劉博文 王振偉 李 偉 丁鑫品 王志鵬

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京市朝陽區(qū)，100013)

★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探 ★

露天礦地下采空區(qū)探測與治理技術(shù)應(yīng)用與實踐

劉博文1,2王振偉1,2李 偉1,2丁鑫品1,2王志鵬1,2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京市朝陽區(qū)，100013)

結(jié)合露天礦的自身特色和采空區(qū)治理的特殊要求，提出了以“物探先行、鉆探驗證、三維激光掃描精確定位”為原則的點式探測技術(shù)，給出了以安全厚度和穩(wěn)定系數(shù)為評判準(zhǔn)則的動態(tài)評價技術(shù)，確定了采空區(qū)分級、分類再處理的治理方案，通過應(yīng)用與實踐，基本形成了露天礦地下采空區(qū)探測、評價與治理技術(shù)體系，保障了露天礦安全高效生產(chǎn)。

露天開采 地下采空區(qū) 三維激光掃描 動態(tài)評價體系 探測與治理技術(shù)

近年來，伴隨著煤炭資源整合與煤礦企業(yè)重組，許多小型井工煤礦逐漸被關(guān)停，取而代之的是對關(guān)閉煤礦剩余資源以及零星邊角壓滯煤炭資源重新規(guī)劃后的大型露天煤礦。由于關(guān)停的小煤礦多數(shù)采用房柱式開采方法，采空區(qū)的位置和邊界不明，采空區(qū)頂板坍塌、大型設(shè)備掉落或人員傷亡事故時有發(fā)生，對露天礦安全高效開采構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著露天礦剝采作業(yè)的進(jìn)行，采空區(qū)上覆巖層逐漸變薄，因此，在整個動態(tài)過程中，采空區(qū)的精細(xì)探測和動態(tài)評價顯得尤為重要。然而，目前國內(nèi)傳統(tǒng)采空區(qū)物理探測技術(shù)探測精度較低，對于露天礦指導(dǎo)性不強(qiáng)，同時采空區(qū)評價偏向于理論與經(jīng)驗公式，與探測技術(shù)沒有形成體系。因此，如何及時準(zhǔn)確地探明地下空腔體的空間位置，科學(xué)合理地評價每個空腔體的危險程度，同時提出經(jīng)濟(jì)可靠的治理措施、保證地表大型設(shè)備和作業(yè)人員的安全，是露天礦地下采空區(qū)探測與治理工作亟需解決的關(guān)鍵問題。通過在某些礦區(qū)的研究與應(yīng)用，基本形成了露天煤礦地下采空區(qū)探測、評價與治理技術(shù)體系，保障了安全高效生產(chǎn)，實踐成果值得類似礦山廣泛借鑒。

1 露天礦地下采空區(qū)探測技術(shù)

目前，國內(nèi)露天礦境界內(nèi)的地下采空區(qū)多數(shù)為房柱式開采形成的采空區(qū)，這類采空區(qū)具有跨度小、高度大、不連續(xù)、分布不詳且不易自然塌落的特點，對露天采礦作業(yè)帶來巨大的安全隱患。由于露天礦剝采作業(yè)的特殊性，類似于三維地震勘探、瞬變電磁勘探或高密度電法勘探等適用于一般采空區(qū)的“面式”探測技術(shù)，探測精度根本無法滿足現(xiàn)場要求。為了保證地表作業(yè)設(shè)備和人員的安全，必須時刻明確掌握作業(yè)區(qū)下部是否存在采空區(qū)以及采空區(qū)的空間位置參數(shù)，這種情況下，以“面式”探測成果為基礎(chǔ)，通過精確可靠的“點式”探測手段，實現(xiàn)采空區(qū)探測的點式化和精準(zhǔn)化，將逐漸成為露天礦地下采空區(qū)探測的必然趨勢。

基于中煤平朔露天礦區(qū)地下采空區(qū)探測的研究與實踐，提出了基于物探、鉆探與三維激光掃描相結(jié)合的“點式”探測技術(shù)，及時準(zhǔn)確地探明了開采境界范圍內(nèi)的采空區(qū)分布情況，保證了安全生產(chǎn)，探測成果為采空區(qū)的評價與治理工作奠定了基礎(chǔ)。該技術(shù)的核心內(nèi)容與技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)堅持“物探先行、鉆探驗證、三維激光掃描精確定位”的原則；

