充填采空区再次塌陷事故案例分析及GS型三维激光扫描仪在采空区治理中的应用

f=10,震源5kg
f=10,优化震源最小偏移距20m
30m
破碎带 或节理 裂隙带
f=10,优化震源排间距2m
f=10,优化检波器最小偏移距20m
48m 采空或巷道
进行了金属矿山井下地质体地震波离散计算全息重构，总 结了采空区超前预报地球物理特征。
无充填型空区 泥石充填型空区 地下水充填型空区
相关企业 （1）金岭铁矿 塌陷坑位于金岭铁矿召口矿北金召矿区开采范围内 （2）金召铁矿 金召铁矿开采范围距离地表塌陷水平位置最近处不 足200m。
事故原因分析 金岭铁矿召口矿北金召口矿区冒顶事故 近几年来，北金召口矿区多次发生冒顶事故：
（1）2013年4月21日，北金召矿区-500m水平502矿柱被破 坏形成1.8万m3采空区，造成充填料浆下渗现象 （2）2013年4月29日下午14：00，北金召矿区-500m水平 503采空区下部矿柱遭破坏形成采空区 （3）2013年5月18日上午11:30左右，北金召矿区-540m以 上605-2间柱及604柱被破坏，导致605、604空区联通，顶板 暴露面积加大，引发空区大面积冒落、周边矿柱片帮。至5月 20日，空区顶板已塌落至-525水平以上，并不断向周边扩大 （4）2013年10月5日，北金召矿区-500m，509空区下部矿 体被破坏，形成采空区，造成509采空区上盘顶板冒落。
119
项预报数据，平均准确率为 62.44% ，其中：
9m
对采空区的预报准确率
“无空区”--100% 对地下水的预报准确率
实 际 揭 露 的 采 空 区
“有涌水”--66.7%
“无涌水”--71.4% 对地质构造的预报准确率--53%
4m
7m
12m
20m
28m
30m
二、研究成果与创新点
一、案例：临淄区山东隆盛钢铁有限公司热电 厂“3·29”地面塌陷事故
2015年3月29日上午8时30分左右，山东省淄博市临淄区 山东隆盛钢铁有限公司（以下简称“隆盛钢铁”）热电厂院 内发生地面塌陷事故，塌陷坑直径约50m，深约50m，未发 生人员伤亡。
2015年4月10日，淄博市临淄区成立了“3·29”地面塌 陷事故技术调查组，开展事故的全面调查工作。
（5）2013年11月3日晚20：30左右，北金召矿区-500m水 平509采空区凿岩道与拉槽巷道交汇处底板突然塌陷，调查 发现509采空区底板-510m处矿体被破坏引起塌陷。 （6）2014年3月28日，北金召矿区-540m水平604矿柱形 成较大空区，顶板发生冒落至-525m水平以上，-540m水平 下部片帮塌落严重。3月31日，-540m水平底板出现渗水， 充填体出现渗漏。4月10日上午，604矿柱附近采空区总量 超过50万m3，顶板暴露面积超过1万m2，距离上部充填体 厚度不足10m。 （7）2014年8月6日，北金召矿区7-15勘探线，-500m至570m阶段各中段水平采空区出现大面积冒落、塌陷，500m以下底柱陷落、空区顶板冒落、上下盘围岩向空区整 体位移，巷道发生不同程度顶板冒落、片帮、整体下错、断 裂等情况，地压活动范围约2万m2，造成北金召矿区全面停 产。
4.3井下空区体积计算
专家组经过分析计算确定，由井下采空区垮落，造成 370m水平～-430m水平空区充填体损失后，再次形成新的 空区，体积约11万m3 地表塌陷形成的塌陷坑初始直径为50m，深50m，现逐 渐扩大到60m，深度40m计算，坑体体积在8.5万m3。取k 值1.25，计算井下诱发顶板冒落的空区体积在10.6万m3以 上。和调查确定的-370m水平至-430m水平充填后垮落损 失体积基本相符。
4.2井下冒顶发展过程及地面塌陷的诱因 （2）该冒落区域进一步发展，造成原有已经破坏的500m水平的509、508、506、503、502矿房顶板冒落。 （3）冒落向上部矿体继续发展，造成402、403、404、 405矿房空区上部以及部分充填体塌陷，空区面积扩大，垂直 范围波及-430ｍ～-370m矿体。随着井下空间体进一步增大， 逐渐波及-370m以上灰岩体及蚀变闪长岩的冒落，浅部岩体瞬 间垮落，造成地面的塌陷。
