平朔东露天矿采空区治理措施

郭炯;吕建洲;赵俊;何峰;韩峰;姚国栋

【摘 要】通过分析平朔东露天矿开采境界内采空区独有的特点,结合露天煤矿生产实际,得出采空区的治理原则.根据采空区的不同种类提出不同的治理方法,在此基础上,详细分析了运用深孔爆破法进行采空区治理,对其他露天矿山具有借鉴和指导意义.

【期刊名称】《露天采矿技术》 【年(卷),期】2016(031)005 【总页数】4页(P20-23) 【关键词】采空区;深孔爆破;治理

【作 者】郭炯;吕建洲;赵俊;何峰;韩峰;姚国栋

【作者单位】中煤平朔集团有限公司 东露天矿,山西 朔州 036000;中煤平朔集团有限公司 东露天矿,山西 朔州 036000;中煤平朔集团有限公司 东露天矿,山西 朔州 036000;中煤平朔集团有限公司 东露天矿,山西 朔州 036000;中煤平朔集团有限公司 东露天矿,山西 朔州 036000;中煤平朔集团有限公司 东露天矿,山西 朔州 036000

【正文语种】中 文 【中图分类】TK325+.4

平朔东露天矿开采范围内的采空区，因其所在位置和处理目的与一般地下采空区不同，所以它具有以下特点：

1）东露天采空区的处理目的与地下采空区不同，其开采境界内采空区的处理目的是把采空区及周边岩石挖出来，不影响露天矿的正常推进；

2）矿田开采范围内采空区处理方法可以分为地下处理和露天处理2大类； 3）东露天矿在剥采过程中各种动载荷（卡车、钻机、爆破等）会直接影响采空区的稳定性，采空区周围岩石的剥离会导致采空区的应力不断重新分布；

4）东露天开采境界内的采空区大多是由小窑私挖乱采造成的，无详细资料可供参考，采空区具有随机性；

5）采空区大小、形状、高低各异，都未实施充填。

由于东露天矿境界内采空区具有以上特点，本着安全高效开采的目的，采空区治理应当遵从的总原则为以人为本、安全可靠、施工方便、技术可行、经济合理。具体的治理方案应当满足以下要求：①治理方案要适合采空区的特征，治理过程中要确保作业人员和设备的安全，并且要保证治理的效果；②治理的整个过程中都要配置地压监测，防止出现大型作业设备和人员陷落采空区；③对露天矿台阶下部不明朗的情况，必须遵循先探后处理，然后进行开采的原则；④提高治理效率，增加资源回收率，减少资源浪费，确保采空区治理能满足正常生产进度的要求，做到采空区处理与采矿一体化；⑤要尽量利用现有的工艺和设备，减少新增工艺和设备，方便现场管理和减少工程投资，降低治理费用。

根据采空区在东露天矿境界范围内的空间位置、特点及治理原则，将其分为采场下部采空区、边坡下部采空区及运煤巷道前方采空区3种情况分别处理，考虑到运煤巷道前方采空区涉及到运煤巷道的具体布置及井工矿相关内容，主要以露天矿山为主，故不予考虑。

目前，国内外采空区治理方法可分为封闭法、充填法、地下峒室崩落矿柱法、小孔径崩落矿柱法、露天采场深孔爆破法、抛掷爆破法等[1]。

封闭法适用于处理小范围的、单独的、对周边没有影响、可以自由塌陷的采空区。

对于露天开采境界内的采空区，封闭法是不可行的，但对于原煤运输巷道影响区的治理有一定的适用性。

目前充填法在我国比较成熟，根据充填材料的不同，有多种充填方式，主要有干式、高浓度全尾砂、膏体胶结和高水速凝全水固化胶结等，这些充填法在技术上都是可行的。它的本质就是将采空区填实，不让其塌陷，适用于井工开采遗留的采空区，然而对于露天开采来说，充填后还需将其剥离出来，增加了剥离物，增加了投资和开采成本，同时工艺增多，不便于现场管理。所以充填法不适用于露天采场下部采空区的治理，但对于露天矿边坡下的采空区治理及运煤巷道影响区采空区的治理有一定的适用性[2]。

地下硐室矿柱崩落法和小孔径矿柱崩落法，一般适用于露天开采境界内井工回采所留煤柱以及采空区顶板岩石破碎严重的采空区处理。它比较难实施，工程投资较大，效率低下，所以也不宜采用。

抛掷爆破法分为硐室抛掷爆破和钻孔抛掷爆破，峒室爆破法主要用于巷道还在的采空区。由于露天矿境界内采空区大都没有具体的巷道，不适用。而钻孔抛掷爆破需要配合岩石的抛掷爆破来进行，它具有以下特点：①台阶高度大，上部作业设备离采空区顶板距离较远，大于上覆岩层安全厚度，设备作业安全；②装药量大，顶板垮落充分，充填的较密实；③大块率较大，还须二次处理[3]。

