露天礦過采空區安全開采技術

梅 斌

（平朔工業集團有限責任公司露天采礦工程事業部，山西 朔州 036006）

1 采空區對露天礦影響

21 世紀初建設的小型井工礦，大多也采用先進的機械化開采方法，煤層采高大，井下工作面回收率高，從有些地區露天礦揭露的情況看，采空區面積和高度與過去小煤窯相比要大出很多。由于這些采空區范圍廣跨度大，給露天開采造成了極大的安全隱患。特別是隨著露天礦開采規模的增加，大型露天礦重達100 t～200 t 的大型設備投入使用，對煤層上覆巖層的壓力增加。在生產過程中會出現電鏟、卡車或輔助設備陷入采空區，造成不必要的麻煩或安全生產事故，嚴重影響露天礦的正常生產組織。因此，在生產過程中通過采空區治理現場經驗，總結形成露天礦過采空區安全開采技術是十分必要的。

2 采空區探測技術

過采空區安全開采技術前提是需要詳細的采空區情況，了解采空區分布及實際開采區情況，由于采空區多為十幾年前開采小煤窯或地方煤礦，資料缺失和失真情況非常普遍，只能通過資料了解采空區分布大概范圍，很難通過存檔資料來掌握采空區的真實情況。為了能夠對采空區進行有效的探測，在實際采礦工作中往往會通過物理勘探（電磁勘探）或鉆探的方法來獲得采空區情況。

2.1 物理勘探法

利用采空區與巖石之間的電阻率差異，一般可以通過瞬變電磁法來實現對采空區的探測，瞬變電磁法作為電阻率參數勘探的地球物理方法，通過對大地測量的不同的導電性反映，來區分識別采空區，其工程應用是通過瞬變電磁勘探儀按設計測網布置勘探線路來搜集地下電磁信號。采空區的劃分與圈定是基于地面瞬變電磁法勘探的解釋成果，通過專用軟件對數據進行處理分析，形成各勘探線電阻率斷面圖[1]，如圖1 所示。再通過三維處理技術，將斷面圖組合生成三維電阻率圖像，以此來反映采空區存在狀況。但由于該方法在地表進行，測區內地形復雜以及外部環境的影響，都會對瞬變電磁數據的采集產生影響。

圖1 生成的地下電阻率斷面圖

2.2 鉆探法

鉆探法是在掌握的采空區資料和物探分析基礎上，在保證采空區上覆巖層厚度安全的前提下，利用爆破鉆機按設計的孔網參數對采空區進行現場穿孔探測。

2.2.1 采空區上覆巖層安全厚度

采空區上覆巖層安全厚度是保證露天礦安全生產的關鍵，安全厚度不夠會造成采空區上部頂板巖石支撐力不足，在上部設備動荷載、靜荷載作用下都有造成頂板巖石垮塌的可能。由于采空區高度、跨度、上覆巖層性質和設備載重情況等都會對穩定性造成影響，因此采空區安全厚度計算需要針對不同情況進行測算，一般通過計算機軟件數值模擬、利用厚跨比計算法、長寬比梁板法等數值計算方法綜合確定上覆巖層厚度[2]。結合實際生產經驗，考慮露天礦實際臺階參數，一般選擇采空區上覆2～3 個臺階高度進行探測。

2.2.2 采空區鉆探孔網參數設計

采空區鉆探孔網參數需要根據實際情況進行控制，孔網參數過大將無法達到對采空區實際控制，影響探測效果。孔網參數過小將增加鉆孔成本，同時影響施工進度和整體作業效率。一般情況下進行分級布控，首先根據掌握的資料和采空區預測情況沿采空巷道走向進行一級布孔（大多情況按實際爆破孔網參數L），對探測到存在采空區鉆孔周圍進行二級布孔（孔距為L/2），如圖2 所示。通過兩級鉆探可以基本上圈定采空區范圍，并明確采空區大小、分布范圍，以及采空區是否有火區或積水情況，為下一步采空區治理提供必要依據。二級布孔若仍無法完全明確區域的可以進一步加密探孔。