(2)掌子面電鏟周圍鉆機(jī)跟蹤探測，鉆孔間排距約為10 m，如圖1(a)所示；

(3)爆破平盤爆破孔與探測孔的布置原則為“隔三個打一個、隔一排打一排”，如圖1(b)所示；

(4)爆破孔深度約為15 m，探測孔深度為41 m；

(5)在物探、鉆探的基礎(chǔ)上開展三維激光掃描探測，準(zhǔn)確掌握采空區(qū)的面積、形狀、埋藏深度、腔體高度等空間位置參數(shù)；

(6)三維激光掃描耗時30 min/孔，掃描精度為±5 cm，掃描半徑為150 m；

(7)以三維激光掃描成果作為采空區(qū)安全評價與治理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

露天礦采空區(qū)“點式”探測技術(shù)的核心工作是通過鉆探找到空腔體，關(guān)鍵設(shè)備是鉆孔式三維激光掃描儀，如圖2所示，自該技術(shù)應(yīng)用于中煤平朔露天礦區(qū)以來，共探測采空區(qū)500余次，成功掃描1000～20000 m3大小的空腔體200余個，探測采空區(qū)面積達(dá)20萬m2，精確探明空腔體積約30萬m3，安全效益顯著。

圖1 地下采空區(qū)探測鉆孔布置示意圖

圖2 三維激光掃描設(shè)備

通過對采空區(qū)探測成果進(jìn)行總結(jié)分析，得出如下結(jié)論：

(1)受開采和地質(zhì)條件等影響，普通“面式”探測手段只能推斷出采空區(qū)的大致分布范圍，不能準(zhǔn)確分辨出空腔體和這些空腔體之間的隔離煤柱，以某個研究區(qū)域為例，空腔體與空腔體之間隔離煤柱的面積比約為5∶1，如圖3所示，普通“面式”探測手段不能準(zhǔn)確探測出空腔體位置參數(shù)(如腔體高度、平面范圍、頂板厚度)，因此“面式”探測成果對于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)基本沒有意義。

(2)對于中煤平朔露天礦區(qū)80處已探明空腔體的位置參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，空腔體最大跨度集中在20～40 m，以25～30 m最多，最大值為60 m；空腔體高度集中在3～15 m，以5～10 m最多，最大高度為28 m；體積在2500～7500 m3空腔體約占總數(shù)的40%以上，最大體積為7500 m3，已探明空腔體統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。事實上，在頂板厚度為30 m時，腔體高度大于6 m、跨度大于8 m、體積大于400 m3的空腔體的危險性已不容忽視?？涨惑w危險程度與空腔體平面面積、平均高度和腔體體積成正比。

圖3 采空區(qū)“點式”探測成果

圖4 已探明空腔體統(tǒng)計結(jié)果

(3)三維激光掃描探測降低了采空區(qū)探測鉆孔施工的盲目性，提高了采空區(qū)爆破治理設(shè)計的科學(xué)性，節(jié)約了生產(chǎn)成本，保證了安全生產(chǎn)。4#空腔體掃描點云俯視圖見圖5。以圖5中的4#空腔體為例，一般情況下，需在其地表密集施工若干鉆孔來確定其分布范圍，但若采用三維激光掃描方法，僅需施工1個鉆孔即可解決以上問題，在該空腔體崩塌治理過程中，若以掃描成果為指導(dǎo)，穿孔成本和炸藥消耗量都會明顯減少，處理效果會更加理想。

圖5 4#空腔體掃描點云俯視圖

2 露天礦地下采空區(qū)危險性動態(tài)評價技術(shù)

對于任一空腔體，隨著露天礦剝采工作的進(jìn)行，其頂板厚度將會逐漸減小，一方面是由于露天礦剝采水平的不斷延深，導(dǎo)致上部巖層逐漸變薄；另一方面，受大型設(shè)備動載及爆破震動的影響，空腔頂板逐層垮落，空腔體逐漸向上發(fā)展。空腔頂板厚度的動態(tài)變化決定了空腔危險程度的動態(tài)變化，因此在采空區(qū)危險性評價與治理過程中須充分考慮其時效特征。

