劉永剛

（中煤平朔集團 東露天礦，山西 朔州 036002）

平朔東露天礦開采范圍煤層厚度較大、埋藏較淺，其中一些小煤礦采掘年代跨度較大，各煤礦的采掘工藝有所不同，造成了平朔東露天礦開采境界內(nèi)現(xiàn)存在大量的地下采空區(qū)。東露天礦現(xiàn)采剝范圍主要位于榆嶺礦采空區(qū)、溝底新井礦及磚井礦采空區(qū)。其中榆嶺礦2010 年采用綜采工藝生產(chǎn)，現(xiàn)該礦部分地表發(fā)生大面積塌陷，4＃、9＃煤雙層采空區(qū)給安全生產(chǎn)帶來較大困難。而前期東露天礦在生產(chǎn)過程中僅遇到過單一煤層采空區(qū)，且結(jié)構(gòu)較簡單，對于復(fù)雜煤層采空區(qū)并包含復(fù)合采空區(qū)的現(xiàn)象，采用以前針對簡單單一煤層采空區(qū)使用的探勘與治理方法無法滿足安全生產(chǎn)的需要。由于以往勘查方法對東露天礦復(fù)雜采空區(qū)探測的不確定性，部分采空區(qū)位置不明確，增加了采空區(qū)鉆機補充勘探工程量，也大幅提高了勘探費用。這些采空區(qū)隨著露天開采的進行和時間的推移，空區(qū)頂板發(fā)生上移，發(fā)生空區(qū)采高變大、空區(qū)垮塌貫通、空區(qū)位移錯位等現(xiàn)象，周圍區(qū)域發(fā)生二次擾動，易發(fā)生空區(qū)頂板垮落破壞；生產(chǎn)過程中地下采空區(qū)頂板坍塌是隱蔽的，事先幾乎沒有任何先兆，造成的后果非常嚴(yán)重，東露天礦的大型設(shè)備在采空區(qū)上部作業(yè)存在重大安全隱患。

由于東露天礦現(xiàn)采剝范圍內(nèi)存在大量采空區(qū)，導(dǎo)致煤層平盤推進滯后，下部平盤壓煤嚴(yán)重，且在生產(chǎn)過程中采空區(qū)爆破產(chǎn)生大量的雜煤，原煤分選較復(fù)雜，導(dǎo)致煤炭資源損失，急需新的采空區(qū)勘探處理方法來解決這一問題。

1 采空區(qū)形態(tài)復(fù)雜多樣

1）小煤礦遍布整個礦區(qū)。中煤平朔集團有限公司東露天煤礦位于平朔礦區(qū)的北部，為設(shè)計能力2 000萬t/a 的大型礦井，礦區(qū)面積48.4 km2，西鄰安太堡露天礦，西南方向與安家?guī)X露天煤礦區(qū)相鄰，采區(qū)內(nèi)主要可煤采煤層為4＃、9＃、11＃煤，煤層厚度較大，煤層埋藏相對較淺，因此，生產(chǎn)礦井和小窯相對較多。根據(jù)相關(guān)的礦井和小窯進調(diào)查資料顯示，區(qū)內(nèi)辦理過采礦證的小煤礦有10 個，分別是上梨園煤礦、周花板煤礦、榆嶺煤礦、溝底新井煤礦、磚井煤礦、小西窯煤礦新井、石峰煤礦、小西窯舊井、朝陽灣煤礦、二道梁煤礦，批采煤層4＃、9＃、11＃煤不等。另有7 個小煤礦分別是：下木角礦，下水頭礦，井溝礦，張崖溝礦，張小峰礦，花圪坨礦，平魯城礦，這7 個小煤礦因年代已久，開采情況不明，還有1 個紅樓礦有過巷道、峒室等工程，但未達產(chǎn)就棄坑。

2）由于采掘年代跨度較大，采掘工藝和采煤方法各異。采煤方法大致可分2 種：一種是房柱式開采，采煤層全高，使用畜力或絞車提升運輸；另一種是采用綜采放頂煤開采的方法開采，采用帶式輸送機運輸。不同的工藝對東露天礦造成形態(tài)各異的隱蔽采空區(qū)，房柱式開采造成的采空區(qū)通常相對獨立，呈蜂窩式分布，單個面積較小但由于相鄰空區(qū)間保護煤柱易垮塌造成空區(qū)貫通，部分空區(qū)由于年代較長，空區(qū)頂板發(fā)生垮塌，造成空區(qū)采高變大，且由于空腔頂板巖層受地壓、巖石風(fēng)化及震動等環(huán)境影響，上覆巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，易形成空區(qū)錯位；綜采放頂煤開采造成的采空區(qū)通常面積較大，受震動影響空腔頂板易發(fā)生垮塌。

