劉憲權(quán)

（中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西朔州036006）

采礦工程

露天煤礦地下采空區(qū)勘查與治理技術(shù)研究

劉憲權(quán)

（中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西朔州036006）

以平朔東露天礦開采境界內(nèi)的老空區(qū)群為工程實(shí)例，提出了露天煤礦地下采空區(qū)（空洞）綜合勘查與治理技術(shù)路線，從空間參數(shù)的查明、治理方法的選擇、最佳治理時(shí)間的確定到爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了典型空腔體的治理思路與方法，對(duì)指導(dǎo)露天礦生產(chǎn)和維護(hù)作業(yè)人員及設(shè)備安全具有十分重要的意義。

露天開采；地下采空區(qū)；勘查與治理技術(shù)

0 引言

露天開采以其資源利用充分，生產(chǎn)效率高，成本低，勞動(dòng)條件好等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)煤礦開采中所占的比例日益增大，但長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)許多小煤礦采用房柱法等空?qǐng)鲱惙椒ú傻V，關(guān)閉時(shí)留下了許多采空區(qū)。這些空洞大小、位置和深度具有不確定性，而且隨著露天開采的進(jìn)行和時(shí)間的推移，空洞逐漸塌落，實(shí)際空洞層位難以掌握，由于地下采空區(qū)頂板坍塌是隱蔽的，事先幾乎無(wú)任何先兆，一旦發(fā)生冒落破壞，造成的后果相當(dāng)嚴(yán)重，該礦的特大型設(shè)備在采空區(qū)上部作業(yè)存在重大安全隱患，設(shè)備一旦掉入采空區(qū)，就可能造成人員傷亡和設(shè)備損壞[1-4]。

東露天礦田位于寧武煤田平朔礦區(qū)北端，礦田內(nèi)主要可采煤層厚度大，煤層埋藏較淺，生產(chǎn)礦井和小窯較多。首采區(qū)有5座已關(guān)閉的小煤礦，由于這些小煤礦全部采用房柱式開采，遺留了大量空洞，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，近兩年先后發(fā)生過電鏟和卡車掉入采空區(qū)的事故。為了避免事故，實(shí)現(xiàn)安全開采，對(duì)分布在露天煤礦境界范圍內(nèi)的采空區(qū)（空洞）進(jìn)行全面勘查，對(duì)已探明的空腔體進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和有效治理，才能從根本上保證露天采礦作業(yè)設(shè)備與人員的安全。

1 露天煤礦地下采空區(qū)勘查方案

2013年，平朔集團(tuán)公司聯(lián)合煤炭科學(xué)研究總院與中煤西安設(shè)計(jì)工程公司聯(lián)合開展了東露天礦采空區(qū)（空洞）綜合勘查與治理研究，采用物探、鉆探以及三維激光掃描相結(jié)合的方法對(duì)東露天礦采場(chǎng)剝采范圍內(nèi)進(jìn)行了探測(cè)。通過三維地震、瞬變電磁以及高密度電法勘探，基本驗(yàn)證了已獲取的小窯圖件，通過鉆探與三維激光掃描，較全面地查明了剝離臺(tái)階50 m以下的空洞大小、層位，并將空洞參數(shù)放入礦體模型中。根據(jù)頂板厚度，空洞形狀，尺寸等參數(shù)進(jìn)行及時(shí)治理。

通過綜合物探，查明研究區(qū)域內(nèi)推斷采空區(qū)9處，面積為0.009 8～0.117 0 km2，均為4#煤采空區(qū)，隨后展開了鉆探及三維激光掃描工作，通過三維激光掃描，精確定位空腔體40余處，這些空腔體的跨度范圍一般為15～30 m，最大跨度約為40 m，空腔高度范圍為10～15 m，最大高度為25.6 m，空腔體積一般為500～3 500 m3，體積最大值約為7 000 m3。以物探查明的DC3推斷采空區(qū)為例，該采空區(qū)面積為0.045 6 km2，在其內(nèi)部通過三維激光掃描準(zhǔn)確定位空腔體20余處，空腔體面積占DC3推斷采空區(qū)面積的1/5，這些數(shù)據(jù)一方面說明了綜合物探在采空區(qū)勘查工作中的局限性，另一方面也表明了三維激光掃描工作在空腔體精確定位中的重要性。物探先行，鉆探驗(yàn)證，三維激光掃描精確定位，各種方法相互補(bǔ)充，是露天煤礦地下采空區(qū)（空洞）精確勘查與高效治理的理想選擇。東露天礦采空區(qū)綜合勘查成果如圖1。