近年來，國內(nèi)外關(guān)于露天煤礦境界內(nèi)地下采空區(qū)的研究主要集中在金屬礦山，關(guān)于露天煤礦采空區(qū)動態(tài)穩(wěn)定性評價與治理方面的研究較少，且主要集中在采空區(qū)頂板最小安全厚度的確定與采空區(qū)治理措施的研究，而這些理論與方法多停留在理論層面，缺少與實踐的結(jié)合，對于一個已探明的空腔體，目前狀態(tài)下的頂板穩(wěn)定性和最小安全厚度為未知狀態(tài)，因此，露天煤礦地下采空區(qū)穩(wěn)定性評價工作急需進(jìn)一步規(guī)范化與程序化，進(jìn)而動態(tài)指導(dǎo)露天礦安全作業(yè)。

中煤平朔露天礦區(qū)聯(lián)合煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司及中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，通過科技攻關(guān)，建立起了涵蓋采空區(qū)參數(shù)獲取、采空區(qū)頂板巖體質(zhì)量評價、最小安全厚度計算、穩(wěn)定性綜合評價、最佳治理時間確定及治理方案優(yōu)化等內(nèi)容的露天煤礦地下采空區(qū)動態(tài)穩(wěn)定性評價體系，開發(fā)出了露天礦地下采空區(qū)動態(tài)穩(wěn)定評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)以三維激光掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過與3Dmine、CavityScan、Geomagic等軟件相結(jié)合，全面考慮了地質(zhì)條件、巖體力學(xué)性質(zhì)、空腔體參數(shù)以及露天采礦活動等影響采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定的主要因素，分步采用巖體自行充填理論、安全厚度評價法、安全系數(shù)評價法以及安全保障系數(shù)法，能夠快速分析出任一空腔體在任何狀態(tài)下的危險程度，并給出最佳治理時間，真正實現(xiàn)了對露天礦地下采空區(qū)動態(tài)穩(wěn)定性的實時分析、評價、預(yù)警與治理，保證了安全高效生產(chǎn)。采空區(qū)動態(tài)穩(wěn)定性評價及治理流程如圖6所示，采空區(qū)動態(tài)穩(wěn)定性評價系統(tǒng)界面見圖7。

圖7 采空區(qū)動態(tài)穩(wěn)定性評價系統(tǒng)界面

采空區(qū)上覆巖體穩(wěn)定性評價不僅要根據(jù)上覆巖體物理力學(xué)性質(zhì)、采空區(qū)形態(tài)、形成機(jī)理來確定分析評價方法，而且要合理準(zhǔn)確地評價各種力學(xué)參數(shù)及安全系數(shù)，考慮影響力學(xué)模型的關(guān)鍵因素，以獲得合理實際的分析和評價結(jié)果。例如關(guān)于考慮外部荷載的采空區(qū)，空場長寬比法和結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論估算法對外部荷載比較敏感，分析評價時可側(cè)重參考其計算的結(jié)果；關(guān)于頂板比較平整的采空區(qū)，上覆巖體穩(wěn)定性評價可側(cè)重用荷載傳遞交匯法、厚跨比法、空場長寬比法及結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論計算法；關(guān)于腔體跨度變化大、上覆巖層節(jié)理裂隙發(fā)育的采空區(qū)，上覆巖體穩(wěn)定性評價可側(cè)重用極限平衡法、荷載傳遞交匯法、厚跨比法、普式拱理論估算法。

3 露天礦地下采空區(qū)綜合治理技術(shù)

露天礦地下采空區(qū)治理主要是消除地下空腔體隱患，以確保露采設(shè)備、人員作業(yè)安全。應(yīng)遵循的總體原則為以人為本、安全可靠、分類分級、經(jīng)濟(jì)合理。

