露天矿地下采空区探测与治理技术应用与实践

刘博文 王振伟 李 伟 丁鑫品 王志鹏

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京市朝阳区，100013)

★ 煤炭科技·地质与勘探 ★

露天矿地下采空区探测与治理技术应用与实践

刘博文1,2王振伟1,2李 伟1,2丁鑫品1,2王志鹏1,2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京市朝阳区，100013)

结合露天矿的自身特色和采空区治理的特殊要求，提出了以“物探先行、钻探验证、三维激光扫描精确定位”为原则的点式探测技术，给出了以安全厚度和稳定系数为评判准则的动态评价技术，确定了采空区分级、分类再处理的治理方案，通过应用与实践，基本形成了露天矿地下采空区探测、评价与治理技术体系，保障了露天矿安全高效生产。

露天开采 地下采空区 三维激光扫描 动态评价体系 探测与治理技术

近年来，伴随着煤炭资源整合与煤矿企业重组，许多小型井工煤矿逐渐被关停，取而代之的是对关闭煤矿剩余资源以及零星边角压滞煤炭资源重新规划后的大型露天煤矿。由于关停的小煤矿多数采用房柱式开采方法，采空区的位置和边界不明，采空区顶板坍塌、大型设备掉落或人员伤亡事故时有发生，对露天矿安全高效开采构成严重威胁。随着露天矿剥采作业的进行，采空区上覆岩层逐渐变薄，因此，在整个动态过程中，采空区的精细探测和动态评价显得尤为重要。然而，目前国内传统采空区物理探测技术探测精度较低，对于露天矿指导性不强，同时采空区评价偏向于理论与经验公式，与探测技术没有形成体系。因此，如何及时准确地探明地下空腔体的空间位置，科学合理地评价每个空腔体的危险程度，同时提出经济可靠的治理措施、保证地表大型设备和作业人员的安全，是露天矿地下采空区探测与治理工作亟需解决的关键问题。通过在某些矿区的研究与应用，基本形成了露天煤矿地下采空区探测、评价与治理技术体系，保障了安全高效生产，实践成果值得类似矿山广泛借鉴。

1 露天矿地下采空区探测技术

目前，国内露天矿境界内的地下采空区多数为房柱式开采形成的采空区，这类采空区具有跨度小、高度大、不连续、分布不详且不易自然塌落的特点，对露天采矿作业带来巨大的安全隐患。由于露天矿剥采作业的特殊性，类似于三维地震勘探、瞬变电磁勘探或高密度电法勘探等适用于一般采空区的“面式”探测技术，探测精度根本无法满足现场要求。为了保证地表作业设备和人员的安全，必须时刻明确掌握作业区下部是否存在采空区以及采空区的空间位置参数，这种情况下，以“面式”探测成果为基础，通过精确可靠的“点式”探测手段，实现采空区探测的点式化和精准化，将逐渐成为露天矿地下采空区探测的必然趋势。

基于中煤平朔露天矿区地下采空区探测的研究与实践，提出了基于物探、钻探与三维激光扫描相结合的“点式”探测技术，及时准确地探明了开采境界范围内的采空区分布情况，保证了安全生产，探测成果为采空区的评价与治理工作奠定了基础。该技术的核心内容与技术指标如下：

(1)坚持“物探先行、钻探验证、三维激光扫描精确定位”的原则；

(2)掌子面电铲周围钻机跟踪探测，钻孔间排距约为10 m，如图1(a)所示；

(3)爆破平盘爆破孔与探测孔的布置原则为“隔三个打一个、隔一排打一排”，如图1(b)所示；

(4)爆破孔深度约为15 m，探测孔深度为41 m；

(5)在物探、钻探的基础上开展三维激光扫描探测，准确掌握采空区的面积、形状、埋藏深度、腔体高度等空间位置参数；

(6)三维激光扫描耗时30 min/孔，扫描精度为±5 cm，扫描半径为150 m；

(7)以三维激光扫描成果作为采空区安全评价与治理的关键数据。

露天矿采空区“点式”探测技术的核心工作是通过钻探找到空腔体，关键设备是钻孔式三维激光扫描仪，如图2所示，自该技术应用于中煤平朔露天矿区以来，共探测采空区500余次，成功扫描1000～20000 m3大小的空腔体200余个，探测采空区面积达20万m2，精确探明空腔体积约30万m3，安全效益显著。

