露天煤礦采空區(qū)及火區(qū)探測的技術(shù)研究

呂曉勇

（山西焦煤集團(tuán)正仁煤業(yè)有限公司閆家溝露天煤礦，山西 忻州 036411）

·試驗(yàn)研究·

露天煤礦采空區(qū)及火區(qū)探測的技術(shù)研究

呂曉勇

（山西焦煤集團(tuán)正仁煤業(yè)有限公司閆家溝露天煤礦，山西 忻州 036411）

閆家溝露天煤礦因小煤窯采掘破壞，采空區(qū)及火區(qū)多，范圍不詳，對露天采煤影響很大。查明這些特殊區(qū)域，以便在生產(chǎn)中提前采取預(yù)防措施，對采礦安全及提高采空區(qū)的煤炭回收率具有重要意義。論述了采用地面高密度電法探測和鉆機(jī)穿孔探測采空區(qū)，將兩種探測成果進(jìn)行對比，確保在探明空巷、火區(qū)、積水的過程中不留任何死角，并提出在確定采空區(qū)及火區(qū)的具體位置后，采用爆破充填法及黃泥注漿法處理采空區(qū)及火區(qū)。

露天開采；采空區(qū)；火區(qū)；高密度電法探測；鉆孔探測

采用地面高密度電法探測和鉆機(jī)穿孔探測采空區(qū)的具體位置，將兩種探測成果進(jìn)行對比，確保在探明空巷、火區(qū)、積水的過程中不留任何死角。確定特殊區(qū)域位置后應(yīng)采取措施，杜絕發(fā)生采掘設(shè)備在空巷作業(yè)時頂板突然垮落，高溫區(qū)域在爆破時出現(xiàn)事故等。

1 礦區(qū)簡介

山西焦煤集團(tuán)正仁公司閆家溝露天煤礦是2009年根據(jù)山西省政府資源整合精神，整合原偏關(guān)縣閆家溝、高大、同強(qiáng)、晉風(fēng)礦等4座小礦而成。整合后面積8．130 1 km2，13＃煤層平均厚度10．65 m，保有地質(zhì)儲量6 712萬t。經(jīng)過對閆家溝礦區(qū)采掘歷史進(jìn)行調(diào)查，由于資源破壞嚴(yán)重、不具備綜采裝備布置條件、煤層火區(qū)及CO治理困難等問題，分析煤層的蓋山厚度薄、覆蓋層以黃土為主等有利條件，確定開采方式為露天開采。

13＃煤層覆蓋層以黃土、紅土為主，從上往下依次為：第四系黃土平均厚度35 m，第三系紅土平均厚度21 m，石炭系太原組中S2砂巖平均厚度11 m，耐火黏土層平均厚度8 m，煤層頂板炭質(zhì)泥巖平均厚度4 m。

2 研究解決問題的技術(shù)關(guān)鍵

閆家溝礦井田由于多年的無序開采，礦區(qū)存在為數(shù)眾多且大小不一、范圍不詳?shù)牟煽諈^(qū)、火區(qū)。調(diào)查顯示這些區(qū)域開采范圍并不大，絕大部分是以掘代采，它們有的相互連通、有的重疊，更多的是相互獨(dú)立、縱橫交錯。這些未知采空區(qū)的存在，將會嚴(yán)重影響露天開采的安全生產(chǎn)。

2．1 亟待解決的問題

1）確定空巷位置并采取措施，防止剝離過程中空巷頂板突然垮落或塌陷，造成人員傷亡或設(shè)備損壞。

2）確定火區(qū)位置及范圍，采取針對性措施，防止有毒有害氣體傷人及防止高溫爆破事故等。

2．2 探測采空區(qū)、火區(qū)的辦法

1）采用地面高密度電法探測。

電法探測是研究地層電學(xué)性質(zhì)及電場、電磁場變化規(guī)律的學(xué)科。它是根據(jù)所研究地質(zhì)對象的電性差異，通過儀器測量其電場大小，進(jìn)而研究電場的分布規(guī)律，可以不依靠對巖石露頭的肉眼鑒別，透過覆蓋層了解地下深處地質(zhì)體的狀況，從而取得地質(zhì)結(jié)論。目前，電法探測是巖土工程勘測及探測斷層、采空區(qū)最好的方法之一。

