平朔东露天矿复杂采空区勘探与治理技术

刘永刚

（中煤平朔集团 东露天矿，山西 朔州 036002）

平朔东露天矿开采范围煤层厚度较大、埋藏较浅，其中一些小煤矿采掘年代跨度较大，各煤矿的采掘工艺有所不同，造成了平朔东露天矿开采境界内现存在大量的地下采空区。东露天矿现采剥范围主要位于榆岭矿采空区、沟底新井矿及砖井矿采空区。其中榆岭矿2010 年采用综采工艺生产，现该矿部分地表发生大面积塌陷，4＃、9＃煤双层采空区给安全生产带来较大困难。而前期东露天矿在生产过程中仅遇到过单一煤层采空区，且结构较简单，对于复杂煤层采空区并包含复合采空区的现象，采用以前针对简单单一煤层采空区使用的探勘与治理方法无法满足安全生产的需要。由于以往勘查方法对东露天矿复杂采空区探测的不确定性，部分采空区位置不明确，增加了采空区钻机补充勘探工程量，也大幅提高了勘探费用。这些采空区随着露天开采的进行和时间的推移，空区顶板发生上移，发生空区采高变大、空区垮塌贯通、空区位移错位等现象，周围区域发生二次扰动，易发生空区顶板垮落破坏；生产过程中地下采空区顶板坍塌是隐蔽的，事先几乎没有任何先兆，造成的后果非常严重，东露天矿的大型设备在采空区上部作业存在重大安全隐患。

由于东露天矿现采剥范围内存在大量采空区，导致煤层平盘推进滞后，下部平盘压煤严重，且在生产过程中采空区爆破产生大量的杂煤，原煤分选较复杂，导致煤炭资源损失，急需新的采空区勘探处理方法来解决这一问题。

1 采空区形态复杂多样

1）小煤矿遍布整个矿区。中煤平朔集团有限公司东露天煤矿位于平朔矿区的北部，为设计能力2 000万t/a 的大型矿井，矿区面积48.4 km2，西邻安太堡露天矿，西南方向与安家岭露天煤矿区相邻，采区内主要可煤采煤层为4＃、9＃、11＃煤，煤层厚度较大，煤层埋藏相对较浅，因此，生产矿井和小窑相对较多。根据相关的矿井和小窑进调查资料显示，区内办理过采矿证的小煤矿有10 个，分别是上梨园煤矿、周花板煤矿、榆岭煤矿、沟底新井煤矿、砖井煤矿、小西窑煤矿新井、石峰煤矿、小西窑旧井、朝阳湾煤矿、二道梁煤矿，批采煤层4＃、9＃、11＃煤不等。另有7 个小煤矿分别是：下木角矿，下水头矿，井沟矿，张崖沟矿，张小峰矿，花圪坨矿，平鲁城矿，这7 个小煤矿因年代已久，开采情况不明，还有1 个红楼矿有过巷道、峒室等工程，但未达产就弃坑。

2）由于采掘年代跨度较大，采掘工艺和采煤方法各异。采煤方法大致可分2 种：一种是房柱式开采，采煤层全高，使用畜力或绞车提升运输；另一种是采用综采放顶煤开采的方法开采，采用带式输送机运输。不同的工艺对东露天矿造成形态各异的隐蔽采空区，房柱式开采造成的采空区通常相对独立，呈蜂窝式分布，单个面积较小但由于相邻空区间保护煤柱易垮塌造成空区贯通，部分空区由于年代较长，空区顶板发生垮塌，造成空区采高变大，且由于空腔顶板岩层受地压、岩石风化及震动等环境影响，上覆岩层节理裂隙发育，易形成空区错位；综采放顶煤开采造成的采空区通常面积较大，受震动影响空腔顶板易发生垮塌。

3）采空区分布复杂。大部分采空区存在于4＃煤层中，部分区域已形成空区错位上移至上覆岩石平盘，极个别区域形成了4＃、9＃煤层双层采空区，且采空区具有空区范围较广、空洞腔体高度较大、空腔形态差异较大、空区位置延伸较广等特征，导致了生产过程中无法对采空区进行准确有效地判断与控制。

2 采空区探测

采空区探测是采空区治理的前提和依据，通过采空区探测可以获得采空区的采空高度、位置分布、空间大小、堆积状态、内部温度等基础资料。东露天矿4＃煤层平均厚度约为14 m，波阻抗差异在其顶、底板中存在明显，在煤层较为完整的无采空区的地区能够形成能量较强、波形稳定的反射波，针对东露天矿4＃煤层及顶板岩层的这一明显的地质特征，决定采用高密度三维地震进行超前勘探[1-2]。施工现场采用自营钻机全覆盖交叉式探测方法对采空区进行地毯式探测。

