空區(qū)的特點(diǎn)是無資料可查(或資料無法滿足圈定采空區(qū)的需要)，需要開展專門的采空區(qū)探測(cè)工作。

3)頂板巖層移動(dòng)形成的采空區(qū)。采用垮落法處理頂板時(shí)，無論是強(qiáng)制崩落還是自然垮落，都不能充分充填采空區(qū)，因頂板巖層移動(dòng)使采空區(qū)擴(kuò)大。隨著巖層控制理論與技術(shù)的發(fā)展，這類采空區(qū)可通過開采形成的采空區(qū)預(yù)測(cè)。

4)次生災(zāi)害形成的采空區(qū)。在地下開采過程中或結(jié)束后，采空區(qū)內(nèi)可能發(fā)生次生災(zāi)害，如積聚水等，進(jìn)一步侵蝕采空區(qū)周邊的巖體，擴(kuò)大了原采空區(qū)或形成新的采空區(qū)。較為常見的是地下煤礦開采后形成的火區(qū)，無論是人為失誤造成的還是煤自燃發(fā)火形成的，都會(huì)不斷侵蝕煤壁而擴(kuò)大采空區(qū)。如新疆庫(kù)爾阿肯煤田地下火區(qū)，20世紀(jì)70年代由于小煤窯開采形成，在1996年至2005年的十年里，火區(qū)長(zhǎng)度由10km左右發(fā)展至26km。

通過對(duì)四種采空區(qū)類型的特點(diǎn)進(jìn)行分析可知，計(jì)劃性開采形成的采空區(qū)由于區(qū)域明確，對(duì)于地下轉(zhuǎn)露天開采不會(huì)構(gòu)成太大影響；民采或古代開采形成的采空區(qū)和頂板巖層移動(dòng)形成的采空區(qū)，由于采空區(qū)的形成區(qū)域未知或需要預(yù)測(cè)，所以需要進(jìn)行專門的采空區(qū)探測(cè)工作；對(duì)于次生災(zāi)害形成的采空區(qū)，由于此種采空區(qū)的形成與地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)，所以如果地質(zhì)條件比較特殊，如開采區(qū)域?yàn)楹畬踊蛘呙阂鬃匀嫉?，同樣要加?qiáng)采空區(qū)的探測(cè)工作。總之，采空區(qū)的探測(cè)工作是實(shí)現(xiàn)開采方式由地下轉(zhuǎn)為露天的一個(gè)先決條件，需要認(rèn)真對(duì)待。

2、采空區(qū)危害

地下開采形成的采空區(qū)不僅降低了露天開采的經(jīng)濟(jì)效益，而且威脅到生產(chǎn)作業(yè)安全。

2.1 經(jīng)濟(jì)效益降低

礦產(chǎn)資源通過地下開采以后，形成采空區(qū)，再轉(zhuǎn)為露天開采，由于可采礦產(chǎn)資源減少，導(dǎo)致露天開采的經(jīng)濟(jì)效益降低。地下開采的影響可用下式表達(dá)：

(1) SY=100×[QYA-(VCB+QYCK)]

(2) SD=100×{(QY-QD)A-[VCB+(QY-QD)CK]}

(3)ΔS=100×(QY-QD)(A-CK)

式中 SY——原預(yù)計(jì)露天開采效益，萬元；

QY——原圈定資源量，Mt；

A——礦石售價(jià)，元/t；

V——露天礦設(shè)計(jì)剝離量，Mm3；

CB——露天剝離成本，元/m3；

CK——露天采礦成本，元/t；

SD——地下開采后的露天礦開采效益，萬元；

QD——地下開采采出的礦石量，Mt；

ΔS——地下開采造成的露天礦效益降低，萬元。

地下開采不僅采出了部分資源，而且會(huì)導(dǎo)致露天采礦成本升高、采出礦石品位降低，進(jìn)一步惡化露天礦開采的經(jīng)濟(jì)效益。假設(shè)地下轉(zhuǎn)露天開采的采礦成本和礦石售價(jià)A′有： 

(4)  

(5) A′=A-ΔA

則：

(6)SD=100×{(QY-QD)(A-ΔA)-[VCB+(QY-QD)(CK+ΔC)]}

(7) ΔS=100×[(ΔA+ΔC)QY(A+ΔC-ΔA-CK)QD]

此外，還需考慮一定的采空區(qū)探測(cè)成本：

(8) ΔS=100×[(ΔA+ΔC)QY(A+ΔC-ΔA-CK)QD]+Ct

式中 Ct——采空區(qū)的探測(cè)成本，萬元。

2.2 生產(chǎn)接續(xù)難度加大

露天礦生產(chǎn)中，一般會(huì)進(jìn)行剝采比均衡來保證生產(chǎn)穩(wěn)定；而采空區(qū)的出現(xiàn)可能使大量的剝離工作失去效益，造成生產(chǎn)管理難度加大。設(shè)露天礦均衡剝采比為n，則需增加剝離量ΔV=nQD。