3）采空區(qū)分布復(fù)雜。大部分采空區(qū)存在于4＃煤層中，部分區(qū)域已形成空區(qū)錯位上移至上覆巖石平盤，極個別區(qū)域形成了4＃、9＃煤層雙層采空區(qū)，且采空區(qū)具有空區(qū)范圍較廣、空洞腔體高度較大、空腔形態(tài)差異較大、空區(qū)位置延伸較廣等特征，導(dǎo)致了生產(chǎn)過程中無法對采空區(qū)進行準(zhǔn)確有效地判斷與控制。

2 采空區(qū)探測

采空區(qū)探測是采空區(qū)治理的前提和依據(jù)，通過采空區(qū)探測可以獲得采空區(qū)的采空高度、位置分布、空間大小、堆積狀態(tài)、內(nèi)部溫度等基礎(chǔ)資料。東露天礦4＃煤層平均厚度約為14 m，波阻抗差異在其頂、底板中存在明顯，在煤層較為完整的無采空區(qū)的地區(qū)能夠形成能量較強、波形穩(wěn)定的反射波，針對東露天礦4＃煤層及頂板巖層的這一明顯的地質(zhì)特征，決定采用高密度三維地震進行超前勘探[1-2]。施工現(xiàn)場采用自營鉆機全覆蓋交叉式探測方法對采空區(qū)進行地毯式探測。

2.1 高密度三維地震勘探技術(shù)

三維地震勘探技術(shù)是一項集物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機學(xué)為一體的綜合性應(yīng)用技術(shù)，具有高密度采集、三維空間成像歸位等優(yōu)點。其原理就是人工源激發(fā)地震波，波在地面介質(zhì)下傳播過程中遇到不同的反射介質(zhì)后，再傳向地面，通過地面埋設(shè)的檢波器接收反射到地面的不同地震波信號，經(jīng)過模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再運用數(shù)據(jù)處理等方法對地震波進行一系列的處理，形成地震剖面，在地震剖面上解讀不同的地質(zhì)構(gòu)造等信息，或者進一步運用反演方法對地震波數(shù)據(jù)信息進行反演，獲得與地下地質(zhì)更密切的彈性參數(shù)、物性參數(shù)等等數(shù)據(jù)[3-4]。

三維觀測系統(tǒng)設(shè)計之前要考慮東露天礦的地理位置、地層地質(zhì)資料、礦區(qū)的自然環(huán)境以及施工設(shè)備等因素。為了提高探測的準(zhǔn)確度，布置系統(tǒng)測線時盡量使測線方向與東露天礦構(gòu)造及地層走向垂直。綜合考慮以上因素后，選用6 線3 炮制觀測系統(tǒng)進行探測。

2.2 鉆機全覆蓋交叉式探測方法

為了保證東露天礦安全開采，結(jié)合前期通過鉆孔探測出采空區(qū)，并根據(jù)探測結(jié)果判定是否達到保證設(shè)備作業(yè)的最小安全厚度，根據(jù)平盤臺階高15 m、鉆機最大鑿孔深度為40 m，提出全覆蓋交叉式探測方法。分為4＃煤上部平盤探測和4 煤下部平盤探測2 部分。

4＃煤上部平盤炮區(qū)內(nèi)探測孔布置方式為每隔1排炮孔排為探測排，每個探測排中每隔1 個炮孔為探測孔，按照8 m×16 m 的密度進行探測。為提高探測的準(zhǔn)確度，鉆孔探測時探測孔要布置在正常平盤炮區(qū)，鉆孔應(yīng)能覆蓋采空區(qū)區(qū)域，孔徑與主炮孔相同（Ф250 mm），鉆孔深度盡量鉆至最大進尺，以確定采空區(qū)高度[5]。4 煤上部平盤探測孔布置示意圖如圖1。