2.1 高密度三维地震勘探技术

三维地震勘探技术是一项集物理学、数学、计算机学为一体的综合性应用技术，具有高密度采集、三维空间成像归位等优点。其原理就是人工源激发地震波，波在地面介质下传播过程中遇到不同的反射介质后，再传向地面，通过地面埋设的检波器接收反射到地面的不同地震波信号，经过模拟信号转换成数字信号，再运用数据处理等方法对地震波进行一系列的处理，形成地震剖面，在地震剖面上解读不同的地质构造等信息，或者进一步运用反演方法对地震波数据信息进行反演，获得与地下地质更密切的弹性参数、物性参数等等数据[3-4]。

三维观测系统设计之前要考虑东露天矿的地理位置、地层地质资料、矿区的自然环境以及施工设备等因素。为了提高探测的准确度，布置系统测线时尽量使测线方向与东露天矿构造及地层走向垂直。综合考虑以上因素后，选用6 线3 炮制观测系统进行探测。

2.2 钻机全覆盖交叉式探测方法

为了保证东露天矿安全开采，结合前期通过钻孔探测出采空区，并根据探测结果判定是否达到保证设备作业的最小安全厚度，根据平盘台阶高15 m、钻机最大凿孔深度为40 m，提出全覆盖交叉式探测方法。分为4＃煤上部平盘探测和4 煤下部平盘探测2 部分。

4＃煤上部平盘炮区内探测孔布置方式为每隔1排炮孔排为探测排，每个探测排中每隔1 个炮孔为探测孔，按照8 m×16 m 的密度进行探测。为提高探测的准确度，钻孔探测时探测孔要布置在正常平盘炮区，钻孔应能覆盖采空区区域，孔径与主炮孔相同（Ф250 mm），钻孔深度尽量钻至最大进尺，以确定采空区高度[5]。4 煤上部平盘探测孔布置示意图如图1。

图1 4 煤上部平盘探测孔布置示意图

东露天矿目前已收集到开采范围内榆岭煤矿等采掘平面图，结合前期榆岭矿资源整合相关图纸和文件，表明榆岭矿存在4＃、9＃煤双层采空区，但是受限于当时测量水平等问题，图纸精确性不够。综合考虑经济和安全问题，4＃煤下部平盘对5＃煤底板进行探测，5＃煤底板勘探布置每个探测排中每隔1 个炮孔为探测孔，按照16 m×16 m 的密度进行探测。4 煤下部平盘探测孔布置示意图如图2。

图2 4 煤下部平盘探测孔布置示意图

由于采空区的空间和范围具有不确定性，其空间大小也会受到爆破及采矿工作的影响，因此在探测到采空区后要扩大探测面积，当探测到采空区边缘后要在边缘钻孔周边施工加密钻孔，钻孔密度可采用4 m×4 m 孔网布置，同时为了防止采空区跳跃发展，要在采空区周边一定区域内扩大打孔范围。

2.3 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。三维激光扫描技术可在采空区内无烟雾、无灰尘的情况下进行探测。通过三维激光扫描技术获取更详细的采空区资料，同时因当局部顶板厚度超出40 m 时，超出钻机的最大穿孔能力，此时需要也可通过三维激光扫描技术对已发现采空区的范围进行验证[6]。

当探测钻孔施工完成后及时记录打穿钻孔的深度和标高，通过打钻范围和钻孔布置情况分析采空区边界和范围，绘制采空区剖面图，同时与三维地震勘探技术、三维激光扫描仪获得的采空区结果进行对照修正，得出最终的采空区位置分布、空腔特征等详细资料，并据此采空区上覆岩层厚度，作为爆破钻孔设计和装药当量规划的依据。

3 采空区降温灭火

东露天矿采空区多高温火区，且火区面积大、温度高、发展速度快，烧毁煤炭资源、破坏工作环境的同时，有毒有害气体对工作人员身体健康造成伤害，高温和明火也对机械设备造成损害。