2.3 威脅生產(chǎn)安全

采空區(qū)對(duì)露天礦生產(chǎn)安全的影響主要是由圍巖形變的惡化導(dǎo)致的。采空區(qū)圍巖在時(shí)間效應(yīng)、水化作用和外力震動(dòng)等因素影響下抗剪強(qiáng)度降低，發(fā)生連續(xù)性破壞傳導(dǎo)至露天采場(chǎng)工作范圍時(shí)，威脅露天生產(chǎn)安全。具體表現(xiàn)為地面塌陷、邊坡失穩(wěn)和積蓄物質(zhì)釋放。

地面塌陷分預(yù)見性塌陷和非預(yù)見性塌陷兩種。前者是人為采取生產(chǎn)性爆破等技術(shù)措施貫穿已知的采空區(qū)頂板而引起的塌陷，具有主觀故意性，其危害較小，主要表現(xiàn)為礦石采運(yùn)難度增加，引發(fā)產(chǎn)量銜接困難；而后者是未知的采空區(qū)或采空區(qū)已知但認(rèn)為不會(huì)塌陷的地區(qū)突然發(fā)生塌陷，他直接威脅設(shè)備和人員作業(yè)安全。2001年紫金山金礦863平臺(tái)塌陷導(dǎo)致一臺(tái)KQG-150Y鉆機(jī)墜入空?qǐng)觥?/span>

由于地下采空區(qū)的存在，使得多種空間在露天作業(yè)臺(tái)階交匯，所產(chǎn)生的切割作用削弱了臺(tái)階的整體性，因?yàn)檫吰率Х€(wěn)的可能性大幅度提高；另外采空區(qū)頂板垮落引起的地面塌陷可能直接引發(fā)邊坡失穩(wěn)。另外，采空區(qū)內(nèi)可能積聚的水、火、有毒氣體等物質(zhì)，一旦露天開采過程中揭露采空區(qū)導(dǎo)致積聚物質(zhì)釋放，會(huì)威脅臨近設(shè)備、人員安全。

2.4 穿爆工作難度大

采空區(qū)的存在不僅會(huì)威脅到穿孔設(shè)備的作業(yè)安全，而且會(huì)降低其作業(yè)效率，在采空區(qū)頂板裂隙斷裂帶和無連續(xù)斷裂變形帶穿孔時(shí)容易出現(xiàn)卡鉆等現(xiàn)象；爆破時(shí)，由于未預(yù)見的自由面和巖石破碎出現(xiàn)，爆轟氣體可能從設(shè)計(jì)以外的方向散出，導(dǎo)致爆破效果不能滿足要求。

3、 采空區(qū)探測(cè)技術(shù)

由于采空區(qū)存在的普遍性和對(duì)露天開采的巨大危害，準(zhǔn)確探測(cè)地下開采形成的采空區(qū)是礦產(chǎn)資源地下轉(zhuǎn)露天開采過程中面臨的主要技術(shù)難題。對(duì)于未知采空區(qū)的探測(cè)，現(xiàn)階段主要有機(jī)械探測(cè)法和物理探測(cè)法兩大類。

機(jī)械探測(cè)法利用鉆機(jī)結(jié)合已有資料對(duì)疑似采空區(qū)的地區(qū)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，該方法探測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，但成本較高，作業(yè)的危險(xiǎn)性較大，因此多用于對(duì)已圈定采空區(qū)的確認(rèn)。地球物理方法具有安全性好、成本低、精度高、探測(cè)工作條件好等特點(diǎn)，但探測(cè)效果受到實(shí)際地形、地質(zhì)條件和礦巖介質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)的限制和影響。當(dāng)前用于采空區(qū)探測(cè)的主要有常規(guī)電法、淺層地震法、微重力法、探地雷達(dá)法、瞬變電磁法、高密度電法等。

3.1 淺層地震法

地震波在彈性介質(zhì)中傳播，遇到彈性不同的介質(zhì)分界面，就會(huì)產(chǎn)生波的反射。淺層地震反射波法就是利用這一特性，人工激發(fā)地震波并接收反射波信號(hào)，通過時(shí)頻特征和振幅特征分析了解到地下地質(zhì)體的特征信息，達(dá)到工程地質(zhì)勘察目的。淺層地震勘探具有快速、經(jīng)濟(jì)、較全面地反映測(cè)區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息特征的優(yōu)點(diǎn)，它能夠較好的解決和圈定出煤礦采空區(qū)，因而廣泛應(yīng)用于煤礦區(qū)的工程勘探。