图1 地下采空区探测钻孔布置示意图

图2 三维激光扫描设备

通过对采空区探测成果进行总结分析，得出如下结论：

(1)受开采和地质条件等影响，普通“面式”探测手段只能推断出采空区的大致分布范围，不能准确分辨出空腔体和这些空腔体之间的隔离煤柱，以某个研究区域为例，空腔体与空腔体之间隔离煤柱的面积比约为5∶1，如图3所示，普通“面式”探测手段不能准确探测出空腔体位置参数(如腔体高度、平面范围、顶板厚度)，因此“面式”探测成果对于指导现场生产基本没有意义。

(2)对于中煤平朔露天矿区80处已探明空腔体的位置参数进行统计分析可以发现，空腔体最大跨度集中在20～40 m，以25～30 m最多，最大值为60 m；空腔体高度集中在3～15 m，以5～10 m最多，最大高度为28 m；体积在2500～7500 m3空腔体约占总数的40%以上，最大体积为7500 m3，已探明空腔体统计结果如图4所示。事实上，在顶板厚度为30 m时，腔体高度大于6 m、跨度大于8 m、体积大于400 m3的空腔体的危险性已不容忽视。空腔体危险程度与空腔体平面面积、平均高度和腔体体积成正比。

图3 采空区“点式”探测成果

图4 已探明空腔体统计结果

(3)三维激光扫描探测降低了采空区探测钻孔施工的盲目性，提高了采空区爆破治理设计的科学性，节约了生产成本，保证了安全生产。4#空腔体扫描点云俯视图见图5。以图5中的4#空腔体为例，一般情况下，需在其地表密集施工若干钻孔来确定其分布范围，但若采用三维激光扫描方法，仅需施工1个钻孔即可解决以上问题，在该空腔体崩塌治理过程中，若以扫描成果为指导，穿孔成本和炸药消耗量都会明显减少，处理效果会更加理想。

图5 4#空腔体扫描点云俯视图

2 露天矿地下采空区危险性动态评价技术

对于任一空腔体，随着露天矿剥采工作的进行，其顶板厚度将会逐渐减小，一方面是由于露天矿剥采水平的不断延深，导致上部岩层逐渐变薄；另一方面，受大型设备动载及爆破震动的影响，空腔顶板逐层垮落，空腔体逐渐向上发展。空腔顶板厚度的动态变化决定了空腔危险程度的动态变化，因此在采空区危险性评价与治理过程中须充分考虑其时效特征。

近年来，国内外关于露天煤矿境界内地下采空区的研究主要集中在金属矿山，关于露天煤矿采空区动态稳定性评价与治理方面的研究较少，且主要集中在采空区顶板最小安全厚度的确定与采空区治理措施的研究，而这些理论与方法多停留在理论层面，缺少与实践的结合，对于一个已探明的空腔体，目前状态下的顶板稳定性和最小安全厚度为未知状态，因此，露天煤矿地下采空区稳定性评价工作急需进一步规范化与程序化，进而动态指导露天矿安全作业。

中煤平朔露天矿区联合煤炭科学技术研究院有限公司及中煤西安设计工程有限责任公司，通过科技攻关，建立起了涵盖采空区参数获取、采空区顶板岩体质量评价、最小安全厚度计算、稳定性综合评价、最佳治理时间确定及治理方案优化等内容的露天煤矿地下采空区动态稳定性评价体系，开发出了露天矿地下采空区动态稳定评价系统，该系统以三维激光扫描数据为基础，通过与3Dmine、CavityScan、Geomagic等软件相结合，全面考虑了地质条件、岩体力学性质、空腔体参数以及露天采矿活动等影响采空区上覆岩层稳定的主要因素，分步采用岩体自行充填理论、安全厚度评价法、安全系数评价法以及安全保障系数法，能够快速分析出任一空腔体在任何状态下的危险程度，并给出最佳治理时间，真正实现了对露天矿地下采空区动态稳定性的实时分析、评价、预警与治理，保证了安全高效生产。采空区动态稳定性评价及治理流程如图6所示，采空区动态稳定性评价系统界面见图7。

