露天煤礦采空區及火區探測的技術研究

呂曉勇

（山西焦煤集團正仁煤業有限公司閆家溝露天煤礦，山西 忻州 036411）

·試驗研究·

露天煤礦采空區及火區探測的技術研究

呂曉勇

（山西焦煤集團正仁煤業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，采空區及火區多，范圍不詳，對露天采煤影響很大。查明這些特殊區域，以便在生產中提前采取預防措施，對采礦安全及提高采空區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穿孔探測采空區，將兩種探測成果進行對比，確保在探明空巷、火區、積水的過程中不留任何死角，并提出在確定采空區及火區的具體位置后，采用爆破充填法及黃泥注漿法處理采空區及火區。

露天開采；采空區；火區；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穿孔探測采空區的具體位置，將兩種探測成果進行對比，確保在探明空巷、火區、積水的過程中不留任何死角。確定特殊區域位置后應采取措施，杜絕發生采掘設備在空巷作業時頂板突然垮落，高溫區域在爆破時出現事故等。

1 礦區簡介

山西焦煤集團正仁公司閆家溝露天煤礦是2009年根據山西省政府資源整合精神，整合原偏關縣閆家溝、高大、同強、晉風礦等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，保有地質儲量6 712萬t。經過對閆家溝礦區采掘歷史進行調查，由于資源破壞嚴重、不具備綜采裝備布置條件、煤層火區及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，煤層頂板炭質泥巖平均厚度4 m。

2 研究解決問題的技術關鍵

閆家溝礦井田由于多年的無序開采，礦區存在為數眾多且大小不一、范圍不詳的采空區、火區。調查顯示這些區域開采范圍并不大，絕大部分是以掘代采，它們有的相互連通、有的重疊，更多的是相互獨立、縱橫交錯。這些未知采空區的存在，將會嚴重影響露天開采的安全生產。

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，造成人員傷亡或設備損壞。

2）確定火區位置及范圍，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、火區的辦法

1）采用地面高密度電法探測。

電法探測是研究地層電學性質及電場、電磁場變化規律的學科。它是根據所研究地質對象的電性差異，通過儀器測量其電場大小，進而研究電場的分布規律，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體的狀況，從而取得地質結論。目前，電法探測是巖土工程勘測及探測斷層、采空區最好的方法之一。

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

高密度電法的基本原理與傳統的電阻率法完全相同，不同的是在觀測中設置了較高密度的測點，現場測量時，只需將全部電極布置在一定間隔的測點上，然后進行觀測。由于使用電極數量多，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及火區的范圍并繪圖。

2）采用打鉆排除法逐步縮小探測范圍。

根據高密度電測法探知的采空區及火區范圍，在此范圍內，露天開采剝離至距13＃煤頂板10m時，采用BZC-150自走式正反循環鉆機按設計線打鉆，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，如果鉆孔沒有采空區，可以正常剝采；如果存在采空區，需進一步縮小鉆孔間距，確定采空區的具體位置。

具體辦法：在發現采空區的鉆孔周圍按5m×5 m的間排距布置鉆孔，示意圖見圖1。

圖塊一、二區域沒有發現空巷，可以正常剝離采煤；圖塊三區域發現采空區，在發現采空區的設計線中間再布置鉆孔，將采空區位置精確到2．5m范圍內。最終確定采空區或空巷的具體位置，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

根據探測獲得的采空區及空巷實際位置，距13＃煤煤層頂板10m水平向下部的空區鉆孔，鉆孔深度9m（距煤層頂板1m），編制爆破方案，實施采空區爆破處理施工。要注意，在進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。有關爆破參數計算如下：

底盤抵抗線按下式計算：

式中：

Wp—底盤抵抗線，m；

h—臺階高度，m。

經計算：

Wp=（0．65～0．75）×10=6．5～7．5m，取7m。

孔距可按下式計算：

式中：

a—孔距，m。

經計算：

a=（0．7～1．1）Wp=4．9～7．7m，取6m。

排距可按下式計算：

式中：

b—排距，m。

經計算：

b=（0．86～0．9）×6=5．2～5．4m，取5m。

炸藥單耗可按下式計算：

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。

經計算：

每孔裝藥量可按下式計算：

式中：

A—爆破寬度，m，取18；

np—鉆孔排數。

經計算：

3．2 對火區采取的措施

采用黃泥注入法處理。從火區上部剝離臺階向著火區打眼，用高壓泵將黃泥注入，使火區處于完全封閉狀態，起到滅火作用。同時制定滅火作業各環節的安全措施及規程，嚴格按照設計治理方案進行開挖、清除及填埋火源。

1）當鉆孔打到火區時，一般會有氣體溢出，應及時調來灑水車往孔內灌水，灌滿確保安全后，方可繼續打孔裝藥，盡快爆破。

2）設備及人員嚴格限制在火區上方作業及通行，滅火作業采用端部開挖及推進方式，避免人員及設備墜入火區。

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

4）挖掘作業由火區邊緣向火源中心進行，邊降溫邊挖掘。

5）挖掘出來的灼熱體、燃燒體殘渣，必須采取降溫、滅火措施，防止火區范圍進一步擴大及產生次生污染。此處，灼熱體應排放到煤系地層以外。

6）爆破作業要避開明火區，高溫區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，確保爆破作業的安全。

7）汽車在火區作業時，司機應精神高度集中，經常觀察火區情況，不準將車停在水煤氣涌出處和明火高溫區上，防止中毒和車體著火。

4 結束語

通過利用電法和鉆機穿孔探測采空區的具體位置，科學合理地編制處理方案，能有效地消除采空區及火區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］ 中煤國際工程集團沈陽設計研究院．GB 50197-2005煤炭工業露天礦設計規范［S］．北京：中國計劃出版社，2006：19-21．

［2］ 安建修．山西焦煤集團正仁煤業有限公司生產礦井地質報告［R］．忻州：山西省地勘局211隊，2010：3-7．

［3］ 董浩斌，王傳雷．高密度電法的發展與應用［J］．地學前緣，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年畢業于山東礦業學院，工程師，主要從事煤礦生產管理工作（E-mail）zrgslxy＠126．com