1）火区分类。其火区主要分为2 大类：空洞类火区和松散介质类火区。空洞类火区形成于原始小窑采空区，整个空洞空间内都呈高温氧化特征，部分区域出现大面积明火和高位火源；松散介质类火区是小窑采空区塌陷后形成的，垮落带和裂隙带中的孔隙或裂隙是高温火区烟气的主要的通风通道。空洞类火区是钻机在日常作业过程中发现空洞或日常地表塌陷使得内部原煤与空气长时间接触形成的高温区域，其中高温见空洞钻孔是东露天矿最为常见的火区形式，明火巷道是露天矿发火最严重的火区形式。松散介质火区在东露天矿表现为高温虚量钻孔和地表高温区，由于在松散介质火区中灭火介质很难直接作用到火源，因此其治理难度较大[7]。

2）火区治理。东露天矿采空区火区降温灭火主要采取注三相泡沫和高倍数阻化泡沫的综合防灭火技术措施，并辅助以覆盖挖除等防灭火技术手段。三相泡沫技术优良的堆积性有利于泡沫迅速充填所注入的空间，对高处煤体进行覆盖，充分发挥泡沫治理高位火源的作用，而良好的稳定性能够增强三相泡沫的封堵效果，提高防灭火效率。大流量高倍数阻化泡沫是针对东露天矿超大空间采空区火区开发的新型防灭火产品，具有泡沫发泡倍数高、流量大的特点，更适合对超大空间采空区火区进行充填。

4 采空区爆破

1）爆破作业的流程。在确定了采空区合理的爆破时机后，爆破方式成了决定采空区治理效果的关键环节。一般爆破作业的标准流程为：清理-布孔-穿孔-验孔-装药-充填-联网-警戒-起爆-爆后检查-解除警戒-采掘跟踪。孔网设计中，考虑单个钻孔所能负担爆破岩体单耗的合理值，并结合每个钻孔的分布情况，使得爆破可以块度均匀利于坍塌。从爆破实践中得出，采空区穿透孔孔深平均28～40 m，孔径φ250 mm，采用5 m×5 m 矩形布孔方式。

2）对采空区打穿孔实施填充抵抗线的处理方式。即当钻孔发现空洞孔时，使用空气间隔器（气囊）与岩粉相间对空洞孔进行堵塞作为抵抗线。抵抗线的处理方法：先在空腔顶部用气囊堵塞0.6 m，接着在气囊上部用岩粉回填0.4 m，再在岩粉上部用气囊进行堵塞0.6 m，然后再用岩粉回填0.4 m，如此交替进行填充直至空洞孔顶部[8]。

3）装药及封孔设计。东露天矿钻孔深度，打穿情况不同，根据钻孔的深度，钻孔周围岩石特性和打穿钻孔的采空区大小，对装药量、装药深度和封堵情况进行不同的设计。孔深以20 m 作为分界线，20 m 以下采用连续装药，20 m 以上则采用孔内微差分段结构，并尽量使上下2 段药柱高度相同，这样更有利于爆后岩石充填密实。为了达到空腔被爆破岩渣充分回填的目的，将采空区顶板下部的自由面作为岩石的挤压方向，保证了空腔底部与上部岩石在向下位移时有充分的空间。将中心炮孔布置于空腔顶板岩石的薄弱处，采用“环形”起爆方式，由内圈向外圈传爆，如果炮区内存在多处空区，可将每一处独立采空区进行网络连接，再连入主炮区网络[9-10]。

4）采空区爆破效果评估。主要通过塌陷深度和2 个指标量化考核。①塌陷率：爆破塌陷成功的次数占所有采空区爆破次数的比重;②塌陷深度：爆破效果可用塌落深度来衡量，其计算公式为：

式中：Ht为爆堆的塌陷深度，m；h 为采空区空腔的平均高度，m；Hp为采空区顶板的平均厚度，m；Ks为岩石松散系数，一般取1.2；α 为周边孔引起土岩净抛出系数，一般取5 %。

5 结语

通过使用采空区“三位一体”治理技术，对平朔东露天矿复杂煤层采空区并包含复合采空区进行处理，完全满足安全生产的需要，消除生产安全隐患进行，对爆破处理后的煤层开采时，使用小设备将其中的铁器等杂物进行分拣，分拣后的原煤再入口，降低原煤损失，减少资源浪费，2019 年和2020 年增加4＃煤回收量62.4 万t。实现了东露天矿安全高效生产，提高了采掘平盘t 的推进速度。自东露天矿应用采空区“三位一体”治理技术以来，发现并成功治理空区287 处，面积约200 万m2。通过对物探、钻探及三维激光扫描等技术信息，建立了东露天采空区信息库，制定过采空区安全技术措施指导生产，为东露天一线职工提供了安全的生产环境。