浅析露天矿过采空区应对办法

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【摘 要】平朔矿区主采煤层为4#煤、9#煤及11#煤，周边小窑采空区遗煤产生自燃，浪费了煤炭资源，造成了环境污染，给露天煤矿安全生产带来极大的危害。本文根据采空区的性质，采取相应的探测、处理措施，从而保证了人员、设备的安全。

【关键词】采空区；自燃；防治

0 概述

随着资源整合的推进，近几年关闭的地方矿规模不一，采掘不规范，形成的采空区形状各异，大小、高低不一，位置复合交错，分布极其复杂，甚至存在越层越界开采的现象。平朔矿区属典型的黄土高原地貌，煤层埋藏较浅，裂隙发育，老空区遗煤自燃后向纵深发展，形成大面积的高温火区，同时产生大量的有毒有害气体。加之，相关技术资料不完善，与实际情况不吻合，给当前的钻探工作带来了很大的困难，为露天开采留下了严重的安全隐患：

（1）对人员的伤害。钻孔或垮落裂隙会冒出有毒有害气体，对钻机司机及相关人员造成人体伤害。

（2）对设备的危害。当钻机、电铲、卡车等设备正在采空区上部作业时，如果采空区上覆岩层突然垮塌，设备就会倾翻或陷落于塌陷区，造成设备损坏等事故。

（3）对作业的危害。例如，在爆破装药过程中，老空区煤层自燃引起的高温可导致已填充的炸药发生早爆事故，在爆破过程中，采空区积聚的可燃性气体可能被引爆，从而造成人员伤害及设备财产的损失。

1 采空区的分类

按温度可分为常温区和高温区：当温度低于50℃时为常温区，此类采空区主要将其范围通过探测方法进行确定；当温度高于60℃时，属高温区，应进行灭火降温处理（参见火区灭火方法）；介于50-60℃时，应观测一段时间后再进行相应处理。测温常用红外线测温仪简单可靠。

按有无毒气分为普通区和有毒有害区；一般高温区都是有毒有害区，这就需引起特别注意，进入该区域的相关人员必须佩戴隔绝式自救器，以防中毒。同时使用气体检测仪和测温仪检测各种气体浓度及温度，当超标时应迅速撤人，有毒有害区严禁一个人单独作业。普通区即常温无毒的采空区域，主要防止采空区塌陷，相关人员及设备掉入采空区。

按采空区面积分为相对安全区和危险区。相对安全区主要指早年人工采掘后采高、采宽小于2m，没有自燃发火现象的区域。20世纪90年代以后，这类采空区就很少了，大部分采空区是危险区，尤其是乱采滥挖，越层越界更带来了不确定性，这也就给我们现在露天开采带来了极大的危害。

2 采空区的处理

2.1 采空区的探测

目前采空区常见的定位方法以物探为主，地质钻探为辅并作验证。常用的方法有重力法、直流电法、瞬变电磁法、高密度电法、钻探探测法和三维激光探测法等。

露天矿应先探明钻机、卡车、电铲所在位置是否有隐伏采空区的存在的迹象，根据钻探中有无掉钻具、钻进速度是否变快，进给风压是否变小、钻孔是否漏浆或严重踏孔等现象，来判断有无采空区的存在。深孔钻探能探明采空区顶板厚度、采空区高度和采空区的平面位置，相对作业量较大。

2.2 安全厚度的计算

鲁佩涅伊特法是在普氏理论的基础上考虑了采空区的跨度、顶板岩性和露天设备重力作用所产生的应力对顶板岩体的影响，根据力的独立作用原则和叠加原则，计算在顶板自重和设备重量作用下不同跨度和厚度的顶板应力，用最大拉应力来确定顶板的安全厚度。其顶板最小安全厚度计算：

