趙二夫，王生成，劉玉福

（1.神華準能集團有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.內(nèi)蒙古興隆能源集團公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

鄂爾多斯地區(qū)煤炭開采初期，主要采用小煤窯井工開采方式，形成的采空區(qū)地表塌陷、裂縫嚴重[1-2]。在露天開采的資源范圍內(nèi)，關(guān)閉了好多小煤窯，形成的采空區(qū)高度、寬度、形狀各不相同，采空區(qū)的垮落高度、范圍、形式各異，但處理方法雷同[3-4]。通過探訪當事人、收集不完整的原始圖紙和記錄以及在準格爾旗蒙祥露天煤礦開采過程采空區(qū)處理的實踐中，發(fā)現(xiàn)準確掌握采空區(qū)垮落方式和高度是保證安全度過采空區(qū)的關(guān)鍵，為此重點分析垮落方式和計算垮落高度。

1 煤礦概況

蒙祥露天煤礦地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾旗東部，在黑岱溝露天精查區(qū)的東南部，由原城坡井工煤礦和鄰近部分資源整合而成，通過技術(shù)改造，形成規(guī)模為1.8 Mt/a 的露天煤礦。采用單斗-卡車開采工藝，主采設(shè)備為2 m3液壓鏟和30 t 自卸卡車。

可采煤層為6#、9#煤層，6#煤為主采煤層，全區(qū)可采，6#煤層厚度7.86～30.44 m，平均18.85 m，含夾矸層數(shù)為1～6 層，頂板以黏土巖、粗砂巖為主，屬堅硬-半堅硬巖石。6#、9#煤層的間距為3.45～16.01 m，平均8.89 m，層間巖性以砂巖為主。

地下水位多在百米之下，補給來源以大氣降水為主，但由于泥巖、高嶺石泥巖、砂質(zhì)泥巖等隔水層的存在，大氣降水滲入補給量甚少，以裂隙、孔隙充水為主，水文地質(zhì)條件簡單，工程地質(zhì)條件中等。

2 境界內(nèi)5 座小煤窯開采情況及危害

在3.5 km2平方公里范圍的露天開采境界內(nèi)有5 座小煤窯，從調(diào)研和揭露的采空區(qū)痕跡看分為4個時期：①初期小煤窯從煤層露頭開挖，巷道斷面積小于2 m2，深度小于50 m，人工開采；②中期用蓄力膠輪車運輸，巷道寬3 m，每掘進9 m 挖1 個直徑9 m 左右的圓柱體；③后期使用四輪機動車運輸，炮采落煤，巷道寬3.5 m，每掘進9 m 左右各挖1 個邊長9 m 的正方形；④關(guān)閉前用農(nóng)用汽車運輸，30 型裝載機裝載，巷道寬4.2 m，每掘進9 m 挖1 個長9 m寬80～120 m 的長方形，開鑿立井通風(fēng)。各時期采高都是6～10 m。由于多年的無序開采，采空區(qū)連片，巷道密布，但又無翔實資料。

部分采空區(qū)上方地表裂縫、塌陷、冒煙，在礦田南部形成一定的自燃火區(qū)[5]。在露天開采過程中采空區(qū)嚴重威脅安全生產(chǎn)和生產(chǎn)秩序：①設(shè)備和人員有塌落采空區(qū)的危險；②采空區(qū)伴隨煤炭自燃形成高溫孔，存在裝藥爆破隱患；③剝離、采煤生產(chǎn)接續(xù)困難。

3 采空區(qū)垮落高度和安全厚度

3.1 蒙祥露天煤礦采場小煤窯采空區(qū)垮落形式

經(jīng)鉆孔探測和分析得知，已經(jīng)垮落的采空區(qū)，垮落高度隨著采空區(qū)原挖掘高度和寬度的變化而變化，煤層頂板巖層越軟垮落高度越高[6]，此部分給整個生產(chǎn)過程造成很大的威脅。采空區(qū)未垮落的部分，分析原因是采空區(qū)原挖掘?qū)挾日兔簩禹敯鍒杂参创似扑榱芽p所致，部分對生產(chǎn)安全影響小，只要探測準確采取后續(xù)的爆破塌落措施即可安全采掘。

3.2 采空區(qū)垮落高度的經(jīng)驗公式

當煤層頂板是中硬巖時，露天煤礦普遍采用計算采空區(qū)垮落高度的經(jīng)驗公式[7]：

式中：Hm為垮落高度，m；ΣM 為累計采厚，m。

按式（1）計算蒙祥露天煤礦采空區(qū)垮落高度是16 m，規(guī)程規(guī)定設(shè)備在其上作業(yè)的安全厚度是垮落高度加10 m 覆蓋層厚度，即采空區(qū)上設(shè)備作業(yè)的安全臨界厚度為26 m。該礦在開采過程中多次發(fā)生工作面突然塌落的情況，實測垮落高度距離采空區(qū)頂板都在20～30 m，超出公式計算的垮落高度16 m范圍。

