安太堡露天礦過采空區(qū)的探測與治理措施

薛萬海,孟慶軍,羅世新

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 安太堡露天礦，山西 朔州 036006）

安太堡露天礦剝離工藝采用單斗－卡車工藝[1]，煤層使用前裝機(jī)或單斗挖掘機(jī)－自卸卡車－它移式破碎站－地面帶式輸送機(jī)－選煤場的煤炭生產(chǎn)工藝和運(yùn)輸系統(tǒng)。自20 世紀(jì)80 年代初建礦以來，實(shí)行分區(qū)開采[2]。先后遇到崔家?guī)X、井陽礦及楊井溝、蘆子溝一號井工礦等地方小煤窯等采空區(qū)。在目前安太堡礦的北部擬轉(zhuǎn)向開采區(qū)域，還有遺留的蘆子溝二號井工礦采空區(qū)。由于采空區(qū)的存在，隨著露天揭露，并發(fā)產(chǎn)生火區(qū)，給正常生產(chǎn)帶來一定的困難。礦區(qū)內(nèi)井工礦的開采大多數(shù)為房柱式采煤，采空區(qū)頂板尚未完全垮落。由于收集現(xiàn)有小煤窯的開采資料不全、可信度不高，再加上露天礦多煤層開采擾動導(dǎo)致小窯采空區(qū)范圍及層位不斷發(fā)展變化，采空區(qū)地質(zhì)資料的完整性和準(zhǔn)確性需要不斷進(jìn)行核實(shí)和判斷。因此，結(jié)合往年過采空區(qū)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，制定完善的安全技術(shù)措施，以確保安全生產(chǎn)尤為必要。

1 采空區(qū)和火區(qū)給露天礦生產(chǎn)帶來的危害

在裝藥過程和爆破過程中，由于采空區(qū)內(nèi)部發(fā)生自燃或可燃?xì)怏w積聚，炮孔內(nèi)高溫引起炸藥、起爆彈爆炸及可燃?xì)怏w爆炸，爆破人員造成傷亡；采空區(qū)逸出的有害氣體、高溫和明火等對作業(yè)人員造成威脅；釋放的煙霧嚴(yán)重污染和惡化礦坑作業(yè)環(huán)境，對設(shè)備安全運(yùn)行及構(gòu)件也造成傷害[3]；采空區(qū)上部巖體如果突然塌落，人員及設(shè)備會陷落于塌陷區(qū)，造成人員傷亡及設(shè)備損壞；露天礦采場道路或邊坡下若遇采空區(qū)，采空區(qū)垮落坍塌則可能引起道路塌陷中斷或邊坡失穩(wěn)。由于采空區(qū)煤層發(fā)生自燃后往往嚴(yán)重風(fēng)氧化，造成煤炭資源損失，采空區(qū)回采率進(jìn)一步降低。采空區(qū)內(nèi)遺留的錨桿和鐵軌等鐵器雜物一旦進(jìn)入洗煤廠會造成選煤膠帶等設(shè)施的損壞。

2 采空區(qū)危險(xiǎn)等級劃分及警戒范圍

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)科研成果，參照前期物探及收集的小窯采空范圍，依據(jù)實(shí)際地質(zhì)勘探鉆孔或生產(chǎn)探測鉆孔并經(jīng)掃描驗(yàn)證存在采空腔的空間形態(tài)劃分采空區(qū)危險(xiǎn)等級，將采空區(qū)分為警戒區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)。

1）警戒區(qū)。①采空區(qū)上部覆蓋層厚度50 m 以上；②覆蓋層厚度35 m 以上，且采空高度小于3 m、采空跨度小于6 m。

2）危險(xiǎn)區(qū)。①覆蓋層厚度50～35 m 且采空高度大于3 m、采空跨度6～10 m；②覆蓋層厚度35～25 m 且采空高度小于3 m、采空跨度小于6 m。

3）嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)。①覆蓋層厚度50 m 以下，采空高度大于3 m、采空跨度大于10 m；②覆蓋層厚度35 m 以下且采空高度大于3 m、采空跨度6～10 m；③覆蓋層厚度25 m 以下且采空高度大于3 m、采空跨度小于6 m。

3 采空區(qū)探測

3.1 采空區(qū)資料的收集和整理

1）要積極與原地方礦井相關(guān)技術(shù)人員加強(qiáng)了解，最大限度獲取井工開采時(shí)的相關(guān)詳細(xì)資料。

2）及時(shí)將收集到的采空區(qū)資料填繪在相關(guān)圖紙上進(jìn)行匯總分析。

3）技術(shù)部門將作業(yè)過程中收集到的采空區(qū)資料和生產(chǎn)鉆機(jī)探到的資料上圖，并對照已有資料運(yùn)用三維采礦軟件進(jìn)行不斷綜合分析。隨著采剝工程的進(jìn)行，技術(shù)部門及時(shí)將采空區(qū)的變化情況反饋到生產(chǎn)部門和安監(jiān)部。

