露天煤矿地下采空区勘查与治理技术研究

刘宪权

（中煤平朔集团有限公司，山西朔州036006）

采矿工程

露天煤矿地下采空区勘查与治理技术研究

刘宪权

（中煤平朔集团有限公司，山西朔州036006）

以平朔东露天矿开采境界内的老空区群为工程实例，提出了露天煤矿地下采空区（空洞）综合勘查与治理技术路线，从空间参数的查明、治理方法的选择、最佳治理时间的确定到爆破参数的设计，详细分析了典型空腔体的治理思路与方法，对指导露天矿生产和维护作业人员及设备安全具有十分重要的意义。

露天开采；地下采空区；勘查与治理技术

0 引言

露天开采以其资源利用充分，生产效率高，成本低，劳动条件好等优点，在我国煤矿开采中所占的比例日益增大，但长期以来，我国许多小煤矿采用房柱法等空场类方法采矿，关闭时留下了许多采空区。这些空洞大小、位置和深度具有不确定性，而且随着露天开采的进行和时间的推移，空洞逐渐塌落，实际空洞层位难以掌握，由于地下采空区顶板坍塌是隐蔽的，事先几乎无任何先兆，一旦发生冒落破坏，造成的后果相当严重，该矿的特大型设备在采空区上部作业存在重大安全隐患，设备一旦掉入采空区，就可能造成人员伤亡和设备损坏[1-4]。

东露天矿田位于宁武煤田平朔矿区北端，矿田内主要可采煤层厚度大，煤层埋藏较浅，生产矿井和小窑较多。首采区有5座已关闭的小煤矿，由于这些小煤矿全部采用房柱式开采，遗留了大量空洞，对现场安全生产构成了严重威胁，近两年先后发生过电铲和卡车掉入采空区的事故。为了避免事故，实现安全开采，对分布在露天煤矿境界范围内的采空区（空洞）进行全面勘查，对已探明的空腔体进行稳定性评价和有效治理，才能从根本上保证露天采矿作业设备与人员的安全。

1 露天煤矿地下采空区勘查方案

2013年，平朔集团公司联合煤炭科学研究总院与中煤西安设计工程公司联合开展了东露天矿采空区（空洞）综合勘查与治理研究，采用物探、钻探以及三维激光扫描相结合的方法对东露天矿采场剥采范围内进行了探测。通过三维地震、瞬变电磁以及高密度电法勘探，基本验证了已获取的小窑图件，通过钻探与三维激光扫描，较全面地查明了剥离台阶50 m以下的空洞大小、层位，并将空洞参数放入矿体模型中。根据顶板厚度，空洞形状，尺寸等参数进行及时治理。

通过综合物探，查明研究区域内推断采空区9处，面积为0.009 8～0.117 0 km2，均为4#煤采空区，随后展开了钻探及三维激光扫描工作，通过三维激光扫描，精确定位空腔体40余处，这些空腔体的跨度范围一般为15～30 m，最大跨度约为40 m，空腔高度范围为10～15 m，最大高度为25.6 m，空腔体积一般为500～3 500 m3，体积最大值约为7 000 m3。以物探查明的DC3推断采空区为例，该采空区面积为0.045 6 km2，在其内部通过三维激光扫描准确定位空腔体20余处，空腔体面积占DC3推断采空区面积的1/5，这些数据一方面说明了综合物探在采空区勘查工作中的局限性，另一方面也表明了三维激光扫描工作在空腔体精确定位中的重要性。物探先行，钻探验证，三维激光扫描精确定位，各种方法相互补充，是露天煤矿地下采空区（空洞）精确勘查与高效治理的理想选择。东露天矿采空区综合勘查成果如图1。

图1 东露天矿采空区综合勘查成果

2 露天煤矿地下采空区治理方法

2.1 采空区治理方法

根据平朔公司3个露天矿采矿区安全开采经验，采场内采空区治理一般采用超前爆破法，或临时充填后续爆破法处理。

2.2 采空区最佳治理时间确定

通过分析影响空洞顶板安全性的因素，形成了各种参数，如各岩层及构造力学参数、采矿设备质量和动载荷、爆破影响程度参数、空腔体几何参数等，应用空腔体上覆岩层坍塌自行堵塞估算法、厚跨比法等多种理论方法建立模型计算确定空腔体顶板最小安全厚度H0。对于东露天矿境界范围内任意一个已精确探明的空腔体，通过高程计算，可以得到如下参数：空腔体顶板最小安全厚度H0，空腔体顶板到其上部最近一个水平的上覆岩体厚度H3，空腔体顶板到再上一个水平的上覆岩层厚度H4，该平盘高度为H2。采空区最佳治理时间示意图如图2，根据以上参数，将已探明的空腔体进行分类，确定某个空腔体的最佳治理时间[3]：

