露天礦地下采空區探測與治理技術應用與實踐

劉博文 王振偉 李 偉 丁鑫品 王志鵬

(1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京市朝陽區，100013)

★ 煤炭科技·地質與勘探 ★

露天礦地下采空區探測與治理技術應用與實踐

劉博文1,2王振偉1,2李 偉1,2丁鑫品1,2王志鵬1,2

(1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京市朝陽區，100013)

結合露天礦的自身特色和采空區治理的特殊要求，提出了以“物探先行、鉆探驗證、三維激光掃描精確定位”為原則的點式探測技術，給出了以安全厚度和穩定系數為評判準則的動態評價技術，確定了采空區分級、分類再處理的治理方案，通過應用與實踐，基本形成了露天礦地下采空區探測、評價與治理技術體系，保障了露天礦安全高效生產。

露天開采 地下采空區 三維激光掃描 動態評價體系 探測與治理技術

近年來，伴隨著煤炭資源整合與煤礦企業重組，許多小型井工煤礦逐漸被關停，取而代之的是對關閉煤礦剩余資源以及零星邊角壓滯煤炭資源重新規劃后的大型露天煤礦。由于關停的小煤礦多數采用房柱式開采方法，采空區的位置和邊界不明，采空區頂板坍塌、大型設備掉落或人員傷亡事故時有發生，對露天礦安全高效開采構成嚴重威脅。隨著露天礦剝采作業的進行，采空區上覆巖層逐漸變薄，因此，在整個動態過程中，采空區的精細探測和動態評價顯得尤為重要。然而，目前國內傳統采空區物理探測技術探測精度較低，對于露天礦指導性不強，同時采空區評價偏向于理論與經驗公式，與探測技術沒有形成體系。因此，如何及時準確地探明地下空腔體的空間位置，科學合理地評價每個空腔體的危險程度，同時提出經濟可靠的治理措施、保證地表大型設備和作業人員的安全，是露天礦地下采空區探測與治理工作亟需解決的關鍵問題。通過在某些礦區的研究與應用，基本形成了露天煤礦地下采空區探測、評價與治理技術體系，保障了安全高效生產，實踐成果值得類似礦山廣泛借鑒。

1 露天礦地下采空區探測技術

目前，國內露天礦境界內的地下采空區多數為房柱式開采形成的采空區，這類采空區具有跨度小、高度大、不連續、分布不詳且不易自然塌落的特點，對露天采礦作業帶來巨大的安全隱患。由于露天礦剝采作業的特殊性，類似于三維地震勘探、瞬變電磁勘探或高密度電法勘探等適用于一般采空區的“面式”探測技術，探測精度根本無法滿足現場要求。為了保證地表作業設備和人員的安全，必須時刻明確掌握作業區下部是否存在采空區以及采空區的空間位置參數，這種情況下，以“面式”探測成果為基礎，通過精確可靠的“點式”探測手段，實現采空區探測的點式化和精準化，將逐漸成為露天礦地下采空區探測的必然趨勢。

基于中煤平朔露天礦區地下采空區探測的研究與實踐，提出了基于物探、鉆探與三維激光掃描相結合的“點式”探測技術，及時準確地探明了開采境界范圍內的采空區分布情況，保證了安全生產，探測成果為采空區的評價與治理工作奠定了基礎。該技術的核心內容與技術指標如下：

(1)堅持“物探先行、鉆探驗證、三維激光掃描精確定位”的原則；

(2)掌子面電鏟周圍鉆機跟蹤探測，鉆孔間排距約為10 m，如圖1(a)所示；

(3)爆破平盤爆破孔與探測孔的布置原則為“隔三個打一個、隔一排打一排”，如圖1(b)所示；

(4)爆破孔深度約為15 m，探測孔深度為41 m；

(5)在物探、鉆探的基礎上開展三維激光掃描探測，準確掌握采空區的面積、形狀、埋藏深度、腔體高度等空間位置參數；

(6)三維激光掃描耗時30 min/孔，掃描精度為±5 cm，掃描半徑為150 m；

(7)以三維激光掃描成果作為采空區安全評價與治理的關鍵數據。

露天礦采空區“點式”探測技術的核心工作是通過鉆探找到空腔體，關鍵設備是鉆孔式三維激光掃描儀，如圖2所示，自該技術應用于中煤平朔露天礦區以來，共探測采空區500余次，成功掃描1000～20000 m3大小的空腔體200余個，探測采空區面積達20萬m2，精確探明空腔體積約30萬m3，安全效益顯著。

