相對于地下開采而言，露天開采具有資源回采率高、生產能力大、安全水平高、工作環(huán)境好、生產成本低等優(yōu)勢。基于以上認識，國內外部分礦山實施了地下轉露天開采。雖然這類礦山相對較少，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。對于地下轉露天開采的礦山，生產中受到原地下開采留下的采空區(qū)威脅是不可避免的，因此開展相關采空區(qū)探測和處理技術研究具有重要的現實和長遠意義。

1、采空區(qū)類型

紫金山金礦是我國實施地下轉露天開采的典型代表，在生產實踐中他們根據人員是否能夠進入開展調查將地下開采形成的采空區(qū)分為明空區(qū)和暗空場兩類。研究借鑒其經驗，從便于采空區(qū)探測和處理的角度出發(fā)將地下采空區(qū)分為四類。

1)計劃性開采形成的采空區(qū)。主要指建國以來國有礦山有計劃的開采作業(yè)形成的采空區(qū)，其特點是采礦活動有較詳細的設計，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)探測工作。

3)頂板巖層移動形成的采空區(qū)。采用垮落法處理頂板時，無論是強制崩落還是自然垮落，都不能充分充填采空區(qū)，因頂板巖層移動使采空區(qū)擴大。隨著巖層控制理論與技術的發(fā)展，這類采空區(qū)可通過開采形成的采空區(qū)預測。

4)次生災害形成的采空區(qū)。在地下開采過程中或結束后，采空區(qū)內可能發(fā)生次生災害，如積聚水等，進一步侵蝕采空區(qū)周邊的巖體，擴大了原采空區(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，都會不斷侵蝕煤壁而擴大采空區(qū)。如新疆庫爾阿肯煤田地下火區(qū)，20世紀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)長度由10km左右發(fā)展至26km。

通過對四種采空區(qū)類型的特點進行分析可知，計劃性開采形成的采空區(qū)由于區(qū)域明確，對于地下轉露天開采不會構成太大影響；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)域未知或需要預測，所以需要進行專門的采空區(qū)探測工作；對于次生災害形成的采空區(qū)，由于此種采空區(qū)的形成與地質構造相關，所以如果地質條件比較特殊，如開采區(qū)域為含水層或者煤易自燃等，同樣要加強采空區(qū)的探測工作。總之，采空區(qū)的探測工作是實現開采方式由地下轉為露天的一個先決條件，需要認真對待。

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濟效益，而且威脅到生產作業(yè)安全。

2.1 經濟效益降低

礦產資源通過地下開采以后，形成采空區(qū)，再轉為露天開采，由于可采礦產資源減少，導致露天開采的經濟效益降低。地下開采的影響可用下式表達：

(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——原預計露天開采效益，萬元；

QY——原圈定資源量，Mt；

A——礦石售價，元/t；

V——露天礦設計剝離量，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，而且會導致露天采礦成本升高、采出礦石品位降低，進一步惡化露天礦開采的經濟效益。假設地下轉露天開采的采礦成本和礦石售價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)探測成本：

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

式中 Ct——采空區(qū)的探測成本，萬元。

2.2 生產接續(xù)難度加大

露天礦生產中，一般會進行剝采比均衡來**生產穩(wěn)定；而采空區(qū)的出現可能使大量的剝離工作失去效益，造成生產管理難度加大。設露天礦均衡剝采比為n，則需增加剝離量ΔV=nQD。

2.3 威脅生產安全

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

地面塌陷分預見性塌陷和非預見性塌陷兩種。前者是人為采取生產性爆破等技術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，主要表現為礦石采運難度增加，引發(fā)產量銜接困難；而后者是未知的采空區(qū)或采空區(qū)已知但認為不會塌陷的地區(qū)突然發(fā)生塌陷，他直接威脅設備和人員作業(yè)安全。2001年紫金山金礦863平臺塌陷導致一臺KQG-150Y鉆機墜入空場。

由于地下采空區(qū)的存在，使得多種空間在露天作業(yè)臺階交匯，所產生的切割作用削弱了臺階的整體性，因為邊坡失穩(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)內可能積聚的水、火、有毒氣體等物質，一旦露天開采過程中揭露采空區(qū)導致積聚物質釋放，會威脅臨近設備、人員安全。