高密度電法探測是以地下被探測目標(biāo)體與周圍介質(zhì)之間的電性差異為基礎(chǔ)，人工建立地下穩(wěn)定直流電場，依據(jù)預(yù)先布置的若干道電極，采用預(yù)定裝置排列形式進(jìn)行掃描觀測，研究地下一定范圍內(nèi)大量豐富的空間電阻率變化，從而查明和研究有關(guān)地質(zhì)問題的一種直流電法探測技術(shù)。

高密度電法的基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法完全相同，不同的是在觀測中設(shè)置了較高密度的測點(diǎn)，現(xiàn)場測量時，只需將全部電極布置在一定間隔的測點(diǎn)上，然后進(jìn)行觀測。由于使用電極數(shù)量多，而且電極之間可以自由組合，這樣可以提供更多的地電信息，使電法勘探能像地震勘探一樣使用覆蓋式的測量方式。

可利用高密度電測法探測采空區(qū)及火區(qū)的范圍并繪圖。

2）采用打鉆排除法逐步縮小探測范圍。

根據(jù)高密度電測法探知的采空區(qū)及火區(qū)范圍，在此范圍內(nèi)，露天開采剝離至距13＃煤頂板10m時，采用BZC-150自走式正反循環(huán)鉆機(jī)按設(shè)計(jì)線打鉆，逐步縮小探測范圍。

本露天礦采煤面長500m，寬50m。按照25m ×25m的方格分片，有疑必探、先探后采、逐步探出采空區(qū)位置并采取措施，不留空白。

先按照沿傾向每25m布置1排鉆孔，孔距25 m，每排3孔。在任何一個25m×25m的方格內(nèi)，如果鉆孔沒有采空區(qū)，可以正常剝采；如果存在采空區(qū)，需進(jìn)一步縮小鉆孔間距，確定采空區(qū)的具體位置。

具體辦法：在發(fā)現(xiàn)采空區(qū)的鉆孔周圍按5m×5 m的間排距布置鉆孔，示意圖見圖1。

圖塊一、二區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)空巷，可以正常剝離采煤；圖塊三區(qū)域發(fā)現(xiàn)采空區(qū)，在發(fā)現(xiàn)采空區(qū)的設(shè)計(jì)線中間再布置鉆孔，將采空區(qū)位置精確到2．5m范圍內(nèi)。最終確定采空區(qū)或空巷的具體位置，采取措施。

圖1 打鉆排除法示意圖

3 采取措施

3．1 采用露天爆破處理方案充填采空區(qū)

根據(jù)探測獲得的采空區(qū)及空巷實(shí)際位置，距13＃煤煤層頂板10m水平向下部的空區(qū)鉆孔，鉆孔深度9m（距煤層頂板1m），編制爆破方案，實(shí)施采空區(qū)爆破處理施工。要注意，在進(jìn)行鉆孔前堵塞探測孔，否則造成爆破中漏氣，漏藥，影響爆破效果。