3.2 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR，又稱地質(zhì)雷達(dá)、透地雷達(dá))是利用頻率介于106～109Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)分布的一種方法。它依據(jù)電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的界面會(huì)發(fā)生反射的原理，通過向地下發(fā)射及接收反射回地面高頻電磁波，根據(jù)接收到電磁波的波形、振幅強(qiáng)度和時(shí)間變化特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。探地雷達(dá)廣泛應(yīng)用于檢測(cè)各種材料的組成，如巖石、泥土、混凝土等；也用于確定管道、纜線、孔洞、基礎(chǔ)層、混凝土中的鋼筋及其它地下埋件的位置。該方法的分辨率高，但探測(cè)深度受限，在超淺深度內(nèi)是最可信賴的無傷探測(cè)方法。

3.3 高密度電法

高密度電法全稱為直流高密度電阻率法，基本原理為：通過電極向地下巖層供給直流電流，測(cè)量電極間電位差，并用計(jì)算機(jī)得出視電阻率。它實(shí)質(zhì)上是一種陣列勘探方法，與常規(guī)電法相比，

具有如下特點(diǎn)：

①電極設(shè)置引起的故障和干擾較少，有利于實(shí)現(xiàn)野外數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)測(cè)定；

②可獲得更豐富的關(guān)于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息；

③野外數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化，可進(jìn)行資料預(yù)處理；

④成本低、效率高、信息豐富、解釋方便。

極化補(bǔ)償是高密度電法測(cè)量系統(tǒng)中比較關(guān)鍵的技術(shù)。極化電位包括：金屬表面與土壤間的接觸電位、地面本身的自然電位和通電后土壤中離子遷移產(chǎn)生的各種電位。在激發(fā)極化法中第三種電位是待測(cè)的有用信號(hào)；在電阻率法中，該信號(hào)是干擾。而且由于其影響，即使在停電180s后電極電位也不能恢復(fù)至供電前水平。因此極化補(bǔ)償非常重要，一般要求硬件和軟件雙重補(bǔ)償，必要時(shí)要反復(fù)循環(huán)。我國(guó)欒川鉬業(yè)公司三道莊露天礦采用高密度電法探測(cè)露天采場(chǎng)內(nèi)的采空區(qū)取得了良好的效果，經(jīng)深孔鉆機(jī)機(jī)械探測(cè)驗(yàn)證，精度誤差僅為4.58%；紫金山金礦業(yè)采用高密度電法探測(cè)露天采區(qū)內(nèi)的暗空?qǐng)觥?/span>

3.4 綜合物探法

隨著勘探工作的不斷深入，人們要求的勘探的精度不斷提高，待解決問題的復(fù)雜性和難度加大，但由于單一物探方法往往對(duì)地質(zhì)異常體很難定性，因此已不能滿足生產(chǎn)的要求，綜合物探方法根據(jù)地質(zhì)體的密度、電性、彈性等多種物性對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，應(yīng)用各種方法相互驗(yàn)證，使異常體的確定更加準(zhǔn)確、可靠。同時(shí)，采用綜合探測(cè)技術(shù)能減少誤判，提高準(zhǔn)確度和精度，比單一探測(cè)方法的結(jié)果更可靠。該方法應(yīng)用于許多采空區(qū)的探測(cè)實(shí)踐中，取得了令人滿意的探測(cè)結(jié)果。探測(cè)成果為消除安全隱患，實(shí)現(xiàn)礦山由露天開采轉(zhuǎn)入地下生產(chǎn)提供了安全保障條件。如賀蘭山脈西北端的烏蘭煤礦北二采區(qū)與幾個(gè)小煤礦毗鄰，因采空區(qū)邊界及含水性情況不明，影響了采區(qū)的設(shè)計(jì)，也嚴(yán)重威脅著礦井的生產(chǎn)安全。應(yīng)用三維地震及電磁法對(duì)該區(qū)采空區(qū)進(jìn)行綜合物探方法勘查，最大限度地克服了多解性，基本上查明了北二采區(qū)采空區(qū)的下邊界，查清了采空區(qū)的含水狀況，為采區(qū)設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)提供了決策依據(jù)。

4、 結(jié) 論

1)從便于采空區(qū)探測(cè)和處理的角度考慮，地下開采形成的采空區(qū)按成因可分為計(jì)劃性開采形成、民采或古代開采形成、頂板巖層移動(dòng)形成、次生災(zāi)害形成四類。

2)地下轉(zhuǎn)露天開采過程中采空區(qū)對(duì)露天生產(chǎn)的危害主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益下降、生產(chǎn)接續(xù)困難、威脅生產(chǎn)安全和增加穿爆工作難度四個(gè)方面。

3)機(jī)械探測(cè)法的探測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，適用于對(duì)礦體內(nèi)疑似采空區(qū)的確認(rèn)，而地球物理方法適用于大區(qū)域采空區(qū)普查，但探測(cè)效果受到實(shí)際地形、地質(zhì)條件和礦巖介質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)的限制和影響。

4)淺層地震法、探地雷達(dá)法、高密度電法和綜合探測(cè)法是較常用的地球物理探測(cè)方法，我國(guó)多個(gè)露天礦的應(yīng)用效果表明，綜合探測(cè)法是現(xiàn)階段最有效的采空區(qū)探測(cè)方法。