露天煤矿采空区及火区探测的技术研究

吕晓勇

（山西焦煤集团正仁煤业有限公司闫家沟露天煤矿，山西 忻州 036411）

·试验研究·

露天煤矿采空区及火区探测的技术研究

吕晓勇

（山西焦煤集团正仁煤业有限公司闫家沟露天煤矿，山西 忻州 036411）

闫家沟露天煤矿因小煤窑采掘破坏，采空区及火区多，范围不详，对露天采煤影响很大。查明这些特殊区域，以便在生产中提前采取预防措施，对采矿安全及提高采空区的煤炭回收率具有重要意义。论述了采用地面高密度电法探测和钻机穿孔探测采空区，将两种探测成果进行对比，确保在探明空巷、火区、积水的过程中不留任何死角，并提出在确定采空区及火区的具体位置后，采用爆破充填法及黄泥注浆法处理采空区及火区。

露天开采；采空区；火区；高密度电法探测；钻孔探测

采用地面高密度电法探测和钻机穿孔探测采空区的具体位置，将两种探测成果进行对比，确保在探明空巷、火区、积水的过程中不留任何死角。确定特殊区域位置后应采取措施，杜绝发生采掘设备在空巷作业时顶板突然垮落，高温区域在爆破时出现事故等。

1 矿区简介

山西焦煤集团正仁公司闫家沟露天煤矿是2009年根据山西省政府资源整合精神，整合原偏关县闫家沟、高大、同强、晋风矿等4座小矿而成。整合后面积8．130 1 km2，13＃煤层平均厚度10．65 m，保有地质储量6 712万t。经过对闫家沟矿区采掘历史进行调查，由于资源破坏严重、不具备综采装备布置条件、煤层火区及CO治理困难等问题，分析煤层的盖山厚度薄、覆盖层以黄土为主等有利条件，确定开采方式为露天开采。

13＃煤层覆盖层以黄土、红土为主，从上往下依次为：第四系黄土平均厚度35 m，第三系红土平均厚度21 m，石炭系太原组中S2砂岩平均厚度11 m，耐火黏土层平均厚度8 m，煤层顶板炭质泥岩平均厚度4 m。

2 研究解决问题的技术关键

闫家沟矿井田由于多年的无序开采，矿区存在为数众多且大小不一、范围不详的采空区、火区。调查显示这些区域开采范围并不大，绝大部分是以掘代采，它们有的相互连通、有的重叠，更多的是相互独立、纵横交错。这些未知采空区的存在，将会严重影响露天开采的安全生产。

2．1 亟待解决的问题

1）确定空巷位置并采取措施，防止剥离过程中空巷顶板突然垮落或塌陷，造成人员伤亡或设备损坏。

2）确定火区位置及范围，采取针对性措施，防止有毒有害气体伤人及防止高温爆破事故等。

2．2 探测采空区、火区的办法

1）采用地面高密度电法探测。

电法探测是研究地层电学性质及电场、电磁场变化规律的学科。它是根据所研究地质对象的电性差异，通过仪器测量其电场大小，进而研究电场的分布规律，可以不依靠对岩石露头的肉眼鉴别，透过覆盖层了解地下深处地质体的状况，从而取得地质结论。目前，电法探测是岩土工程勘测及探测断层、采空区最好的方法之一。

高密度电法探测是以地下被探测目标体与周围介质之间的电性差异为基础，人工建立地下稳定直流电场，依据预先布置的若干道电极，采用预定装置排列形式进行扫描观测，研究地下一定范围内大量丰富的空间电阻率变化，从而查明和研究有关地质问题的一种直流电法探测技术。

高密度电法的基本原理与传统的电阻率法完全相同，不同的是在观测中设置了较高密度的测点，现场测量时，只需将全部电极布置在一定间隔的测点上，然后进行观测。由于使用电极数量多，而且电极之间可以自由组合，这样可以提供更多的地电信息，使电法勘探能像地震勘探一样使用覆盖式的测量方式。

可利用高密度电测法探测采空区及火区的范围并绘图。

2）采用打钻排除法逐步缩小探测范围。

根据高密度电测法探知的采空区及火区范围，在此范围内，露天开采剥离至距13＃煤顶板10m时，采用BZC-150自走式正反循环钻机按设计线打钻，逐步缩小探测范围。

本露天矿采煤面长500m，宽50m。按照25m ×25m的方格分片，有疑必探、先探后采、逐步探出采空区位置并采取措施，不留空白。

先按照沿倾向每25m布置1排钻孔，孔距25 m，每排3孔。在任何一个25m×25m的方格内，如果钻孔没有采空区，可以正常剥采；如果存在采空区，需进一步缩小钻孔间距，确定采空区的具体位置。