圖1 東露天礦采空區(qū)綜合勘查成果

2 露天煤礦地下采空區(qū)治理方法

2.1 采空區(qū)治理方法

根據(jù)平朔公司3個(gè)露天礦采礦區(qū)安全開采經(jīng)驗(yàn)，采場(chǎng)內(nèi)采空區(qū)治理一般采用超前爆破法，或臨時(shí)充填后續(xù)爆破法處理。

2.2 采空區(qū)最佳治理時(shí)間確定

通過分析影響空洞頂板安全性的因素，形成了各種參數(shù)，如各巖層及構(gòu)造力學(xué)參數(shù)、采礦設(shè)備質(zhì)量和動(dòng)載荷、爆破影響程度參數(shù)、空腔體幾何參數(shù)等，應(yīng)用空腔體上覆巖層坍塌自行堵塞估算法、厚跨比法等多種理論方法建立模型計(jì)算確定空腔體頂板最小安全厚度H0。對(duì)于東露天礦境界范圍內(nèi)任意一個(gè)已精確探明的空腔體，通過高程計(jì)算，可以得到如下參數(shù)：空腔體頂板最小安全厚度H0，空腔體頂板到其上部最近一個(gè)水平的上覆巖體厚度H3，空腔體頂板到再上一個(gè)水平的上覆巖層厚度H4，該平盤高度為H2。采空區(qū)最佳治理時(shí)間示意圖如圖2，根據(jù)以上參數(shù)，將已探明的空腔體進(jìn)行分類，確定某個(gè)空腔體的最佳治理時(shí)間[3]：

圖2 采空區(qū)最佳治理時(shí)間示意圖

1）對(duì)于某個(gè)空腔體，若H0＜H4，則此空腔體可暫不處理；

2）對(duì)于某個(gè)空腔體，若H0≥H4，即采空區(qū)頂板到該水平的覆蓋層厚度小于等于最小安全厚度，則此空腔體必須立即處理；

3）對(duì)于某個(gè)空腔體，若H3≤H0＜H4且H2+H3=H4，則應(yīng)采用中深孔崩落法進(jìn)行處理，最佳治理時(shí)間應(yīng)該是H4以上臺(tái)階剝離工作已經(jīng)完成，下部平盤掌子面還未到達(dá)采空區(qū)（空洞）影響范圍。

3 工程實(shí)例分析

經(jīng)過物探、鉆探以及三維激光掃描[4-5]等方法精確探明的09-04號(hào)空腔體位于DC3物探推斷采空區(qū)范圍內(nèi)，總體呈東北-西南向分布，長(zhǎng)軸約39 m，短軸約19 m，腔體標(biāo)高為1 277～1 291 m，平均高度為9 m，腔體體積約為6 965 m3，上覆巖體最小厚度為28 m，09-04號(hào)采空區(qū)三維模型如圖3。采用最小安全厚度估算法計(jì)算該空腔體在外部載荷為930E卡車（滿載）與D245S鉆機(jī)的條件下，保障頂板巖體穩(wěn)定所需的最小安全厚度分別為42.78 m與39.85 m，根據(jù)空腔體最佳治理時(shí)間的確定原則，認(rèn)為該空腔體應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行處理。