主炸藥選用銨油炸藥，起爆藥選用2＃巖石炸藥。鉆孔直徑150mm，垂直鉆孔。有關(guān)爆破參數(shù)計(jì)算如下：

底盤抵抗線按下式計(jì)算：

式中：

Wp—底盤抵抗線，m；

h—臺階高度，m。

經(jīng)計(jì)算：

Wp=（0．65～0．75）×10=6．5～7．5m，取7m。

孔距可按下式計(jì)算：

式中：

a—孔距，m。

經(jīng)計(jì)算：

a=（0．7～1．1）Wp=4．9～7．7m，取6m。

排距可按下式計(jì)算：

式中：

b—排距，m。

經(jīng)計(jì)算：

b=（0．86～0．9）×6=5．2～5．4m，取5m。

炸藥單耗可按下式計(jì)算：

式中：

q—炸藥單耗，kg／m3；

γ—巖石容重，t／m3；

f—巖石硬度普氏系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算：

每孔裝藥量可按下式計(jì)算：

式中：

A—爆破寬度，m，取18；

np—鉆孔排數(shù)。

經(jīng)計(jì)算：

3．2 對火區(qū)采取的措施

采用黃泥注入法處理。從火區(qū)上部剝離臺階向著火區(qū)打眼，用高壓泵將黃泥注入，使火區(qū)處于完全封閉狀態(tài)，起到滅火作用。同時制定滅火作業(yè)各環(huán)節(jié)的安全措施及規(guī)程，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)治理方案進(jìn)行開挖、清除及填埋火源。

1）當(dāng)鉆孔打到火區(qū)時，一般會有氣體溢出，應(yīng)及時調(diào)來灑水車往孔內(nèi)灌水，灌滿確保安全后，方可繼續(xù)打孔裝藥，盡快爆破。

2）設(shè)備及人員嚴(yán)格限制在火區(qū)上方作業(yè)及通行，滅火作業(yè)采用端部開挖及推進(jìn)方式，避免人員及設(shè)備墜入火區(qū)。

3）挖掘前，必須用束流或噴霧狀態(tài)的水將灼熱體、燃燒體預(yù)先冷卻，揭露區(qū)必須用水徹底撲滅余火。

4）挖掘作業(yè)由火區(qū)邊緣向火源中心進(jìn)行，邊降溫邊挖掘。

5）挖掘出來的灼熱體、燃燒體殘?jiān)?，必須采取降溫、滅火措施，防止火區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大及產(chǎn)生次生污染。此處，灼熱體應(yīng)排放到煤系地層以外。

6）爆破作業(yè)要避開明火區(qū)，高溫區(qū)采用灌水降溫裝藥后立即爆破，選用對溫度敏感性低的礦用炸藥及爆破器材，確保爆破作業(yè)的安全。

7）汽車在火區(qū)作業(yè)時，司機(jī)應(yīng)精神高度集中，經(jīng)常觀察火區(qū)情況，不準(zhǔn)將車停在水煤氣涌出處和明火高溫區(qū)上，防止中毒和車體著火。

4 結(jié)束語

通過利用電法和鉆機(jī)穿孔探測采空區(qū)的具體位置，科學(xué)合理地編制處理方案，能有效地消除采空區(qū)及火區(qū)給露天開采帶來的安全隱患，安全高效地回收井工開采所破壞的煤炭資源。

［1］ 中煤國際工程集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院．GB 50197-2005煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國計(jì)劃出版社，2006：19-21．

［2］ 安建修．山西焦煤集團(tuán)正仁煤業(yè)有限公司生產(chǎn)礦井地質(zhì)報告［R］．忻州：山西省地勘局211隊(duì)，2010：3-7．

［3］ 董浩斌，王傳雷．高密度電法的發(fā)展與應(yīng)用［J］．地學(xué)前緣，2003（01）：1-2．

Technology Study on Goaf and Fire Area Detection in Open-pit Coal Mine

Lv Xiao-yong

Because of destruction from the small coal pit excavation in Yanjiagou open-cut coal mine，goaf and fire area are more，the scope is unknown，has a great influence on open-pit mining．Find out the specific area，in order to take preventive measures in advance in the production，for mining safety and improving the coal recovery rate of the goaf is of great significance．Discusses by using the high-density resistivity method detecting and drill hole detecting the goaf．Compare two kinds of detection results．Ensure that do not leave any corner in the process of ascertaining abandoned roadway，fire area and water．And puts forward after determine the specific location of goaf and fire area，the blasting and filling method and mud grouting method is adopted for treatment of goaf and fire area．

Opencast mining；Goaf；Fire area；Detection of high density resistivity method；Drilling exploration

TD164+．1

A

1672-0652（2013）09-0014-03

2013-06-16

呂曉勇（1970—），男，山西忻州人，1994年畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)管理工作（E-mail）zrgslxy＠126．com