2.4 穿爆工作難度大

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

3、 采空區(qū)探測技術

由于采空區(qū)存在的普遍性和對露天開采的巨大危害，準確探測地下開采形成的采空區(qū)是礦產資源地下轉露天開采過程中面臨的主要技術難題。對于未知采空區(qū)的探測，現階段主要有機械探測法和物理探測法兩大類。

機械探測法利用鉆機結合已有資料對疑似采空區(qū)的地區(qū)實施現場探測，該方法探測結果較為準確，但成本較高，作業(yè)的危險性較大，因此多用于對已圈定采空區(qū)的確認。地球物理方法具有安全性好、成本低、精度高、探測工作條件好等特點，但探測效果受到實際地形、地質條件和礦巖介質物理力學性質的限制和影響。當前用于采空區(qū)探測的主要有常規(guī)電法、淺層地震法、微重力法、探地雷達法、瞬變電磁法、高密度電法等。

3.1 淺層地震法

地震波在彈性介質中傳播，遇到彈性不同的介質分界面，就會產生波的反射。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，通過時頻特征和振幅特征分析了解到地下地質體的特征信息，達到工程地質勘察目的。淺層地震勘探具有快速、經濟、較全面地反映測區(qū)地質結構信息特征的優(yōu)點，它能夠較好的解決和圈定出煤礦采空區(qū)，因而廣泛應用于煤礦區(qū)的工程勘探。

3.2 探地雷達法

探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR，又稱地質雷達、透地雷達)是利用頻率介于106～109Hz的無線電波來確定地下介質分布的一種方法。它依據電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的界面會發(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，根據接收到電磁波的波形、振幅強度和時間變化特征推斷地下介質的空間位置、結構、形態(tài)和埋藏深度。探地雷達廣泛應用于檢測各種材料的組成，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，但探測深度受限，在超淺深度內是.可信賴的無傷探測方法。

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，測量電極間電位差，并用計算機得出視電阻率。它實質上是一種陣列勘探方法，與常規(guī)電法相比，

具有如下特點：

①電極設置引起的故障和干擾較少，有利于實現野外數據的快速和自動測定；

②可獲得更豐富的關于地電斷面結構特征的地質信息；

③野外數據采集自動化，可進行資料預處理；

④成本低、效率高、信息豐富、解釋方便。

極化補償是高密度電法測量系統(tǒng)中比較關鍵的技術。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生的各種電位。在激發(fā)極化法中第三種電位是待測的有用信號；在電阻率法中，該信號是干擾。而且由于其影響，即使在停電180s后電極電位也不能恢復至供電前水平。因此極化補償非常重要，一般要求硬件和軟件雙重補償，必要時要反復循環(huán)。我國欒川鉬業(yè)公司三道莊露天礦采用高密度電法探測露天采場內的采空區(qū)取得了良好的效果，經深孔鉆機機械探測驗證，精度誤差僅為4.58%；紫金山金礦業(yè)采用高密度電法探測露天采區(qū)內的暗空場。

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，待解決問題的復雜性和難度加大，但由于單一物探方法往往對地質異常體很難定性，因此已不能滿足生產的要求，綜合物探方法根據地質體的密度、電性、彈性等多種物性對采空區(qū)進行探測，應用各種方法相互驗證，使異常體的確定更加準確、可靠。同時，采用綜合探測技術能減少誤判，提高準確度和精度，比單一探測方法的結果更可靠。該方法應用于許多采空區(qū)的探測實踐中，取得了令人滿意的探測結果。探測成果為消除安全隱患，實現礦山由露天開采轉入地下生產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)的設計，也嚴重威脅著礦井的生產安全。應用三維地震及電磁法對該區(qū)采空區(qū)進行綜合物探方法勘查，.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)設計和安全生產提供了決策依據。

4、 結 論

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

2)地下轉露天開采過程中采空區(qū)對露天生產的危害主要體現在經濟效益下降、生產接續(xù)困難、威脅生產安全和增加穿爆工作難度四個方面。

3)機械探測法的探測結果較為準確，適用于對礦體內疑似采空區(qū)的確認，而地球物理方法適用于大區(qū)域采空區(qū)普查，但探測效果受到實際地形、地質條件和礦巖介質物理力學性質的限制和影響。

4)淺層地震法、探地雷達法、高密度電法和綜合探測法是較常用的地球物理探測方法，我國多個露天礦的應用效果表明，綜合探測法是現階段.有效的采空區(qū)探測方法。