针对金属矿山未知采空区环境下安全开拓，引进了井下地 震波三维反射层析成像方法。 该方法采用了三维阵列式激发和接收方式，可以获得足够 的空间信息，提高了探测精度和准确率。
掌子面
Combined distance to reflector for pair source - receiver defines an ellipsoid
计算矿柱强度
删除破坏矿柱
矿柱荷载分配
矿柱安全系数 否 安全系数满足要求 是 计算顶板安全系数 是 安全系数满足要求 否 采空区整体失稳
“多米诺”效应计算方法
二、研究成果与创新点
2、“多米诺”效应量化计算方法
基于“多米诺”风险，圈定了灾害范围。 20年后
矿柱连续坍塌 形成大面积空区
采空区现状
20年后大面积塌陷范围
建立了与矿山生产相结合的超前预报流程。 2011-2012 年 预报47次、4.3km，施工验证钻孔45个、3.1km，安全开拓4km。
(截至2013年7月，预报69次，6km。)
生产计划 开拓计划 掘进计划 分析现场条件，确定工作方法 综合物探方法圈定采空区警戒范围 当掘进工作面进入警戒范围 无异常 岩层差 岩层稳
4个假设条件：
顶板刚度大 矿柱安全系数低
局部矿柱破坏
无安全隔离矿柱
二、研究成果与创新点
2、“多米诺”效应量化计算方法
采用Voronoi结构划分顶板荷
载 ， 基 于 Obert-Duvall 矿 柱 强 度准则和“流变 -突变”理论， 建立了“多米诺”效应的三维 空间-时间计算方法。
开始 计算矿柱宽度 时间流变
充填采空区再次塌陷事故案例分析及GS 型三维激光扫描仪在采空区治理中的应用
中国安全生产科学研究院
汇报提纲
• 充填采空区塌陷事故案例分析 • 采空区探测技术 • GS型三维激光扫描仪在采空区治理中的应 用
事故案例分析
• 采空区危害日趋严重
在中国获得安全生产许可的非煤矿山有61852座，随 着矿石产量的不断增加，地下采空区面积也不断扩大，采 空区灾害问题日益凸现。
超前预报
采空区超前预报技术及工艺
（1 ）
风险评估
“多米诺”效应量化计算方法 （2）
分级管理
采空区分级管理方法 地表塌陷沉降的InSAR监测
（3 ）
（4）
监测预警 采空区围岩变形锚杆无线监测 （5）
二、研究成果与创新点
3、分级管理——采空区分级管理方法
对中国五矿集团公司所属金属矿山统一了金属矿山行业 “采空区”、“采空区群”的概念，提出了采空区4个等别的 划分方法。 建立了中国五矿集团公司采空区登记检查、动态评估、监 测预警的分级管理方法。
地面塌陷情况
事故经过
3月29日上午8：30分左右，隆 盛钢铁热电厂仓库保管员上班听到库 房外边有振动响声，看到库房北面有 个洞出现，并伴有灰尘扬起。随后陷 落洞越来越大。 至9：30分，塌陷活动趋缓，形 成了直径50m，深50m的地面塌陷 坑。至4月10日，塌陷坑边帮仍持续 向底部滑落，形态变化为直径约60m， 深约40m的柱形状坑。 塌陷造成厂区内部分道路陷落， 埋设的管线严重变形、损毁，目前还 未引起其它建（构）筑物倒塌或严重 损毁。
5、事故原因
5.1、直接原因
根据以上分析，造成山东隆盛钢铁有限公司热电厂“3· 29”地面 塌陷事故的直接原因是： 604-1、604-2、604-3、605-1、605-2、 605-3矿房的矿柱、间柱被乱采乱挖，矿柱失稳，导致大面积顶板 冒落，波及上部509、508、506、503、502矿房顶板冒落，进一 步使得402、403、404、405矿房大面积冒顶，直至垮塌地面，造 成地表塌陷。
锤击产
TBM 型隧道 巷道
Sensor 1
接收 及控
Tunnel Source
Sensor 2
Reflector
马蹄型隧道
： 震源点
A1：传感器（无线）
震源和检波器的三维 空间排列
地震波三维层析成像 反演原理
TRT6000型地质超前 预报系统
通过井下大量工程试验，提出了基于金属矿山围岩坚固性 系数的布置参数优化方案。