圖3 09-04號(hào)采空區(qū)三維模型

根據(jù)推薦的采空區(qū)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)原則，該采空區(qū)爆破處理所需的單孔裝藥量為806.4 kg，孔距為8 m，排距為7 m，最小抵抗線長(zhǎng)度約為5.4 m，分段裝藥，上段裝藥長(zhǎng)度為5.5 m，下段裝藥長(zhǎng)度為11 m，總裝藥長(zhǎng)度為16.4 m，總孔數(shù)為33個(gè)，總裝藥量為26 611.2 kg，采用三角網(wǎng)布孔、反向起爆中部掏槽爆破方式，爆破孔布置及爆破順序如圖4，爆破參數(shù)具體見表1。

圖4 09-04采空區(qū)爆破布置及爆破順序示意圖

表1 09-04號(hào)采空區(qū)爆破孔參數(shù)

通過以上方法，平朔東露天礦成功查明并處理了多處采空區(qū)，不但避免了采空區(qū)坍塌事故的發(fā)生，而且節(jié)約了生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益顯著。

4 結(jié)論

1）在實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了露天煤礦地下采空區(qū)（空洞）綜合勘查與治理技術(shù)路線，為露天煤礦地下采空區(qū)危險(xiǎn)性的科學(xué)評(píng)價(jià)與采空區(qū)的及時(shí)處理奠定了基礎(chǔ)。

2）隨著剝采作業(yè)的進(jìn)行，露天礦境界范圍內(nèi)的地下采空區(qū)將逐漸被揭露，為了排除安全隱患，必須在揭露前對(duì)其展開精確的勘查與治理。物探先行，鉆探驗(yàn)證，三維激光掃描精確定位，各種方法相互補(bǔ)充，是露天煤礦地下采空區(qū)（空洞）精確勘查與高效治理的最佳選擇。

3）基于典型工程實(shí)例，建立了理論計(jì)算模型，從治理方法的選擇、頂板安全厚度的計(jì)算、最佳治理時(shí)間的確定以及爆破參數(shù)的合理設(shè)計(jì)各流程，詳細(xì)分析了典型空腔體的治理思路和方法，值得國(guó)內(nèi)外條件類似礦山廣泛借鑒。

［1］劉憲權(quán)，徐志遠(yuǎn).露天礦復(fù)采境界內(nèi)井工采空區(qū)安全開采實(shí)踐［J］.露天采礦技術(shù)，2014（12）：7.

［2］郭炯，呂建洲.平朔東露天采空區(qū)治理措施［J］.露天采礦技術(shù)，2016（5）：20-23.

［3］煤炭科學(xué)研究總院，中煤西安設(shè)計(jì)工程公司.平朔東露天礦采空區(qū)（空洞）綜合勘查與災(zāi)害防治［R］.2013：233.

［4］王志鵬，王俊，李偉，等.露天礦采空區(qū)激光三維探測(cè)應(yīng)用研究［J］.露天采礦技術(shù)，2016（1）：37-39.

［5］韓進(jìn)，蔡光琪，劉永剛.東露天礦采空區(qū)勘探與治理［J］.露天采礦技術(shù)，2014（12）：39-41.

［6］王俊，劉博文.三維激光掃描系統(tǒng)在平朔東露天礦采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用［J］.露天采礦技術(shù)，2015（2）：65.

【責(zé)任編輯：陳毓】

Research of exploration and treatment technology in the Open-pit Coal Mine goaf

LIU Xianquan (China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

Taking the goaf group of Pingshuo East Open-pit Mine mining area as the engineering instance,the article proposed underground goaf integrated survey and treatment technology.From identificationof space parameters,the choice of treatment method,the determination of optimal treatment time to the design of blasting parameters，the author analyzed the methods of typical cavity,which had significance for guiding the production and the maintenance safety of operating personnel and equipment.

open-pit mining;underground goaf;exploration and treatment technology

TD325+.3

B

1671－9816（2017）01－0001－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.001

劉憲權(quán).露天煤礦地下采空區(qū)勘查與治理技術(shù)研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（1）：1-3.

2016-08-11

劉憲權(quán)（1968—），男，山西朔州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，1994年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任中煤平朔集團(tuán)技術(shù)工程部主任。