3.3 生產(chǎn)現(xiàn)場計算安全厚度的簡化計算式

為保證安全，采取了距離煤層頂板以上40 m，地毯式全部鉆探的辦法，徹底查清和掌握垮落區(qū)與工作面的距離以及采空區(qū)的寬度和垮落區(qū)的高度。按照該礦實際開采過程統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其設(shè)備在采空區(qū)上作業(yè)的安全厚度的經(jīng)驗公式：

式中：M 為安全厚度，m；Hms為鉆孔探測后的實際垮落高度，m；B 為采空區(qū)寬度，m。

垮落高度與原采空區(qū)寬度有關(guān)，式（1）與現(xiàn)場實際垮落高度不完全一致的主要原因是未有考慮采空區(qū)寬度，同時多個煤層采空區(qū)且煤層間距大時偏差更大，是由于采用累計采厚引起的。

為了方便計算，現(xiàn)場另行定義實際安全厚度Ms，即以探測到的實際垮落高度的頂端算起的厚度，因此經(jīng)驗計算實際安全厚度簡化計算式為：

式中：Ms為實際安全厚度，m；B 為采空區(qū)寬度，m。

采空區(qū)寬度、垮落高度的頂點值都是鉆探得到的，由此可以計算出實際安全厚度，進而推算出設(shè)備安全作業(yè)平臺標高。

這里特別說明，式（3）是一種特定條件下的經(jīng)驗和計算方法，推算出的簡化計算式僅在此條件下適用。如境界內(nèi)采空區(qū)密集，必須進行地毯式的鉆孔探測，確切的掌握位置和尺寸，采取處理措施，方可安全度過采空區(qū)。

4 蒙祥露天煤礦采空區(qū)處理方法

4.1 推算作業(yè)安全平臺標高

物探查范圍、鉆探定位置。鉆探采空區(qū)的鉆機布置在距離煤層頂板以上40 m 的平盤鉆孔，鉆探和爆破塌落孔布置相同，孔、行距都為8 m，梅花形布孔，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)的孔用RTK 定位，同時繪圖記錄，取得數(shù)據(jù)分析確定采空區(qū)情況。鉆探得到垮落高度的頂點數(shù)值和采空區(qū)寬度數(shù)值，根據(jù)經(jīng)驗簡化計算式計算出實際安全厚度，進而推算出采裝設(shè)備作業(yè)安全平臺標高備用。

4.2 采用爆破塌落方法充填采空區(qū)

1）實施爆破。采取爆破塌落采空區(qū)的辦法，用常規(guī)加強松動爆破的藥量，重點關(guān)注上下自由面抵抗線大小，爆破范圍要適量擴大，防止采空區(qū)不完全塌落。起爆順序是由采空區(qū)中部向外部逐圈起爆方式[8]。

2）鉆孔探測和實施爆破具體措施。在已知采空區(qū)的范圍內(nèi)要進行全部鉆探，徹底查清采空區(qū)垮落高度、寬度等情況。鉆透采空區(qū)的鉆孔必須封堵，防止引起煤層自燃或形成高溫孔。查明的采空區(qū)實施爆破塌落時要有專門的爆破設(shè)計，要實施加強松動爆破，保證采空區(qū)徹底塌落。采空區(qū)爆破往往伴隨高溫孔，要嚴格按照高溫孔爆破安全規(guī)程作業(yè)。若有塌孔無法裝藥時可以用PVC 管裝藥。

4.3 采空區(qū)上實施采掘和運輸作業(yè)的措施

1）采掘和運輸設(shè)備布置。采掘和運輸設(shè)備布置在上述推算出的實際安全標高平臺作業(yè)，若出現(xiàn)安全平臺標高與上方臨近平盤標高相差太大時，可以在采空區(qū)一定范圍內(nèi)設(shè)定1 個臨時平盤作業(yè)，待跨過這個采空區(qū)之后再恢復(fù)到原平盤。

2）具體措施和注意事項。選擇實際安全厚度以上的平盤進行挖掘和運輸作業(yè)。挖掘到已經(jīng)爆破塌落的采空區(qū)時，挖掘機要在采空區(qū)兩側(cè)挖掘，盡量避免在爆破塌落采空區(qū)的正上方作業(yè)。大于實際安全厚度的平盤上車輛可以通行，但運輸主干道要避免設(shè)置其上，同時要配備自吊車、急救器和耐火繩等，以備不測之需。

5 結(jié)語

露天煤礦采場內(nèi)井工開采的小煤窯形成的采空區(qū)，由于挖掘高度和寬度、煤層頂板巖層強度的不同，采空區(qū)的垮落高度、范圍、形狀各異，在準格爾旗蒙祥露天煤礦開采過程的實踐中，分析出特定條件下采空區(qū)垮落形式，依據(jù)特定條件，總結(jié)出1 套鉆孔探測垮落高度位置和現(xiàn)場計算實際安全厚度的計算式、爆破塌落處理采空區(qū)的具體做法和試驗得出的可靠經(jīng)驗，可以在其它露天煤礦遇到小煤窯采空區(qū)處理時參考。