圖1 4 煤上部平盤探測孔布置示意圖

東露天礦目前已收集到開采范圍內(nèi)榆嶺煤礦等采掘平面圖，結(jié)合前期榆嶺礦資源整合相關(guān)圖紙和文件，表明榆嶺礦存在4＃、9＃煤雙層采空區(qū)，但是受限于當(dāng)時測量水平等問題，圖紙精確性不夠。綜合考慮經(jīng)濟和安全問題，4＃煤下部平盤對5＃煤底板進行探測，5＃煤底板勘探布置每個探測排中每隔1 個炮孔為探測孔，按照16 m×16 m 的密度進行探測。4 煤下部平盤探測孔布置示意圖如圖2。

圖2 4 煤下部平盤探測孔布置示意圖

由于采空區(qū)的空間和范圍具有不確定性，其空間大小也會受到爆破及采礦工作的影響，因此在探測到采空區(qū)后要擴大探測面積，當(dāng)探測到采空區(qū)邊緣后要在邊緣鉆孔周邊施工加密鉆孔，鉆孔密度可采用4 m×4 m 孔網(wǎng)布置，同時為了防止采空區(qū)跳躍發(fā)展，要在采空區(qū)周邊一定區(qū)域內(nèi)擴大打孔范圍。

2.3 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以快速、大量的采集空間點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。三維激光掃描技術(shù)可在采空區(qū)內(nèi)無煙霧、無灰塵的情況下進行探測。通過三維激光掃描技術(shù)獲取更詳細(xì)的采空區(qū)資料，同時因當(dāng)局部頂板厚度超出40 m 時，超出鉆機的最大穿孔能力，此時需要也可通過三維激光掃描技術(shù)對已發(fā)現(xiàn)采空區(qū)的范圍進行驗證[6]。

當(dāng)探測鉆孔施工完成后及時記錄打穿鉆孔的深度和標(biāo)高，通過打鉆范圍和鉆孔布置情況分析采空區(qū)邊界和范圍，繪制采空區(qū)剖面圖，同時與三維地震勘探技術(shù)、三維激光掃描儀獲得的采空區(qū)結(jié)果進行對照修正，得出最終的采空區(qū)位置分布、空腔特征等詳細(xì)資料，并據(jù)此采空區(qū)上覆巖層厚度，作為爆破鉆孔設(shè)計和裝藥當(dāng)量規(guī)劃的依據(jù)。

3 采空區(qū)降溫滅火

東露天礦采空區(qū)多高溫火區(qū)，且火區(qū)面積大、溫度高、發(fā)展速度快，燒毀煤炭資源、破壞工作環(huán)境的同時，有毒有害氣體對工作人員身體健康造成傷害，高溫和明火也對機械設(shè)備造成損害。

1）火區(qū)分類。其火區(qū)主要分為2 大類：空洞類火區(qū)和松散介質(zhì)類火區(qū)?？斩搭惢饏^(qū)形成于原始小窯采空區(qū)，整個空洞空間內(nèi)都呈高溫氧化特征，部分區(qū)域出現(xiàn)大面積明火和高位火源；松散介質(zhì)類火區(qū)是小窯采空區(qū)塌陷后形成的，垮落帶和裂隙帶中的孔隙或裂隙是高溫火區(qū)煙氣的主要的通風(fēng)通道。空洞類火區(qū)是鉆機在日常作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)空洞或日常地表塌陷使得內(nèi)部原煤與空氣長時間接觸形成的高溫區(qū)域，其中高溫見空洞鉆孔是東露天礦最為常見的火區(qū)形式，明火巷道是露天礦發(fā)火最嚴(yán)重的火區(qū)形式。松散介質(zhì)火區(qū)在東露天礦表現(xiàn)為高溫虛量鉆孔和地表高溫區(qū)，由于在松散介質(zhì)火區(qū)中滅火介質(zhì)很難直接作用到火源，因此其治理難度較大[7]。

2）火區(qū)治理。東露天礦采空區(qū)火區(qū)降溫滅火主要采取注三相泡沫和高倍數(shù)阻化泡沫的綜合防滅火技術(shù)措施，并輔助以覆蓋挖除等防滅火技術(shù)手段。三相泡沫技術(shù)優(yōu)良的堆積性有利于泡沫迅速充填所注入的空間，對高處煤體進行覆蓋，充分發(fā)揮泡沫治理高位火源的作用，而良好的穩(wěn)定性能夠增強三相泡沫的封堵效果，提高防滅火效率。大流量高倍數(shù)阻化泡沫是針對東露天礦超大空間采空區(qū)火區(qū)開發(fā)的新型防滅火產(chǎn)品，具有泡沫發(fā)泡倍數(shù)高、流量大的特點，更適合對超大空間采空區(qū)火區(qū)進行充填。