通過上述采空區(qū)穩(wěn)定性評價，可獲得以下采空區(qū)參數(shù)：最小安全厚度H0、采空區(qū)穩(wěn)定系數(shù)K、各設(shè)備安全保障系數(shù)(鉆機(jī)保障系數(shù)Z，最大設(shè)備保障系數(shù)M)、采空區(qū)頂板至該作業(yè)平盤的上覆巖層厚度H、該作業(yè)平盤下挖一個臺階后上覆巖層厚度H下、下挖一個臺階后穩(wěn)定系數(shù)K下。根據(jù)采空區(qū)以上參數(shù)和具體特征，將采空區(qū)劃分為5類，同時根據(jù)各類采空區(qū)是否具有產(chǎn)生失穩(wěn)的條件，將采空區(qū)危險性分為3級，具體描述如表1所示。

基于不同類型和危險性等級的采空區(qū)，提出更有針對性、合理性的采空區(qū)治理方案：對于 Ⅰ 類采空區(qū)，危險性小，暫不需要處理；對于 Ⅱ 類和 Ⅲ 類采空區(qū)，危險性中等，應(yīng)在該作業(yè)平盤采用中深孔爆破崩落法處理；對于 Ⅳ 類采空區(qū)，危險性大，應(yīng)采用切割深孔爆破崩落法進(jìn)行處理，即根據(jù)采空區(qū)分布形態(tài)，在采空區(qū)邊界的外沿布置1～2排切割深孔，使采空區(qū)頂板由于切割爆破失穩(wěn)而塌落，同時根據(jù)采空區(qū)邊界劃定禁行區(qū)，禁止所有設(shè)備通行；對于 Ⅴ 類采空區(qū)，應(yīng)先用反鏟在周圍試探性的放塌懸頂區(qū)域，然后根據(jù)具體情況采取剝離物回填處理方式。

表1 采空區(qū)分類分級表

通過采空區(qū)的分類、分級再治理，實現(xiàn)了采空區(qū)的科學(xué)化管理，很大程度上提高了采空區(qū)治理效果。

4 結(jié)語

物探、鉆探與三維激光掃描相組合的“點式”探測技術(shù)，實現(xiàn)了由粗到細(xì)、由面到點的探測效果，為采空區(qū)的評價與治理工作奠定了基礎(chǔ)，基于探測成果建立的采空區(qū)評價體系，其準(zhǔn)確性和指導(dǎo)性大大提高，提出的采空區(qū)分級、分類再處理的治理方案，實現(xiàn)了采空區(qū)的科學(xué)化與系統(tǒng)化管理，通過應(yīng)用與實踐，基本形成了露天礦地下采空區(qū)探測、評價與治理技術(shù)體系，該實踐成果應(yīng)用前景廣闊。

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Applicationandpracticeofdetectionandtreatmenttechnologyforopen-pitminegoaf

Liu Bowen1,2, Wang Zhenwei1,2, Li Wei1,2, Ding Xinpin1,2, Wang Zhipeng1,2

(1. Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. State Key Laboratory of Coal Resources High-Efficient Mining and Clean Utilization, China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China)

Combined with the characteristics of open-pit mine and special requirements of goaf management, geophysical prospecting, drilling verification and 3D laser scanning accurate positioning were proposed, a dynamic evaluation technique based on judgment criteria of safety thickness and stability coefficient was obtained, and a goaf management plan after goaf grading and classifying was determined. Through application and practice, complete sets of technical system of open-pit mine underground goaf detection, evaluation and treatment was achieved, which ensured safe and efficient production of open-pit mine.

open-pit mining, underground goaf, 3D laser scanning, dynamic evaluation system, detection and treatment technology

P631

A

國家自然科學(xué)基金項目(51774184)，煤科院科技發(fā)展基金項目(2016JC10)

劉博文，王振偉，李偉等. 露天礦地下采空區(qū)探測與治理技術(shù)應(yīng)用與實踐[J]. 中國煤炭，2017，43(11)：42-46,59.

Liu Bowen, Wang Zhenwei, Li Wei, et al. Application and practice of detection and treatment technology for open-pit mine goaf[J]. China Coal, 2017, 43(11):42-46,59.

劉博文(1986-)，漢族，河北唐山人，助理工程師，主要從事露天采礦、采空區(qū)勘查與防治、邊坡工程等研究。

(責(zé)任編輯 郭東芝)