梅 斌

（平朔工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司露天采礦工程事業(yè)部，山西 朔州 036006）

1 采空區(qū)對露天礦影響

21 世紀(jì)初建設(shè)的小型井工礦，大多也采用先進(jìn)的機(jī)械化開采方法，煤層采高大，井下工作面回收率高，從有些地區(qū)露天礦揭露的情況看，采空區(qū)面積和高度與過去小煤窯相比要大出很多。由于這些采空區(qū)范圍廣跨度大，給露天開采造成了極大的安全隱患。特別是隨著露天礦開采規(guī)模的增加，大型露天礦重達(dá)100 t～200 t 的大型設(shè)備投入使用，對煤層上覆巖層的壓力增加。在生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)電鏟、卡車或輔助設(shè)備陷入采空區(qū)，造成不必要的麻煩或安全生產(chǎn)事故，嚴(yán)重影響露天礦的正常生產(chǎn)組織。因此，在生產(chǎn)過程中通過采空區(qū)治理現(xiàn)場經(jīng)驗，總結(jié)形成露天礦過采空區(qū)安全開采技術(shù)是十分必要的。

2 采空區(qū)探測技術(shù)

過采空區(qū)安全開采技術(shù)前提是需要詳細(xì)的采空區(qū)情況，了解采空區(qū)分布及實際開采區(qū)情況，由于采空區(qū)多為十幾年前開采小煤窯或地方煤礦，資料缺失和失真情況非常普遍，只能通過資料了解采空區(qū)分布大概范圍，很難通過存檔資料來掌握采空區(qū)的真實情況。為了能夠?qū)Σ煽諈^(qū)進(jìn)行有效的探測，在實際采礦工作中往往會通過物理勘探（電磁勘探）或鉆探的方法來獲得采空區(qū)情況。

2.1 物理勘探法

利用采空區(qū)與巖石之間的電阻率差異，一般可以通過瞬變電磁法來實現(xiàn)對采空區(qū)的探測，瞬變電磁法作為電阻率參數(shù)勘探的地球物理方法，通過對大地測量的不同的導(dǎo)電性反映，來區(qū)分識別采空區(qū)，其工程應(yīng)用是通過瞬變電磁勘探儀按設(shè)計測網(wǎng)布置勘探線路來搜集地下電磁信號。采空區(qū)的劃分與圈定是基于地面瞬變電磁法勘探的解釋成果，通過專用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，形成各勘探線電阻率斷面圖[1]，如圖1 所示。再通過三維處理技術(shù)，將斷面圖組合生成三維電阻率圖像，以此來反映采空區(qū)存在狀況。但由于該方法在地表進(jìn)行，測區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜以及外部環(huán)境的影響，都會對瞬變電磁數(shù)據(jù)的采集產(chǎn)生影響。

圖1 生成的地下電阻率斷面圖

2.2 鉆探法

鉆探法是在掌握的采空區(qū)資料和物探分析基礎(chǔ)上，在保證采空區(qū)上覆巖層厚度安全的前提下，利用爆破鉆機(jī)按設(shè)計的孔網(wǎng)參數(shù)對采空區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場穿孔探測。

2.2.1 采空區(qū)上覆巖層安全厚度

采空區(qū)上覆巖層安全厚度是保證露天礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，安全厚度不夠會造成采空區(qū)上部頂板巖石支撐力不足，在上部設(shè)備動荷載、靜荷載作用下都有造成頂板巖石垮塌的可能。由于采空區(qū)高度、跨度、上覆巖層性質(zhì)和設(shè)備載重情況等都會對穩(wěn)定性造成影響，因此采空區(qū)安全厚度計算需要針對不同情況進(jìn)行測算，一般通過計算機(jī)軟件數(shù)值模擬、利用厚跨比計算法、長寬比梁板法等數(shù)值計算方法綜合確定上覆巖層厚度[2]。結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，考慮露天礦實際臺階參數(shù)，一般選擇采空區(qū)上覆2～3 個臺階高度進(jìn)行探測。

2.2.2 采空區(qū)鉆探孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計

采空區(qū)鉆探孔網(wǎng)參數(shù)需要根據(jù)實際情況進(jìn)行控制，孔網(wǎng)參數(shù)過大將無法達(dá)到對采空區(qū)實際控制，影響探測效果?？拙W(wǎng)參數(shù)過小將增加鉆孔成本，同時影響施工進(jìn)度和整體作業(yè)效率。一般情況下進(jìn)行分級布控，首先根據(jù)掌握的資料和采空區(qū)預(yù)測情況沿采空巷道走向進(jìn)行一級布孔（大多情況按實際爆破孔網(wǎng)參數(shù)L），對探測到存在采空區(qū)鉆孔周圍進(jìn)行二級布孔（孔距為L/2），如圖2 所示。通過兩級鉆探可以基本上圈定采空區(qū)范圍，并明確采空區(qū)大小、分布范圍，以及采空區(qū)是否有火區(qū)或積水情況，為下一步采空區(qū)治理提供必要依據(jù)。二級布孔若仍無法完全明確區(qū)域的可以進(jìn)一步加密探孔。

