露天矿过采空区安全开采技术

梅 斌

（平朔工业集团有限责任公司露天采矿工程事业部，山西 朔州 036006）

1 采空区对露天矿影响

21 世纪初建设的小型井工矿，大多也采用先进的机械化开采方法，煤层采高大，井下工作面回收率高，从有些地区露天矿揭露的情况看，采空区面积和高度与过去小煤窑相比要大出很多。由于这些采空区范围广跨度大，给露天开采造成了极大的安全隐患。特别是随着露天矿开采规模的增加，大型露天矿重达100 t～200 t 的大型设备投入使用，对煤层上覆岩层的压力增加。在生产过程中会出现电铲、卡车或辅助设备陷入采空区，造成不必要的麻烦或安全生产事故，严重影响露天矿的正常生产组织。因此，在生产过程中通过采空区治理现场经验，总结形成露天矿过采空区安全开采技术是十分必要的。

2 采空区探测技术

过采空区安全开采技术前提是需要详细的采空区情况，了解采空区分布及实际开采区情况，由于采空区多为十几年前开采小煤窑或地方煤矿，资料缺失和失真情况非常普遍，只能通过资料了解采空区分布大概范围，很难通过存档资料来掌握采空区的真实情况。为了能够对采空区进行有效的探测，在实际采矿工作中往往会通过物理勘探（电磁勘探）或钻探的方法来获得采空区情况。

2.1 物理勘探法

利用采空区与岩石之间的电阻率差异，一般可以通过瞬变电磁法来实现对采空区的探测，瞬变电磁法作为电阻率参数勘探的地球物理方法，通过对大地测量的不同的导电性反映，来区分识别采空区，其工程应用是通过瞬变电磁勘探仪按设计测网布置勘探线路来搜集地下电磁信号。采空区的划分与圈定是基于地面瞬变电磁法勘探的解释成果，通过专用软件对数据进行处理分析，形成各勘探线电阻率断面图[1]，如图1 所示。再通过三维处理技术，将断面图组合生成三维电阻率图像，以此来反映采空区存在状况。但由于该方法在地表进行，测区内地形复杂以及外部环境的影响，都会对瞬变电磁数据的采集产生影响。

图1 生成的地下电阻率断面图

2.2 钻探法

钻探法是在掌握的采空区资料和物探分析基础上，在保证采空区上覆岩层厚度安全的前提下，利用爆破钻机按设计的孔网参数对采空区进行现场穿孔探测。

2.2.1 采空区上覆岩层安全厚度

采空区上覆岩层安全厚度是保证露天矿安全生产的关键，安全厚度不够会造成采空区上部顶板岩石支撑力不足，在上部设备动荷载、静荷载作用下都有造成顶板岩石垮塌的可能。由于采空区高度、跨度、上覆岩层性质和设备载重情况等都会对稳定性造成影响，因此采空区安全厚度计算需要针对不同情况进行测算，一般通过计算机软件数值模拟、利用厚跨比计算法、长宽比梁板法等数值计算方法综合确定上覆岩层厚度[2]。结合实际生产经验，考虑露天矿实际台阶参数，一般选择采空区上覆2～3 个台阶高度进行探测。

2.2.2 采空区钻探孔网参数设计

采空区钻探孔网参数需要根据实际情况进行控制，孔网参数过大将无法达到对采空区实际控制，影响探测效果。孔网参数过小将增加钻孔成本，同时影响施工进度和整体作业效率。一般情况下进行分级布控，首先根据掌握的资料和采空区预测情况沿采空巷道走向进行一级布孔（大多情况按实际爆破孔网参数L），对探测到存在采空区钻孔周围进行二级布孔（孔距为L/2），如图2 所示。通过两级钻探可以基本上圈定采空区范围，并明确采空区大小、分布范围，以及采空区是否有火区或积水情况，为下一步采空区治理提供必要依据。二级布孔若仍无法完全明确区域的可以进一步加密探孔。

图2 采空区区域爆破孔网布置图

通过综合应用上述物探发、钻探发2 种方式，基本可以在采空区上部2～3 个台阶距离将采空区标定并设置警戒，可以降低设备、人员陷入采空区风险。有些露天矿还引入了三维激光扫描技术，通过探头进入作业条件允许的钻孔进行激光扫描，形成采空区空腔三维图像[3]，可以在空间上更全面的了解采空区宽度、空腔高度和形成等情况。

3 过采空区施工技术

目前露天矿过采空区施工技术，考虑露天矿施工设备特点，最常用的方法就是爆破冒落法，通过实施专项爆破实现采空区上部垮塌，达到垮塌后岩石能够充填采空区，进而消除采空区的作用。对采空区实施专项爆破技术，有相对的针对性，爆破效果好，能快速处理探测出的采空区[4]，达到预定的过采空区施工效果。爆破冒落法关键技术包括。

3.1 底部充填

由于采空区探测孔已经将打穿至空腔，在实施装药前首先要将钻孔底部进行间隔充填，达到可以承受上部装药和炮孔充填的重量。底部间隔充填常见的情况是使用空气间隔器或木质间隔期与钻孔岩粉分多层充填的方法[5]，对于20 m 以上的台阶一般充填高度需要达到3 m～5 m 才能保证上部正常装药作业。某些露天矿也采用过在钻孔附近打平行孔，控制孔深的方法，但该方法增加工程量，影响整体施工效率。

3.2 爆破参数控制

爆破孔网参数一般直接采用采空区钻探时参数L/2×L×2，装药只选择采空区范围内一级炮孔和钻探存在采空区的二级炮孔。由于底部采空区的存在，间接提供了局部自由面，为了实现炸药分布均匀，装药采用孔内分段装药结构，一般分两段装药，中间用钻孔岩粉充填，间隔高度要小于下段装药高度，需要逐孔进行装药结构设计。为保证爆破后岩石足够破碎，以实现采空区上部岩石垮落，与正常炮区采用松动爆破的炸药单耗不同，采空区爆破属于加强抛掷爆破，一般炸药单耗选择要到达常规爆破的1.3～1.5 倍。起爆顺序按照炮孔深度相对较浅且位于采空区中部的炮孔先起爆，并向四周传爆。

3.3 爆破效果分析评价

采空区探测一般在工作面以上2～3 个台阶，钻孔深度在20 m 以上。因此无法直接对爆破效果进行评估，通常情况下采空区爆破效果评价一般通过分析爆破塌陷深度和塌陷范围进行评价。当塌陷深度达到采空区空腔高度0.4～0.6，塌陷范围基本与探测采空区范围一致时，就可以评价为爆破质量达到预期效果[4]。塌陷深度经验计算公式为：

Ht=h+Hp（1+Ksα-Ks）

式中：Ht—爆堆的塌落深度，m。

h —采空区空腔平均高度，m。

Hp—采空区顶板平均厚度，m。

Ks—岩石松散系数，一般取1.2。

α—周边孔引起土岩净抛出系数，一般取5%。

通过以上爆破控制程序，可以实现过采空区爆破冒落法安全施工，使治理后采空区达到安全状态，对爆破后的塌陷区域进行回填后就可以恢复该区域设备正常通行。

4 结论

露天矿采空区可通过物理勘探法和钻探法实现分布情况分析和采空区范围的确定，为了后期实现采空区治理提供了准确的地点和真实采空区情况。利用露天矿爆破方面的技术优势和现有设备条件，通过爆破冒落法实现对采空区的垮落控制爆破，并通过爆破效果评价实现露天矿过采空区施工技术。为露天矿过采空区生产提供安全技术保障。