圖1 地下采空區探測鉆孔布置示意圖

圖2 三維激光掃描設備

通過對采空區探測成果進行總結分析，得出如下結論：

(1)受開采和地質條件等影響，普通“面式”探測手段只能推斷出采空區的大致分布范圍，不能準確分辨出空腔體和這些空腔體之間的隔離煤柱，以某個研究區域為例，空腔體與空腔體之間隔離煤柱的面積比約為5∶1，如圖3所示，普通“面式”探測手段不能準確探測出空腔體位置參數(如腔體高度、平面范圍、頂板厚度)，因此“面式”探測成果對于指導現場生產基本沒有意義。

(2)對于中煤平朔露天礦區80處已探明空腔體的位置參數進行統計分析可以發現，空腔體最大跨度集中在20～40 m，以25～30 m最多，最大值為60 m；空腔體高度集中在3～15 m，以5～10 m最多，最大高度為28 m；體積在2500～7500 m3空腔體約占總數的40%以上，最大體積為7500 m3，已探明空腔體統計結果如圖4所示。事實上，在頂板厚度為30 m時，腔體高度大于6 m、跨度大于8 m、體積大于400 m3的空腔體的危險性已不容忽視。空腔體危險程度與空腔體平面面積、平均高度和腔體體積成正比。

圖3 采空區“點式”探測成果

圖4 已探明空腔體統計結果

(3)三維激光掃描探測降低了采空區探測鉆孔施工的盲目性，提高了采空區爆破治理設計的科學性，節約了生產成本，保證了安全生產。4#空腔體掃描點云俯視圖見圖5。以圖5中的4#空腔體為例，一般情況下，需在其地表密集施工若干鉆孔來確定其分布范圍，但若采用三維激光掃描方法，僅需施工1個鉆孔即可解決以上問題，在該空腔體崩塌治理過程中，若以掃描成果為指導，穿孔成本和炸藥消耗量都會明顯減少，處理效果會更加理想。

圖5 4#空腔體掃描點云俯視圖

2 露天礦地下采空區危險性動態評價技術

對于任一空腔體，隨著露天礦剝采工作的進行，其頂板厚度將會逐漸減小，一方面是由于露天礦剝采水平的不斷延深，導致上部巖層逐漸變薄；另一方面，受大型設備動載及爆破震動的影響，空腔頂板逐層垮落，空腔體逐漸向上發展。空腔頂板厚度的動態變化決定了空腔危險程度的動態變化，因此在采空區危險性評價與治理過程中須充分考慮其時效特征。

近年來，國內外關于露天煤礦境界內地下采空區的研究主要集中在金屬礦山，關于露天煤礦采空區動態穩定性評價與治理方面的研究較少，且主要集中在采空區頂板最小安全厚度的確定與采空區治理措施的研究，而這些理論與方法多停留在理論層面，缺少與實踐的結合，對于一個已探明的空腔體，目前狀態下的頂板穩定性和最小安全厚度為未知狀態，因此，露天煤礦地下采空區穩定性評價工作急需進一步規范化與程序化，進而動態指導露天礦安全作業。

中煤平朔露天礦區聯合煤炭科學技術研究院有限公司及中煤西安設計工程有限責任公司，通過科技攻關，建立起了涵蓋采空區參數獲取、采空區頂板巖體質量評價、最小安全厚度計算、穩定性綜合評價、最佳治理時間確定及治理方案優化等內容的露天煤礦地下采空區動態穩定性評價體系，開發出了露天礦地下采空區動態穩定評價系統，該系統以三維激光掃描數據為基礎，通過與3Dmine、CavityScan、Geomagic等軟件相結合，全面考慮了地質條件、巖體力學性質、空腔體參數以及露天采礦活動等影響采空區上覆巖層穩定的主要因素，分步采用巖體自行充填理論、安全厚度評價法、安全系數評價法以及安全保障系數法，能夠快速分析出任一空腔體在任何狀態下的危險程度，并給出最佳治理時間，真正實現了對露天礦地下采空區動態穩定性的實時分析、評價、預警與治理，保證了安全高效生產。采空區動態穩定性評價及治理流程如圖6所示，采空區動態穩定性評價系統界面見圖7。