露天采场深孔爆破法就是利用露天矿生产所用深孔爆破法来处理采空区同时达到爆破岩石的目的。相比较前面的几种方法，露天采场深孔爆破法把露天矿采空区处理和爆破岩石紧密结合在一起，具有投资少、施工技术简单、安全可靠等优点。因此，把它用于露天采场内采空区处理是比较理想的。

综上所述，东露天矿选用深孔爆破法处理露天采场下部的采空区，而封闭法和充填法对于治理露天煤矿边坡下及原煤运输巷道附近的采空区可部分使用[4]。 采空区爆破不再是东露天矿正常生产时的深孔松动爆破，而是加强抛掷爆破效果，

同时为了提高充填程度，要求爆破后岩石粒度要适中，不能有大块，因此有必要对现有的深孔松动爆破技术进行改进： 3.1 炸药单耗

深孔爆破法处理采空区的炸药单耗按加强抛掷爆破来选取，根据工程实践，一般取常规深孔松动爆破单耗的1.3～1.5倍，东露天深孔松动爆破炸药单耗为0.4 kg/m3，因此，取炸药单耗为0.5～0.6 kg/m3。 3.2 最小抵抗线W

深孔爆破法处理采空区时，与正常生产时的深孔松动爆破的不同在于：①深孔爆破法处理采空区必须保证岩石破碎度以达到充填密实的目的；②爆破自由面不在是爆露空间；③最小抵抗线不仅受台阶高度影响，还受钻孔深度的影响；④最小抵抗线与孔径成正比；⑤正常生产的深孔松动爆破的最小抵抗线，一般是固定的，而深孔爆破法处理采空区时爆破的最小抵抗线由式（1）来计算，最小抵抗线示意图如图1。

最小抵抗线的计算公式如下：

式中：W为最小抵抗线，m；hz为处理采空区时钻机所在水平到采空区顶板的高度，m；hk为采空区高度，m。 3.3 布孔方式

露天矿深孔松动爆破较多见的有单排布孔、多排布孔2种布孔方式。多排布孔按布孔所成的形状分为三角形、矩形和方形3种。选用三角布孔方式，即孔、排距之比约为1.15。

一般可通过给定不同的孔、排距得出相应装药结构，通过比较选择最优布孔方式。穿孔过程中，为了及时准确掌握采空区上覆岩层厚度情况，钻孔过程中每隔3～4个孔打1个穿透孔，这样就可以根据采空区上覆岩层厚度变化及时调整钻孔的深度。

3.4 装药方法

钻孔有2种常见的装药方式即正向装药、反向装药。以正向装药进行的爆破称为正向爆破，反之为反向爆破。与正向爆破相比，反向爆破具有的优点：①更加充分的利用炸药的能量；②爆破效率高，引药位于眼底，传爆方向由眼底传向眼口，这样炸药就能充分反应，能量大，更加有利于克服眼底岩石的作用；③在发生呆炮情况下，正向爆破容易产生瞎炮，而反向爆破则不会。因此，采取反向装药方式，对于未打穿采空区的钻孔，具体装药方式如图2。

对于打穿采空区的钻孔，首先将略小于炮孔的圆木或编织袋等物件扎成球状型形成柱状填充物，再用8号铁丝紧紧将其固定在距顶板约0.5 m处，最后用较大的石块后用炮灰充填，不断测量充填的长度，直至符合要求，然后按爆破设计进行装药，具体装药方式如图3。 3.5 起爆孔的确定

深孔爆破法处理采空区有2个自由面：上部台阶平盘和采空区，同时，采空区顶板体积远小于采空区体积，爆破的目的是经过爆破让采空区顶板崩落，来充填采空区。因此，起爆孔应选在采空区顶板的几何中心，并以掏槽爆破的方式起爆。采空区的顶板的几何中心可由三维激光扫描来确定。 3.6 起爆方法及网路连接

起爆方法采用露天矿常用的导爆管起爆。网路连接采用非电导爆管微差起爆网络。根据实际情况，灵活采用排间、“V”型、梯形、对角线等微差逐孔起爆顺序。 3.7 效果检验

用深孔爆破法处理采空区，最后处理的效果可用下式检验：

式中：ht为爆堆塌落深度，m；hkp为采空区平均高度，m；k0为周边孔引起土岩净抛出系数，5%；k为围岩碎胀系数，根据爆破岩石性质一般取1.25～1.35。 若实际塌落深度≥ht，则可判定采空区基本塌落并充填密实，爆破处理达到预期目