具体办法：在发现采空区的钻孔周围按5m×5 m的间排距布置钻孔，示意图见图1。

图块一、二区域没有发现空巷，可以正常剥离采煤；图块三区域发现采空区，在发现采空区的设计线中间再布置钻孔，将采空区位置精确到2．5m范围内。最终确定采空区或空巷的具体位置，采取措施。

图1 打钻排除法示意图

3 采取措施

3．1 采用露天爆破处理方案充填采空区

根据探测获得的采空区及空巷实际位置，距13＃煤煤层顶板10m水平向下部的空区钻孔，钻孔深度9m（距煤层顶板1m），编制爆破方案，实施采空区爆破处理施工。要注意，在进行钻孔前堵塞探测孔，否则造成爆破中漏气，漏药，影响爆破效果。

主炸药选用铵油炸药，起爆药选用2＃岩石炸药。钻孔直径150mm，垂直钻孔。有关爆破参数计算如下：

底盘抵抗线按下式计算：

式中：

Wp—底盘抵抗线，m；

h—台阶高度，m。

经计算：

Wp=（0．65～0．75）×10=6．5～7．5m，取7m。

孔距可按下式计算：

式中：

a—孔距，m。

经计算：

a=（0．7～1．1）Wp=4．9～7．7m，取6m。

排距可按下式计算：

式中：

b—排距，m。

经计算：

b=（0．86～0．9）×6=5．2～5．4m，取5m。

炸药单耗可按下式计算：

式中：

q—炸药单耗，kg／m3；

γ—岩石容重，t／m3；

f—岩石硬度普氏系数。

经计算：

每孔装药量可按下式计算：

式中：

A—爆破宽度，m，取18；

np—钻孔排数。

经计算：

3．2 对火区采取的措施

采用黄泥注入法处理。从火区上部剥离台阶向着火区打眼，用高压泵将黄泥注入，使火区处于完全封闭状态，起到灭火作用。同时制定灭火作业各环节的安全措施及规程，严格按照设计治理方案进行开挖、清除及填埋火源。

1）当钻孔打到火区时，一般会有气体溢出，应及时调来洒水车往孔内灌水，灌满确保安全后，方可继续打孔装药，尽快爆破。

2）设备及人员严格限制在火区上方作业及通行，灭火作业采用端部开挖及推进方式，避免人员及设备坠入火区。

3）挖掘前，必须用束流或喷雾状态的水将灼热体、燃烧体预先冷却，揭露区必须用水彻底扑灭余火。

4）挖掘作业由火区边缘向火源中心进行，边降温边挖掘。

5）挖掘出来的灼热体、燃烧体残渣，必须采取降温、灭火措施，防止火区范围进一步扩大及产生次生污染。此处，灼热体应排放到煤系地层以外。

6）爆破作业要避开明火区，高温区采用灌水降温装药后立即爆破，选用对温度敏感性低的矿用炸药及爆破器材，确保爆破作业的安全。

7）汽车在火区作业时，司机应精神高度集中，经常观察火区情况，不准将车停在水煤气涌出处和明火高温区上，防止中毒和车体着火。

4 结束语

通过利用电法和钻机穿孔探测采空区的具体位置，科学合理地编制处理方案，能有效地消除采空区及火区给露天开采带来的安全隐患，安全高效地回收井工开采所破坏的煤炭资源。

［1］ 中煤国际工程集团沈阳设计研究院．GB 50197-2005煤炭工业露天矿设计规范［S］．北京：中国计划出版社，2006：19-21．

［2］ 安建修．山西焦煤集团正仁煤业有限公司生产矿井地质报告［R］．忻州：山西省地勘局211队，2010：3-7．

［3］ 董浩斌，王传雷．高密度电法的发展与应用［J］．地学前缘，2003（01）：1-2．

Technology Study on Goaf and Fire Area Detection in Open-pit Coal Mine

Lv Xiao-yong

Because of destruction from the small coal pit excavation in Yanjiagou open-cut coal mine，goaf and fire area are more，the scope is unknown，has a great influence on open-pit mining．Find out the specific area，in order to take preventive measures in advance in the production，for mining safety and improving the coal recovery rate of the goaf is of great significance．Discusses by using the high-density resistivity method detecting and drill hole detecting the goaf．Compare two kinds of detection results．Ensure that do not leave any corner in the process of ascertaining abandoned roadway，fire area and water．And puts forward after determine the specific location of goaf and fire area，the blasting and filling method and mud grouting method is adopted for treatment of goaf and fire area．

Opencast mining；Goaf；Fire area；Detection of high density resistivity method；Drilling exploration

TD164+．1

A

1672-0652（2013）09-0014-03

2013-06-16

吕晓勇（1970—），男，山西忻州人，1994年毕业于山东矿业学院，工程师，主要从事煤矿生产管理工作（E-mail）zrgslxy＠126．com