4 采空區(qū)爆破

1）爆破作業(yè)的流程。在確定了采空區(qū)合理的爆破時機后，爆破方式成了決定采空區(qū)治理效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一般爆破作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)流程為：清理-布孔-穿孔-驗孔-裝藥-充填-聯(lián)網(wǎng)-警戒-起爆-爆后檢查-解除警戒-采掘跟蹤?？拙W(wǎng)設(shè)計中，考慮單個鉆孔所能負(fù)擔(dān)爆破巖體單耗的合理值，并結(jié)合每個鉆孔的分布情況，使得爆破可以塊度均勻利于坍塌。從爆破實踐中得出，采空區(qū)穿透孔孔深平均28～40 m，孔徑φ250 mm，采用5 m×5 m 矩形布孔方式。

2）對采空區(qū)打穿孔實施填充抵抗線的處理方式。即當(dāng)鉆孔發(fā)現(xiàn)空洞孔時，使用空氣間隔器（氣囊）與巖粉相間對空洞孔進行堵塞作為抵抗線。抵抗線的處理方法：先在空腔頂部用氣囊堵塞0.6 m，接著在氣囊上部用巖粉回填0.4 m，再在巖粉上部用氣囊進行堵塞0.6 m，然后再用巖粉回填0.4 m，如此交替進行填充直至空洞孔頂部[8]。

3）裝藥及封孔設(shè)計。東露天礦鉆孔深度，打穿情況不同，根據(jù)鉆孔的深度，鉆孔周圍巖石特性和打穿鉆孔的采空區(qū)大小，對裝藥量、裝藥深度和封堵情況進行不同的設(shè)計?？咨钜?0 m 作為分界線，20 m 以下采用連續(xù)裝藥，20 m 以上則采用孔內(nèi)微差分段結(jié)構(gòu)，并盡量使上下2 段藥柱高度相同，這樣更有利于爆后巖石充填密實。為了達到空腔被爆破巖渣充分回填的目的，將采空區(qū)頂板下部的自由面作為巖石的擠壓方向，保證了空腔底部與上部巖石在向下位移時有充分的空間。將中心炮孔布置于空腔頂板巖石的薄弱處，采用“環(huán)形”起爆方式，由內(nèi)圈向外圈傳爆，如果炮區(qū)內(nèi)存在多處空區(qū)，可將每一處獨立采空區(qū)進行網(wǎng)絡(luò)連接，再連入主炮區(qū)網(wǎng)絡(luò)[9-10]。

4）采空區(qū)爆破效果評估。主要通過塌陷深度和2 個指標(biāo)量化考核。①塌陷率：爆破塌陷成功的次數(shù)占所有采空區(qū)爆破次數(shù)的比重;②塌陷深度：爆破效果可用塌落深度來衡量，其計算公式為：

式中：Ht為爆堆的塌陷深度，m；h 為采空區(qū)空腔的平均高度，m；Hp為采空區(qū)頂板的平均厚度，m；Ks為巖石松散系數(shù)，一般取1.2；α 為周邊孔引起土巖凈拋出系數(shù)，一般取5 %。

5 結(jié)語

通過使用采空區(qū)“三位一體”治理技術(shù)，對平朔東露天礦復(fù)雜煤層采空區(qū)并包含復(fù)合采空區(qū)進行處理，完全滿足安全生產(chǎn)的需要，消除生產(chǎn)安全隱患進行，對爆破處理后的煤層開采時，使用小設(shè)備將其中的鐵器等雜物進行分揀，分揀后的原煤再入口，降低原煤損失，減少資源浪費，2019 年和2020 年增加4＃煤回收量62.4 萬t。實現(xiàn)了東露天礦安全高效生產(chǎn)，提高了采掘平盤t 的推進速度。自東露天礦應(yīng)用采空區(qū)“三位一體”治理技術(shù)以來，發(fā)現(xiàn)并成功治理空區(qū)287 處，面積約200 萬m2。通過對物探、鉆探及三維激光掃描等技術(shù)信息，建立了東露天采空區(qū)信息庫，制定過采空區(qū)安全技術(shù)措施指導(dǎo)生產(chǎn)，為東露天一線職工提供了安全的生產(chǎn)環(huán)境。