4）應(yīng)建立采空區(qū)調(diào)查臺帳。其中從地方調(diào)查的采空區(qū)內(nèi)容主要包括開采范圍、巷道布置、開采層位、采煤高度、采空區(qū)范圍、已探測到的采空孔參數(shù)、塌陷區(qū)坐標(biāo)、采空高度、作業(yè)人員、鉆孔日期等。

5）在《采剝工程平面圖》相關(guān)圖件上圈定采空區(qū)范圍，將采空孔參數(shù)在圖上標(biāo)注清楚，并存檔備案。

3.2 采空區(qū)探測計(jì)劃及驗(yàn)收

1）依據(jù)勘探成果以及前期收集的采空區(qū)資料，從宏觀上控制采空區(qū)的分布，初步劃定日常勘探重點(diǎn)區(qū)域。同時(shí)隨著勘探以及采剝揭露情況，做好采空區(qū)的更新工作。

2）根據(jù)采掘計(jì)劃及范圍制定采空區(qū)探測及治理計(jì)劃，并形成探測計(jì)劃平面圖，由總工程師審核后下發(fā)至相關(guān)部門。

3）探測計(jì)劃需確定探測平盤工程位置、探測區(qū)域范圍、探測孔深度、孔網(wǎng)參數(shù)，并標(biāo)明已知采空區(qū)范圍、巷道布置、已有探測孔位置及高程、采空高度、距煤層深度及已揭露的采空區(qū)、火區(qū)、巷道等平面位置及高程。

4）結(jié)合相關(guān)科研機(jī)構(gòu)已有的物探成果和地方小窯資料，對于采空區(qū)上部覆蓋厚度超過35 m 且現(xiàn)有鉆孔資料較少的采空及疑似區(qū)域，需要地質(zhì)鉆進(jìn)行探測驗(yàn)證并將結(jié)果提交礦地測部門。對于覆蓋厚度小于35 m 的采空區(qū)域，由本礦鉆機(jī)進(jìn)行打鉆探測、驗(yàn)證。所有探測孔均要求探測至疑似采空層位。

5）炮區(qū)內(nèi)探測孔密度級別以地表距疑似空區(qū)最近距離確定，若無特殊情況炮區(qū)內(nèi)探測孔密度級別由地測部在月計(jì)劃中規(guī)定，炮區(qū)內(nèi)探測孔由穿爆班依據(jù)上述密度自行布置。

6）鉆機(jī)探測計(jì)劃區(qū)域需標(biāo)明正常探測區(qū)、驗(yàn)證探測區(qū)及重點(diǎn)探測區(qū)[4]。上述3 個(gè)探測區(qū)域在特定情況下可互相轉(zhuǎn)化。根據(jù)已掌握的采空信息選擇適宜的探測孔密度及深度，準(zhǔn)確地確定采空腔高度及分布范圍。對采掘過程中出現(xiàn)的塌陷坑、空洞、巷道周圍區(qū)域，及根據(jù)已揭露情況（如巷道走向）推斷可能存在采空區(qū)的區(qū)域，以及正常探測過程中探明采空的鉆孔所圈定的大致區(qū)域重點(diǎn)探測。

7）根據(jù)探測計(jì)劃標(biāo)明的區(qū)域進(jìn)行探測，探測參數(shù)為：①正常探測區(qū)：如果穿孔參數(shù)孔距和行距8 m× 8 m，按等腰三角形方式布置探測孔，底長32 m，腰長22.6 m，深度為35 m，若穿孔中發(fā)現(xiàn)采空區(qū)，具備條件掃描條件，需用三維激光掃描確定控制采空區(qū)空腔邊界[5]；②危險(xiǎn)區(qū)：按等腰三角形方式布置探測孔，底長2 倍孔距16 m，腰長11.3 m，深度為35 m 或見煤層頂板；③驗(yàn)證探測區(qū)：地測部根據(jù)已有資料，現(xiàn)場放樣布孔；④重點(diǎn)探測區(qū)：在已發(fā)現(xiàn)采空的鉆孔周圍按正方形方式布置探測孔，孔距和行距為4 m × 4 m，深度為35 m 或見煤層底板。

8）對于驗(yàn)證孔由地測部在現(xiàn)場標(biāo)出具體打鉆工程位置，穿爆班按要求進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。

9）已探明采空的鉆孔或出現(xiàn)的采空塌陷，穿爆部門按技術(shù)要求在周圍加大探測密度，確定采空區(qū)范圍。

10）由于爆破及卡車震動等因素影響，采空區(qū)可能逐漸向上垮落，在電鏟等設(shè)備進(jìn)入安全警戒區(qū)作業(yè)時(shí)，需在設(shè)備活動周邊增加跟蹤探測孔。