圖2 采空區區域爆破孔網布置圖

通過綜合應用上述物探發、鉆探發2 種方式，基本可以在采空區上部2～3 個臺階距離將采空區標定并設置警戒，可以降低設備、人員陷入采空區風險。有些露天礦還引入了三維激光掃描技術，通過探頭進入作業條件允許的鉆孔進行激光掃描，形成采空區空腔三維圖像[3]，可以在空間上更全面的了解采空區寬度、空腔高度和形成等情況。

3 過采空區施工技術

目前露天礦過采空區施工技術，考慮露天礦施工設備特點，最常用的方法就是爆破冒落法，通過實施專項爆破實現采空區上部垮塌，達到垮塌后巖石能夠充填采空區，進而消除采空區的作用。對采空區實施專項爆破技術，有相對的針對性，爆破效果好，能快速處理探測出的采空區[4]，達到預定的過采空區施工效果。爆破冒落法關鍵技術包括。

3.1 底部充填

由于采空區探測孔已經將打穿至空腔，在實施裝藥前首先要將鉆孔底部進行間隔充填，達到可以承受上部裝藥和炮孔充填的重量。底部間隔充填常見的情況是使用空氣間隔器或木質間隔期與鉆孔巖粉分多層充填的方法[5]，對于20 m 以上的臺階一般充填高度需要達到3 m～5 m 才能保證上部正常裝藥作業。某些露天礦也采用過在鉆孔附近打平行孔，控制孔深的方法，但該方法增加工程量，影響整體施工效率。

3.2 爆破參數控制

爆破孔網參數一般直接采用采空區鉆探時參數L/2×L×2，裝藥只選擇采空區范圍內一級炮孔和鉆探存在采空區的二級炮孔。由于底部采空區的存在，間接提供了局部自由面，為了實現炸藥分布均勻，裝藥采用孔內分段裝藥結構，一般分兩段裝藥，中間用鉆孔巖粉充填，間隔高度要小于下段裝藥高度，需要逐孔進行裝藥結構設計。為保證爆破后巖石足夠破碎，以實現采空區上部巖石垮落，與正常炮區采用松動爆破的炸藥單耗不同，采空區爆破屬于加強拋擲爆破，一般炸藥單耗選擇要到達常規爆破的1.3～1.5 倍。起爆順序按照炮孔深度相對較淺且位于采空區中部的炮孔先起爆，并向四周傳爆。

3.3 爆破效果分析評價

采空區探測一般在工作面以上2～3 個臺階，鉆孔深度在20 m 以上。因此無法直接對爆破效果進行評估，通常情況下采空區爆破效果評價一般通過分析爆破塌陷深度和塌陷范圍進行評價。當塌陷深度達到采空區空腔高度0.4～0.6，塌陷范圍基本與探測采空區范圍一致時，就可以評價為爆破質量達到預期效果[4]。塌陷深度經驗計算公式為：

Ht=h+Hp（1+Ksα-Ks）

式中：Ht—爆堆的塌落深度，m。

h —采空區空腔平均高度，m。

Hp—采空區頂板平均厚度，m。

Ks—巖石松散系數，一般取1.2。

α—周邊孔引起土巖凈拋出系數，一般取5%。

通過以上爆破控制程序，可以實現過采空區爆破冒落法安全施工，使治理后采空區達到安全狀態，對爆破后的塌陷區域進行回填后就可以恢復該區域設備正常通行。

4 結論

露天礦采空區可通過物理勘探法和鉆探法實現分布情況分析和采空區范圍的確定，為了后期實現采空區治理提供了準確的地點和真實采空區情況。利用露天礦爆破方面的技術優勢和現有設備條件，通過爆破冒落法實現對采空區的垮落控制爆破，并通過爆破效果評價實現露天礦過采空區施工技術。為露天礦過采空區生產提供安全技術保障。