图7 采空区动态稳定性评价系统界面

采空区上覆岩体稳定性评价不仅要根据上覆岩体物理力学性质、采空区形态、形成机理来确定分析评价方法，而且要合理准确地评价各种力学参数及安全系数，考虑影响力学模型的关键因素，以获得合理实际的分析和评价结果。例如关于考虑外部荷载的采空区，空场长宽比法和结构力学梁理论估算法对外部荷载比较敏感，分析评价时可侧重参考其计算的结果；关于顶板比较平整的采空区，上覆岩体稳定性评价可侧重用荷载传递交汇法、厚跨比法、空场长宽比法及结构力学梁理论计算法；关于腔体跨度变化大、上覆岩层节理裂隙发育的采空区，上覆岩体稳定性评价可侧重用极限平衡法、荷载传递交汇法、厚跨比法、普式拱理论估算法。

3 露天矿地下采空区综合治理技术

露天矿地下采空区治理主要是消除地下空腔体隐患，以确保露采设备、人员作业安全。应遵循的总体原则为以人为本、安全可靠、分类分级、经济合理。

通过上述采空区稳定性评价，可获得以下采空区参数：最小安全厚度H0、采空区稳定系数K、各设备安全保障系数(钻机保障系数Z，最大设备保障系数M)、采空区顶板至该作业平盘的上覆岩层厚度H、该作业平盘下挖一个台阶后上覆岩层厚度H下、下挖一个台阶后稳定系数K下。根据采空区以上参数和具体特征，将采空区划分为5类，同时根据各类采空区是否具有产生失稳的条件，将采空区危险性分为3级，具体描述如表1所示。

基于不同类型和危险性等级的采空区，提出更有针对性、合理性的采空区治理方案：对于 Ⅰ 类采空区，危险性小，暂不需要处理；对于 Ⅱ 类和 Ⅲ 类采空区，危险性中等，应在该作业平盘采用中深孔爆破崩落法处理；对于 Ⅳ 类采空区，危险性大，应采用切割深孔爆破崩落法进行处理，即根据采空区分布形态，在采空区边界的外沿布置1～2排切割深孔，使采空区顶板由于切割爆破失稳而塌落，同时根据采空区边界划定禁行区，禁止所有设备通行；对于 Ⅴ 类采空区，应先用反铲在周围试探性的放塌悬顶区域，然后根据具体情况采取剥离物回填处理方式。

表1 采空区分类分级表

通过采空区的分类、分级再治理，实现了采空区的科学化管理，很大程度上提高了采空区治理效果。

4 结语

物探、钻探与三维激光扫描相组合的“点式”探测技术，实现了由粗到细、由面到点的探测效果，为采空区的评价与治理工作奠定了基础，基于探测成果建立的采空区评价体系，其准确性和指导性大大提高，提出的采空区分级、分类再处理的治理方案，实现了采空区的科学化与系统化管理，通过应用与实践，基本形成了露天矿地下采空区探测、评价与治理技术体系，该实践成果应用前景广阔。

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[11] 马海涛. 矿山采空区灾害风险分级与失稳预警方法[D].北京科技大学,2015

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

国家自然科学基金项目(51774184)，煤科院科技发展基金项目(2016JC10)

刘博文，王振伟，李伟等. 露天矿地下采空区探测与治理技术应用与实践[J]. 中国煤炭，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.

刘博文(1986-)，汉族，河北唐山人，助理工程师，主要从事露天采矿、采空区勘查与防治、边坡工程等研究。

(责任编辑 郭东芝)