圖2 采空區(qū)區(qū)域爆破孔網(wǎng)布置圖

通過綜合應(yīng)用上述物探發(fā)、鉆探發(fā)2 種方式，基本可以在采空區(qū)上部2～3 個臺階距離將采空區(qū)標(biāo)定并設(shè)置警戒，可以降低設(shè)備、人員陷入采空區(qū)風(fēng)險。有些露天礦還引入了三維激光掃描技術(shù)，通過探頭進(jìn)入作業(yè)條件允許的鉆孔進(jìn)行激光掃描，形成采空區(qū)空腔三維圖像[3]，可以在空間上更全面的了解采空區(qū)寬度、空腔高度和形成等情況。

3 過采空區(qū)施工技術(shù)

目前露天礦過采空區(qū)施工技術(shù)，考慮露天礦施工設(shè)備特點，最常用的方法就是爆破冒落法，通過實施專項爆破實現(xiàn)采空區(qū)上部垮塌，達(dá)到垮塌后巖石能夠充填采空區(qū)，進(jìn)而消除采空區(qū)的作用。對采空區(qū)實施專項爆破技術(shù)，有相對的針對性，爆破效果好，能快速處理探測出的采空區(qū)[4]，達(dá)到預(yù)定的過采空區(qū)施工效果。爆破冒落法關(guān)鍵技術(shù)包括。

3.1 底部充填

由于采空區(qū)探測孔已經(jīng)將打穿至空腔，在實施裝藥前首先要將鉆孔底部進(jìn)行間隔充填，達(dá)到可以承受上部裝藥和炮孔充填的重量。底部間隔充填常見的情況是使用空氣間隔器或木質(zhì)間隔期與鉆孔巖粉分多層充填的方法[5]，對于20 m 以上的臺階一般充填高度需要達(dá)到3 m～5 m 才能保證上部正常裝藥作業(yè)。某些露天礦也采用過在鉆孔附近打平行孔，控制孔深的方法，但該方法增加工程量，影響整體施工效率。

3.2 爆破參數(shù)控制

爆破孔網(wǎng)參數(shù)一般直接采用采空區(qū)鉆探時參數(shù)L/2×L×2，裝藥只選擇采空區(qū)范圍內(nèi)一級炮孔和鉆探存在采空區(qū)的二級炮孔。由于底部采空區(qū)的存在，間接提供了局部自由面，為了實現(xiàn)炸藥分布均勻，裝藥采用孔內(nèi)分段裝藥結(jié)構(gòu)，一般分兩段裝藥，中間用鉆孔巖粉充填，間隔高度要小于下段裝藥高度，需要逐孔進(jìn)行裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計。為保證爆破后巖石足夠破碎，以實現(xiàn)采空區(qū)上部巖石垮落，與正常炮區(qū)采用松動爆破的炸藥單耗不同，采空區(qū)爆破屬于加強(qiáng)拋擲爆破，一般炸藥單耗選擇要到達(dá)常規(guī)爆破的1.3～1.5 倍。起爆順序按照炮孔深度相對較淺且位于采空區(qū)中部的炮孔先起爆，并向四周傳爆。

3.3 爆破效果分析評價

采空區(qū)探測一般在工作面以上2～3 個臺階，鉆孔深度在20 m 以上。因此無法直接對爆破效果進(jìn)行評估，通常情況下采空區(qū)爆破效果評價一般通過分析爆破塌陷深度和塌陷范圍進(jìn)行評價。當(dāng)塌陷深度達(dá)到采空區(qū)空腔高度0.4～0.6，塌陷范圍基本與探測采空區(qū)范圍一致時，就可以評價為爆破質(zhì)量達(dá)到預(yù)期效果[4]。塌陷深度經(jīng)驗計算公式為：

Ht=h+Hp（1+Ksα-Ks）

式中：Ht—爆堆的塌落深度，m。

h —采空區(qū)空腔平均高度，m。

Hp—采空區(qū)頂板平均厚度，m。

Ks—巖石松散系數(shù)，一般取1.2。

α—周邊孔引起土巖凈拋出系數(shù)，一般取5%。

通過以上爆破控制程序，可以實現(xiàn)過采空區(qū)爆破冒落法安全施工，使治理后采空區(qū)達(dá)到安全狀態(tài)，對爆破后的塌陷區(qū)域進(jìn)行回填后就可以恢復(fù)該區(qū)域設(shè)備正常通行。

4 結(jié)論

露天礦采空區(qū)可通過物理勘探法和鉆探法實現(xiàn)分布情況分析和采空區(qū)范圍的確定，為了后期實現(xiàn)采空區(qū)治理提供了準(zhǔn)確的地點和真實采空區(qū)情況。利用露天礦爆破方面的技術(shù)優(yōu)勢和現(xiàn)有設(shè)備條件，通過爆破冒落法實現(xiàn)對采空區(qū)的垮落控制爆破，并通過爆破效果評價實現(xiàn)露天礦過采空區(qū)施工技術(shù)。為露天礦過采空區(qū)生產(chǎn)提供安全技術(shù)保障。