11）相關(guān)部門須嚴(yán)格按照采空區(qū)探測計(jì)劃要求進(jìn)行作業(yè)。探測孔深度應(yīng)達(dá)35 m 或至煤層頂、底板。在小窯采空區(qū)疑似分布區(qū)域進(jìn)行探測時(shí)，要在炮區(qū)的后排孔外6 m 處布置1 排探測孔。

12）自營探測孔日常驗(yàn)收均由穿爆部門采空區(qū)負(fù)責(zé)人配合，會同地測、安監(jiān)人員進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)收。

13）若檢查探測孔數(shù)不足、深度不夠、相關(guān)信息記錄不全，須重新進(jìn)行探測，在探測過程中如因出現(xiàn)回填層等特殊原因?qū)е聼o法穿至要求層位，應(yīng)在原探測孔周邊重新補(bǔ)孔穿至目標(biāo)層位。

14）對于揭露采空空洞的鉆孔，要進(jìn)行三維空洞掃描，根據(jù)三維空腔掃描成果，要及時(shí)優(yōu)化勘探方案。若由于現(xiàn)場作業(yè)或孔內(nèi)條件等情況不能進(jìn)行掃描時(shí)，需要向四周輻射進(jìn)行探測，直到找到采空空洞邊界。根據(jù)探測結(jié)果分析、計(jì)算采空范圍和體積。

15）每月末分別制定采空區(qū)探測下月計(jì)劃，其內(nèi)容需包括對本月采空區(qū)探測及治理情況的總結(jié)、分析，并根據(jù)分析結(jié)果及時(shí)制定和安排下月采空區(qū)探測計(jì)劃。探測計(jì)劃一定要周密，探測結(jié)果要清晰準(zhǔn)確，不留死角和隱患，為下一步確定科學(xué)合理的治理方案提供堅(jiān)實(shí)可靠的依據(jù)。

3.3 技術(shù)保障措施

1）須確定1 臺柴油鉆機(jī)專門負(fù)責(zé)采空區(qū)機(jī)動探測工作，若出現(xiàn)故障，及時(shí)更換其他鉆機(jī)，保證滿足探測進(jìn)度要求。

2）探測過程中，現(xiàn)場穿孔人員要對發(fā)現(xiàn)的采空鉆孔進(jìn)行素描，以班為單位報(bào)調(diào)度室，調(diào)度室負(fù)責(zé)在作業(yè)會上通報(bào)。若發(fā)現(xiàn)鉆孔有火、冒煙，穿爆人員及時(shí)進(jìn)行堵孔。

3）現(xiàn)場作業(yè)人員若發(fā)現(xiàn)空洞或采空塌陷，應(yīng)第一時(shí)間報(bào)調(diào)度，由調(diào)度通知安監(jiān)員負(fù)責(zé)設(shè)置警示標(biāo)志、安全警戒范圍。

4）對于已探明采空區(qū)的地質(zhì)鉆孔，由地測部人員進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定，并與穿爆現(xiàn)場負(fù)責(zé)人進(jìn)行對接，發(fā)放采空區(qū)標(biāo)定通知單，其內(nèi)容應(yīng)包括現(xiàn)有標(biāo)定位置高程、采空區(qū)高度、距煤頂板深度、預(yù)測范圍及巷道走向等相關(guān)信息。安監(jiān)部門按采空區(qū)標(biāo)定情況和采空區(qū)相關(guān)信息及時(shí)設(shè)立警戒區(qū)域和明顯警戒標(biāo)志，并通知相關(guān)部門，無關(guān)人員和設(shè)備嚴(yán)禁進(jìn)入。

5）對于疑似或未探明驗(yàn)證的采空區(qū)域，由測量人員確定探測范圍并進(jìn)行標(biāo)定，安監(jiān)部根據(jù)范圍及危險(xiǎn)程度設(shè)立警戒。危險(xiǎn)區(qū)，設(shè)立采空區(qū)警示標(biāo)志；嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)，根據(jù)探測范圍設(shè)立警戒帶。

6）對于危險(xiǎn)區(qū)域的端幫干道及平盤半干線，由地測部制定具體探測計(jì)劃和治理措施，未進(jìn)行探測和治理的嚴(yán)禁通車。

7）將地質(zhì)鉆孔資料、勘探鉆孔資料、已發(fā)現(xiàn)空區(qū)資料問題以及問題鉆孔、空區(qū)處理情況匯總并簡要分析后形成《采空區(qū)治理月報(bào)》，發(fā)送礦領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)部門。

8）意外塌落空洞應(yīng)及時(shí)回填，嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)立即標(biāo)記警示，及時(shí)爆破震塌（小范圍爆破）。