采空区风险等别与分级管理 等别 一等 特大型 二等 三等 四等 大型 中型 小型 最大单体空区体积 矿山采空区总体积 登记检查 实时 动态评估 V（万m3） ΣV（万m3）
4.2井下冒顶发展过程及地面塌陷的诱因
从井下事实调查发现，专家组认为此次塌陷事故 是一个缓慢发展到瞬间发生的过程： （ 1 ） 2014 年 8 月 6 日， -500m ～ -570m 阶段各中 段 水 平 604-1 、 604-2 、 604-3 、 605-1 、 605-2 、 605-3 矿房采空区出现大面积冒落、塌陷，上下盘围 岩向空区整体位移是此次事故的诱因。 随着空区的冒落，波及原有 604 矿柱附近采空区 总量超过50万m3，顶板暴露面积超过1万m2的区域， 该区域距离上部充填体厚度不足 10m ，进而形成新的 冒落区域
采空区
是诱发地表突然塌陷、井下冒顶和井
下透水的主要危险源。
采空区引起的各类事故起数占金属矿山事故总量的55%以上。 采空区引发的透水事故占较大以上水害事故起数的85%。
我国6874座金属地
下矿山， 80% 以上 受采空区威胁。
事故案例分析
• 采空区危害日趋严重
我国62.5%的冶金矿山、89% 的有色金属矿山和几乎全部的黄金 矿山为地下开采，其中采用空场采 矿法的比重约占53.5%。 中国自3000年前的商代就开始 了地下采矿的活动，按照中国矿石 产量保守估算，我国的历史采空体 积超过250亿m3。 这些采空区有的已经塌陷，有 的仍旧存在，并随着矿山的开采， 以每年十亿立方米的总数不断扩大。
高密度电法 地震法 地质雷达法 瞬变电磁法 微重力法 其它方法
地质超前预报70-100m 未揭露采空区 施工钻孔验证 揭露无水采空区 激光扫面采空区 有异常，需验证
揭露含水采空区 声纳扫描采空区
正常掘进40m 正常掘进70m
根据精确探测结果治理采空区
根据实际揭露情况 评估预报准确性 下一个生产循环
预报距离不足30m超前 距时停止掘进
存在的主要技术问题
采空区危险源探测准确率不高
大面积采空区长期稳定性评价难
解决方案
超前预报 风险评估
采空区等别不明确，监管难
采空区灾害突发性强，预警难
分级管理
监测预警
超前预报
采空区超前预报技术及工艺
（1 ）
风险评估
“多米诺”效应量化计算方法 （2）
分级管理
采空区分级管理方法 地表塌陷沉降的InSAR监测
5、事故原因
5.2间接原因 （1）井下乱采乱挖现象严重，破坏了北金召矿区的 开采顺序及其矿房的稳定性；604-1、604-2、6043、605-1、605-2、605-3矿房大面积垮落是由于乱 采乱挖矿柱、间柱结果。 （2）井下充填“溃跑”现象严重，充填不够充分； 在北金召矿区-540m水平，有大面积充填体涌入巷道 现象。
（3 ）
（4）
监测预警 采空区围岩变形锚杆无线监测 （5）
1、金属矿山采空区超前预报技术及工艺
探测方法 高密度电法 瞬变电磁法 重力法 激光扫描法 …
一次磁场 发射线圈
接收线圈
接收机 参考电缆
发射机
2845.56 2845.55 2845.54
二次磁场
目标体
mGal
2845.53 2845.52 2845.51 2845.5 m 2845.49 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
采空区地 震波反射 特征
可能为 采空区
井下地质体地 震波反射特征
破碎带 或节理 裂隙带
富水岩层
断层破碎带
通过长期、大量工程实践提高采空区预报准确率
建立了预报准确性评估体系，将超前预报
结果与实际揭露情况对比，总结了47次188
里程0 10 20 30 40
36m
50
60 70 80 90 100 110 120
二、研究成果与创新点
超前预报
采空区超前预报技术及工艺
（1 ）
风险评估
“多米诺”效应量化计算方法 （2）
分级管理
Baidu Nhomakorabea
采空区分级管理方法 地表塌陷沉降的InSAR监测
（3 ）
（4）
监测预警 采空区围岩变形锚杆无线监测 （5）
2、“多米诺”效应量化计算方法
基于“关键层”理论，建立了金属矿山采空区大规模塌陷 “多米诺”效应的量化三维分析模型。