图2 采空区最佳治理时间示意图

1）对于某个空腔体，若H0＜H4，则此空腔体可暂不处理；

2）对于某个空腔体，若H0≥H4，即采空区顶板到该水平的覆盖层厚度小于等于最小安全厚度，则此空腔体必须立即处理；

3）对于某个空腔体，若H3≤H0＜H4且H2+H3=H4，则应采用中深孔崩落法进行处理，最佳治理时间应该是H4以上台阶剥离工作已经完成，下部平盘掌子面还未到达采空区（空洞）影响范围。

3 工程实例分析

经过物探、钻探以及三维激光扫描[4-5]等方法精确探明的09-04号空腔体位于DC3物探推断采空区范围内，总体呈东北-西南向分布，长轴约39 m，短轴约19 m，腔体标高为1 277～1 291 m，平均高度为9 m，腔体体积约为6 965 m3，上覆岩体最小厚度为28 m，09-04号采空区三维模型如图3。采用最小安全厚度估算法计算该空腔体在外部载荷为930E卡车（满载）与D245S钻机的条件下，保障顶板岩体稳定所需的最小安全厚度分别为42.78 m与39.85 m，根据空腔体最佳治理时间的确定原则，认为该空腔体应该及时进行处理。

图3 09-04号采空区三维模型

根据推荐的采空区爆破参数设计原则，该采空区爆破处理所需的单孔装药量为806.4 kg，孔距为8 m，排距为7 m，最小抵抗线长度约为5.4 m，分段装药，上段装药长度为5.5 m，下段装药长度为11 m，总装药长度为16.4 m，总孔数为33个，总装药量为26 611.2 kg，采用三角网布孔、反向起爆中部掏槽爆破方式，爆破孔布置及爆破顺序如图4，爆破参数具体见表1。

图4 09-04采空区爆破布置及爆破顺序示意图

表1 09-04号采空区爆破孔参数

通过以上方法，平朔东露天矿成功查明并处理了多处采空区，不但避免了采空区坍塌事故的发生，而且节约了生产成本，经济效益与社会效益显著。

4 结论

1）在实践的基础上提出了露天煤矿地下采空区（空洞）综合勘查与治理技术路线，为露天煤矿地下采空区危险性的科学评价与采空区的及时处理奠定了基础。

2）随着剥采作业的进行，露天矿境界范围内的地下采空区将逐渐被揭露，为了排除安全隐患，必须在揭露前对其展开精确的勘查与治理。物探先行，钻探验证，三维激光扫描精确定位，各种方法相互补充，是露天煤矿地下采空区（空洞）精确勘查与高效治理的最佳选择。

3）基于典型工程实例，建立了理论计算模型，从治理方法的选择、顶板安全厚度的计算、最佳治理时间的确定以及爆破参数的合理设计各流程，详细分析了典型空腔体的治理思路和方法，值得国内外条件类似矿山广泛借鉴。

［1］刘宪权，徐志远.露天矿复采境界内井工采空区安全开采实践［J］.露天采矿技术，2014（12）：7.

［2］郭炯，吕建洲.平朔东露天采空区治理措施［J］.露天采矿技术，2016（5）：20-23.

［3］煤炭科学研究总院，中煤西安设计工程公司.平朔东露天矿采空区（空洞）综合勘查与灾害防治［R］.2013：233.

［4］王志鹏，王俊，李伟，等.露天矿采空区激光三维探测应用研究［J］.露天采矿技术，2016（1）：37-39.

［5］韩进，蔡光琪，刘永刚.东露天矿采空区勘探与治理［J］.露天采矿技术，2014（12）：39-41.

［6］王俊，刘博文.三维激光扫描系统在平朔东露天矿采空区探测中的应用［J］.露天采矿技术，2015（2）：65.

【责任编辑：陈毓】

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

刘宪权.露天煤矿地下采空区勘查与治理技术研究［J］.露天采矿技术，2017，32（1）：1-3.

2016-08-11

刘宪权（1968—），男，山西朔州人，教授级高级工程师，博士，1994年毕业于中国矿业大学，现任中煤平朔集团技术工程部主任。