9）應(yīng)對每個(gè)采空區(qū)的探測、治理情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，直至采空區(qū)安全渡過。若發(fā)現(xiàn)采空區(qū)有空間變化等情況，及時(shí)通知現(xiàn)場生產(chǎn)部門及時(shí)制定對策。

4 采空區(qū)及火區(qū)治理

在前期對計(jì)劃開采的采空區(qū)全部探明的基礎(chǔ)上，需要結(jié)合采剝計(jì)劃盡快進(jìn)行治理，采空區(qū)作業(yè)人員要佩戴好氣體監(jiān)測儀和自救器等防護(hù)用品。采場內(nèi)采空區(qū)一般采用爆破崩落法徹底放塌，端幫邊坡下采空區(qū)如跨度較小且滿足設(shè)備運(yùn)行的安全厚度，一般用注漿法填實(shí)，以減少端幫運(yùn)輸?shù)缆返闹袛鄷r(shí)間，對于采空區(qū)跨度大而上部道路又不滿足安全厚度的條件時(shí)，應(yīng)重新規(guī)劃端幫車流，必要時(shí)停產(chǎn)，采用爆破法充填后重新修筑端幫道路。

隨著礦坑采剝平盤的推進(jìn)，結(jié)合平盤與采空區(qū)頂板之間的距離、空腔高度和巖土特性等資料，根據(jù)采空區(qū)頂板坍塌自堵塞理論和相關(guān)軟件計(jì)算，來判斷是否滿足設(shè)備作業(yè)安全需求，決定是否需要立即爆破。采空區(qū)爆破后，安監(jiān)部需及時(shí)在爆區(qū)周邊布置警戒，并設(shè)置警示牌。采空爆破效果評估小組進(jìn)行評估，爆破效果一般通過現(xiàn)場爆破塌陷深度衡量[6]，評估認(rèn)為安全，則進(jìn)行作業(yè)，如無法確定轟塌，需要制定安全技術(shù)措施后進(jìn)行二次穿孔爆破。

根據(jù)多年的采空區(qū)治理經(jīng)驗(yàn)，由于采空區(qū)裂隙和鉆孔進(jìn)入新鮮氧氣后，采空區(qū)內(nèi)煤層會迅速產(chǎn)生高溫甚至自燃，采空區(qū)上部地表溫度升高，并產(chǎn)生大量有毒有害氣體，上覆巖體進(jìn)一步跨落，安全性變差。生產(chǎn)過程中應(yīng)避免采空區(qū)大面積裸露，盡量采用即露即按條帶開采的方式，另外目前礦山迫于安全和環(huán)保的雙重壓力，治理采空區(qū)必須成立專門領(lǐng)導(dǎo)組，結(jié)合礦山所遺留得采空區(qū)實(shí)際，靈活選擇快速隔離、灑水降溫、灌漿封堵、三相泡沫滅火等最有效的方法進(jìn)行預(yù)處理、以最快的速度減少煙霧產(chǎn)生，將采空區(qū)的空腔徹底放塌或填實(shí)，采空區(qū)域要快穿快放快采[7]，堅(jiān)決避免有害氣體中毒、早爆及人員設(shè)備陷入等安全事故的發(fā)生。

對坑下零星明火調(diào)用水車滅火，對大范圍的明火要鋪設(shè)管路進(jìn)行注水滅火，必要時(shí)采用三相泡沫滅火[8]，待火區(qū)治理結(jié)束后，人員、設(shè)備方可進(jìn)入。對礦坑端幫下的火區(qū)要進(jìn)行灌漿處理，確保邊坡的穩(wěn)定。對內(nèi)排土場冒煙、著火區(qū)域采用黃土覆蓋，確保無有毒有害氣體逸出。對高溫火區(qū)進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，必須經(jīng)降溫處理合格以后，方可快速裝藥爆破。在有毒有害氣體疑似區(qū)域作業(yè)時(shí)，每班進(jìn)行2 次有毒有害氣體濃度監(jiān)測，并做好記錄報(bào)調(diào)度備案。有害氣體濃度按照規(guī)程有關(guān)規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行，超過即撤離人員。

5 結(jié)語

在安太堡礦日常生產(chǎn)中，采空區(qū)、火區(qū)存在安全隱患，給安全生產(chǎn)帶來一定的危害。采空區(qū)、火區(qū)探測治理按照“有疑必探、有空必治、先治后采”的管理原則，根據(jù)露天礦各平盤的采掘情況，適時(shí)進(jìn)行采空區(qū)探測和及時(shí)的有效治理，將隱患提前消滅在萌芽之中，且現(xiàn)場人員嚴(yán)格遵循采空區(qū)安全措施作業(yè)，才能有效實(shí)現(xiàn)露天礦過采空區(qū)、火區(qū)的安全生產(chǎn)。