圖7 采空區動態穩定性評價系統界面

采空區上覆巖體穩定性評價不僅要根據上覆巖體物理力學性質、采空區形態、形成機理來確定分析評價方法，而且要合理準確地評價各種力學參數及安全系數，考慮影響力學模型的關鍵因素，以獲得合理實際的分析和評價結果。例如關于考慮外部荷載的采空區，空場長寬比法和結構力學梁理論估算法對外部荷載比較敏感，分析評價時可側重參考其計算的結果；關于頂板比較平整的采空區，上覆巖體穩定性評價可側重用荷載傳遞交匯法、厚跨比法、空場長寬比法及結構力學梁理論計算法；關于腔體跨度變化大、上覆巖層節理裂隙發育的采空區，上覆巖體穩定性評價可側重用極限平衡法、荷載傳遞交匯法、厚跨比法、普式拱理論估算法。

3 露天礦地下采空區綜合治理技術

露天礦地下采空區治理主要是消除地下空腔體隱患，以確保露采設備、人員作業安全。應遵循的總體原則為以人為本、安全可靠、分類分級、經濟合理。

通過上述采空區穩定性評價，可獲得以下采空區參數：最小安全厚度H0、采空區穩定系數K、各設備安全保障系數(鉆機保障系數Z，最大設備保障系數M)、采空區頂板至該作業平盤的上覆巖層厚度H、該作業平盤下挖一個臺階后上覆巖層厚度H下、下挖一個臺階后穩定系數K下。根據采空區以上參數和具體特征，將采空區劃分為5類，同時根據各類采空區是否具有產生失穩的條件，將采空區危險性分為3級，具體描述如表1所示。

基于不同類型和危險性等級的采空區，提出更有針對性、合理性的采空區治理方案：對于 Ⅰ 類采空區，危險性小，暫不需要處理；對于 Ⅱ 類和 Ⅲ 類采空區，危險性中等，應在該作業平盤采用中深孔爆破崩落法處理；對于 Ⅳ 類采空區，危險性大，應采用切割深孔爆破崩落法進行處理，即根據采空區分布形態，在采空區邊界的外沿布置1～2排切割深孔，使采空區頂板由于切割爆破失穩而塌落，同時根據采空區邊界劃定禁行區，禁止所有設備通行；對于 Ⅴ 類采空區，應先用反鏟在周圍試探性的放塌懸頂區域，然后根據具體情況采取剝離物回填處理方式。

表1 采空區分類分級表

通過采空區的分類、分級再治理，實現了采空區的科學化管理，很大程度上提高了采空區治理效果。

4 結語

物探、鉆探與三維激光掃描相組合的“點式”探測技術，實現了由粗到細、由面到點的探測效果，為采空區的評價與治理工作奠定了基礎，基于探測成果建立的采空區評價體系，其準確性和指導性大大提高，提出的采空區分級、分類再處理的治理方案，實現了采空區的科學化與系統化管理，通過應用與實踐，基本形成了露天礦地下采空區探測、評價與治理技術體系，該實踐成果應用前景廣闊。

[1] 王貞海. 近距離煤層上覆采空區積水音頻電探測與治理技術[J]. 煤炭工程,2016(8)

[2] 程建遠,孫洪星,趙慶彪等. 老窯采空區的探測技術與實例研究[J]. 煤炭學報,2008(3)

[3] 王海君,李克民,陳樹召等. 地下轉露天開采的采空區危害與探測技術探討[J]. 煤炭工程,2010(10)

[4] 丁鑫品,王俊,周游等. 激光掃描系統在探測露天煤礦下采空區中的應用[J]. 煤炭科學技術,2015(10)[5] 劉博文,王俊,李偉等. 綜合探測技術在露天煤礦群采空區中的應用[J]. 中國煤炭,2015(3)

[6] 馬海濤,劉勇鋒,胡家國.基于C-ALS采空區探測及三維模型可視化研究[J]. 中國安全生產科學技術,2010(3)

[7] 鄒友峰,柴華彬. 建筑荷載作用下采空區頂板巖梁穩定性分析[J]. 煤炭學報,2014(8)

[8] 劉科偉.露天開采隱患空區激光三維探測、可視化研究及其穩定性分析[D].中南大學,2012

[9] 王俊,劉博文,韓進等. 瞬變電磁探測技術在露天煤礦采空區中的應用研究[J]. 煤炭技術,2015(6)

[10] 李文. 房采采空區失穩危險性評價[J]. 中國安全科學學報,2011(3)

[11] 馬海濤. 礦山采空區災害風險分級與失穩預警方法[D].北京科技大學,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

國家自然科學基金項目(51774184)，煤科院科技發展基金項目(2016JC10)

劉博文，王振偉，李偉等. 露天礦地下采空區探測與治理技術應用與實踐[J]. 中國煤炭，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.

劉博文(1986-)，漢族，河北唐山人，助理工程師，主要從事露天采礦、采空區勘查與防治、邊坡工程等研究。

(責任編輯 郭東芝)