根据上述公式，平朔矿区岩石性质和结构得出顶板最小安全厚度是8-10m。当顶板厚度不足8米时，设备应该撤离。

3 火区灭火方法

根据各地实际情况和可能出现的特殊情况，可采取以下灭火方法：

（1）爆破挤压法：在火区火势不大，范围较小的条件下，将采空区上部的煤岩进行穿孔爆破，受爆破影响，致使采空区完全垮落，火区因隔离空气而熄灭，必要时可以适时适地进行注水降温，再用电铲把物料沿底层一次全部采出或挖空，从而快速、高效、安全地通过采空区。

（2）注水灭火法：注水途径有地表注水、钻孔注水，但注水主要是达到降温控制，对火区不能根本性解决，因为火势是沿煤壁燃烧，而注水可能进入采空区中部，不能直接到达发火部位，只有在没有发火，而温度偏高时（50-70℃）的采空区进行注水降温。

（3）惰性气体法：由氮气、氩气以及二氧化碳气体按一定比例混合而成，主要利用惰性气体来稀释燃烧反应区的氧气浓度，使得氧气浓度小于燃烧所需的最低浓度，破坏其助燃环节。它是一种绿色环保的灭火方法。

（4）三相泡沫法：这是煤矿防治自燃发火的有效方法，是由固态不燃物（黄泥或粉煤灰等），惰性气体（N2）和水三相防灭火介质组成。在浆液中加入一定比例的发泡剂和稳定剂，通过三相泡沫发泡器形成泡沫，集固、液、气三相防灭火介质的防灭火性能于一体。此项技术在平朔公司安太堡露天矿火区治理中取得了较好的效果，但该方法成本较高。

4 采空区防治措施

开采范围较小，无自燃发火的采空区（即相对安全区），通过钻机打孔探测，在顶板大于5米时，采用我公司现有的DM25钻机穿孔，操作时尽量不要穿透，若穿透再在近距离打不穿透的平行孔，然后装药爆破，一次性装运通过采空区。但是煤巷采空区，采掘设备挖掘原煤时，注意老空内遗留的废旧铁块（如轨道、锚杆等）会损坏选煤厂运输皮带。

开采范围较小，有自燃发火的采空区可采取爆破挤压法。

开采范围较大时，无自燃发火的采空区，先通过钻孔探测其范围，当顶板厚度大于8m时，可以用DM50及以上（指设备净重）钻机穿孔，操作时尽量不要穿透，以利于装药；当顶板厚度小于30m时，尽量采取一次性穿孔，高段爆破，使临近的采空区容易受爆破影响而垮落，从而保证采装设备及人员的安全。

开采范围较大时，有自燃发火的采空区，先通过钻孔探测其范围，用气体检测仪和测温仪检测各种气体浓度及温度，当超标时应停止作业，迅速撤人，在采取一定技术措施及相应的灭火方法后再进行处理。当顶板厚度大于8m时，用孔径大于200mm以上钻机穿孔，穿透的孔及时将孔口封堵并做好标记，每台设备必须配备2人以上，做好防护措施诸如便携式自救器、防毒面具、防火手套等，保持通讯畅通，消防器材安全有效，作业在白天进行，火区温度较高时，特别注意电钻的电缆及柴油钻的油路系统，交接班或不作业时将设备停到安全地点。当顶板厚度5-8m时，应采用DM25钻机由外向内探孔，司机及组长勤于观测，以便于突况及时应对，保证人员、设备安全。爆破作业时，做到每孔必测，做好防治保护工作，在炮区无风环境下作业更应特别注意，火区作业人员要更替作业。高温孔地表网络连接，在常温孔地表网络连接完以后，经降温处理好的高温孔快速装药充填后进行地表网络连接，最后连接高温孔的控制排。采空区周围要设立警戒线，严禁无关人员进入。

5 结论

针对露天矿采区内小煤窑的分布特点，采用不同的探测方法，然后进行有效的采空区处理，取得显著的效果，保证了生产的顺利进行。

【参考文献】

[1]《采矿手册》编辑委员会.采矿手册[M].北京冶金工业出版社，1990.

[2]刘志祥.露天与地下联合开采安全隔离厚度研究[J].矿业研究与开发，2006，5（26）：20-21.