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1、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 2020 4 6 1 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 2020 4 6 2 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 2020 4 6 3 采空区 我国6874座金属地下矿山 80 以上受采空区威胁 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 是诱发地表突然塌陷 井下
2、冒顶和井下透水的主要危险源 2020 4 6 4 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 2020 4 6 5 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
3、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 2020 4 6 6 地面塌陷情况 2020 4 6 7 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
4、构 筑物倒塌或严重损毁 2020 4 6 8 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 2020 4 6 9 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
5、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 2020 4 6 10 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
6、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 2020 4 6 11 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
7、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 2020 4 6 12 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
8、空区面积扩大 垂直范围波及 430 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 2020 4 6 13 2020 4 6 14 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 2
9、020 4 6 15 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 2020 4 6 16 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 2 604 3 605 1 605 2 605 3矿房
10、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 2020 4 6 17 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采空区等别不明确 监管难采空区灾害突发性强 预警难 超前预报风险评估分级管理监测预警 解决方案 存在的主要技术问题 2020 4 6 18 超前预报 风险评估 分级管理 监测预警 采空区超前预报技术及工艺 地表塌陷沉降的InSAR监测 采空区围岩变形锚杆无线监测 多米诺 效应量化计算方法 采空区分级管理方法 1 2 3 4 5 2020 4 6 19 1 金属矿山采空区超前预报技
11、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 2020 4 6 20 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 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 2020 4 6 21 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 f 10 震源5kg f 10 优化震源最小偏移距20m f 10 优化检波器最小偏移距20m f 10 优化震源排间距2m 2020 4 6 22 进行了金属矿山井下
12、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 采空区地震波反射特征 无充填型空区 泥石充填型空区 地下水充填型空区 富水岩层 井下地质体地震波反射特征 断层破碎带 2020 4 6 23 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项预报数据 平均准确率为62 44 其中 对采空区的预报准确率 无空区 100 对地下水的预报准确率 有涌水 66 7 无涌水 71 4 对地质构造的预报准确率 53 实际揭露的采空区 2020 4 6 24 二 研究成果与创新点 建立了与矿山生产相结合的超前预报流程 2
13、011 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 2020 4 6 25 二 研究成果与创新点 超前预报 风险评估 分级管理 监测预警 采空区超前预报技术及工艺 地表塌陷沉降的InSAR监测 采空区围岩变形锚杆无线监测 多米诺 效应量化计算方法 采空区分级管理方法 1 2 3 4 5 2020 4 6 26 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 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 4个假设条件 2020 4 6 27 2 多
14、米诺 效应量化计算方法 二 研究成果与创新点 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 多米诺 效应计算方法 2020 4 6 28 2 多米诺 效应量化计算方法 二 研究成果与创新点 基于 多米诺 风险 圈定了灾害范围 采空区现状 20年后大面积塌陷范围 20年后 2020 4 6 29 超前预报 风险评估 分级管理 监测预警 采空区超前预报技术及工艺 地表塌陷沉降的InSAR监测 采空区围岩变形锚杆无线监测 多米诺 效应量化计算方法 采空区分级管理方法 1 2 3 4 5 2020 4 6
15、 30 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 二 研究成果与创新点 采空区风险等别与分级管理 2020 4 6 31 3 分级管理 采空区分级管理方法 建立了采空区稳定性 冲击性 透水性和塌陷性的评价指标 提出了采空区风险分级控制方法 二 研究成果与创新点 采空区稳定性评估标准 采空区风险评价和分级管理系统 实现了矿山企业采空区自动评估与分级的网络化动态管理与控制 2020 4 6 32 二 研究成果与创新点 超前预报
16、风险评估 分级管理 监测预警 采空区超前预报技术及工艺 地表塌陷沉降的InSAR监测 采空区围岩变形锚杆无线监测 多米诺 效应量化计算方法 采空区分级管理方法 1 2 3 4 5 2020 4 6 33 4 采空区地表沉降的InSAR监测 获取了PALSAR RADARSAT 2卫星18景星载合成孔径干涉雷达 InSAR 数据 分别采用二轨法消除地形相位和傅里叶变换法去除轨道残余相位 提高了监测精度 西石门矿区地表沉降图 张家洼矿区地表沉降图 2020 4 6 34 5 采空区围岩变形锚杆无线监测系统研制 基于锚杆与围岩共同作用原理 设计了支护锚杆应力传感器 量程 15000 分辨率0 5 开发了支护锚杆无线监测系统 无线通讯距离300米 无电源连续使用寿命2年 二 研究成果与创新点 非线性误差及温度补偿 全桥差动电路 支护结构作用原理 无线发射模块设计 无线网关结构 2020 4 6 35 采空区围岩变形锚杆无线监测系统 提出绝对值 加速度和连续面3种动态预警模型 开发了采空区围岩变形监测预警系统 实现了采空区灾害的实时在线智能监测和预警 2020 4 6 36 提出的采空区探测 评