的。反之，则采空区没崩落不彻底或没有崩落，这时就要对采空区进行二次处理，二次处理前需对采空区封闭。二次爆破处理前，由台阶两侧围绕采空区周围向中央逐渐向前推进，一边向前推进一边探测，在采空区边界布置钻孔，了解采空区的情况，当推进至采空区边界时停止，接着在安全区域对采空区顶板侧边打倾斜炮孔，再次爆破处理。通过以上对深孔爆破技术的改进基本可以达到利用深孔爆破处理采空区的目的。

爆破法处理采空区产生的震动会破坏边坡岩体的整体性，改变边坡岩体的应力状态，严重影响边坡的稳定。因此露天矿边坡下部的采空区不能用爆破法进行处理。对于这类采空区，用充填法进行处理较为合理。同时，由于露天边坡属于非工作帮，不存在充填物的二次剥离，同时随着内排工作的进行，充填后的采空区被剥离物覆盖，暴露时间较短，所以充填方案可行。根据选择充填材料的不同常见的充填方法主要有干式、膏体胶结、高水材料3种[5-6]。

干式充填法是把露天煤矿的剥离物当作充填材料，利用通往采空区内部的钻孔、巷道或天井将充填物料注入采空区中，这样充填物料可以有效的支持采空区顶板，防止采空区顶板垮落，达到有效控制采空区上部平盘地压和防止平盘塌陷的目的。 干式充填法治理采空区有2个先决条件：①详细、准确地了解采空区的具体位置和大小以及与周边采空区的关系，确保所充填采空区是独立的、封闭的，以防充填脱水和充填物料流失；②有直通采空区的钻孔、巷道或天井，这样充填物料就可以直接到达采空区，避免充填物料的浪费，同时可以更密实的充填采空区。 膏体胶结充填就是把煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、河砂等在一定的物理化学作用下制成不脱水的、浓度一般在76 %～85 %、不析水的牙膏状浆体。在一定外力作用下把浆体通过管道注入采空区内，膏体形成的胶结充填体密实的充填在采空区内，这样胶结充填体就可以有效的支持采空区顶板，防止采空区顶板垮落，达到有效控制采空区上部平盘地压和防止平盘塌陷的目的。

膏体充填的特点：①浓度高，与普通水砂充填材料相比，膏体充填材料浓度很大；②流动状态为柱塞结构流，充填均匀；③由于膏体充填材料的不沉淀、不泌水、不离析特性，提高了充填密实程度；④无临界流速，降低充填成本。⑤压缩率低，一般压缩率只有1%左右。

新型高水速凝充填材料简称高水材料，是有A、B 2种组成。其中A料是由95 %～98 %的熟料和2 %～5 %添加剂组成，B料是由65 %～80 %的石膏，20 %～35 %的石灰和2 %～5 %的添加剂组成。

高水材料充填法的特点：①高水材料结实体能完全接顶；②减少工人的工作量；③成本低；④充填密实程度高。

充填法用于露天矿边坡下部采空区的治理，其优势在于：①充填后，采空区几乎是稳定的，充填效果较好；②充填后，采空区上部台阶即可恢复正常作业，充填见效快；③由于充填的物料粒度小，充填密实。充填法的缺点为：①采空区内部情况复杂，在采空区外部作业难度大；②需额外的施工队伍和材料，成本较高；③需在采空区上部台阶作业，安全性差。针对东露天矿的特点及边坡的时效性，使用干式充填法来处理边坡下部采空区。

1）分析了东露天矿采空区的特点，以此为基础提出了采空区的治理原则。 2）根据采空区在东露天矿境界范围内的空间位置，将采空区分为露天采场下部采空区、露天矿边坡下部采空区及运煤巷道前方采空区3种情况，分类别提出采空区治理方法。

3）对露天采场下部采空区利用深孔爆破法进行详细的说明。

【相关文献】

［1］刘记鹏，尚涛，赵俊，等.露天矿采空区分析处理［J］.露天采矿技术，2012（3）：11-13. ［2］曹祥伟，蔡寅峰，郭忠林.采空区处理技术的分析研究［J］.铜业工程，2005（1）：27-29.

［3］潘懿，崔继强.露天矿山下覆复杂采空区处理技术应用研究［J］.采矿技术，2013（6）：81-83.

［4］梁钰.采空区处理新方法研究与应用［J］.科技视界，2013（32）：350.

［5］徐江，崔栋梁，陈琪.金属矿山采空区处理方法综述［J］.黑龙江冶金，2007（4）：39-41. ［6］千海洪，邓秀艳，徐荣军.高台阶崩落法处理复合采空区的应用实践［J］.工程爆破，2007（3）：45-47.