赵二夫，王生成，刘玉福

（1.神华准能集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2.内蒙古兴隆能源集团公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

鄂尔多斯地区煤炭开采初期，主要采用小煤窑井工开采方式，形成的采空区地表塌陷、裂缝严重[1-2]。在露天开采的资源范围内，关闭了好多小煤窑，形成的采空区高度、宽度、形状各不相同，采空区的垮落高度、范围、形式各异，但处理方法雷同[3-4]。通过探访当事人、收集不完整的原始图纸和记录以及在准格尔旗蒙祥露天煤矿开采过程采空区处理的实践中，发现准确掌握采空区垮落方式和高度是保证安全度过采空区的关键，为此重点分析垮落方式和计算垮落高度。

1 煤矿概况

蒙祥露天煤矿地处内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗东部，在黑岱沟露天精查区的东南部，由原城坡井工煤矿和邻近部分资源整合而成，通过技术改造，形成规模为1.8 Mt/a 的露天煤矿。采用单斗-卡车开采工艺，主采设备为2 m3液压铲和30 t 自卸卡车。

可采煤层为6#、9#煤层，6#煤为主采煤层，全区可采，6#煤层厚度7.86～30.44 m，平均18.85 m，含夹矸层数为1～6 层，顶板以黏土岩、粗砂岩为主，属坚硬-半坚硬岩石。6#、9#煤层的间距为3.45～16.01 m，平均8.89 m，层间岩性以砂岩为主。

地下水位多在百米之下，补给来源以大气降水为主，但由于泥岩、高岭石泥岩、砂质泥岩等隔水层的存在，大气降水渗入补给量甚少，以裂隙、孔隙充水为主，水文地质条件简单，工程地质条件中等。

2 境界内5 座小煤窑开采情况及危害

在3.5 km2平方公里范围的露天开采境界内有5 座小煤窑，从调研和揭露的采空区痕迹看分为4个时期：①初期小煤窑从煤层露头开挖，巷道断面积小于2 m2，深度小于50 m，人工开采；②中期用蓄力胶轮车运输，巷道宽3 m，每掘进9 m 挖1 个直径9 m 左右的圆柱体；③后期使用四轮机动车运输，炮采落煤，巷道宽3.5 m，每掘进9 m 左右各挖1 个边长9 m 的正方形；④关闭前用农用汽车运输，30 型装载机装载，巷道宽4.2 m，每掘进9 m 挖1 个长9 m宽80～120 m 的长方形，开凿立井通风。各时期采高都是6～10 m。由于多年的无序开采，采空区连片，巷道密布，但又无翔实资料。

部分采空区上方地表裂缝、塌陷、冒烟，在矿田南部形成一定的自燃火区[5]。在露天开采过程中采空区严重威胁安全生产和生产秩序：①设备和人员有塌落采空区的危险；②采空区伴随煤炭自燃形成高温孔，存在装药爆破隐患；③剥离、采煤生产接续困难。

3 采空区垮落高度和安全厚度

3.1 蒙祥露天煤矿采场小煤窑采空区垮落形式

经钻孔探测和分析得知，已经垮落的采空区，垮落高度随着采空区原挖掘高度和宽度的变化而变化，煤层顶板岩层越软垮落高度越高[6]，此部分给整个生产过程造成很大的威胁。采空区未垮落的部分，分析原因是采空区原挖掘宽度窄和煤层顶板坚硬未此破碎裂缝所致，部分对生产安全影响小，只要探测准确采取后续的爆破塌落措施即可安全采掘。

3.2 采空区垮落高度的经验公式

当煤层顶板是中硬岩时，露天煤矿普遍采用计算采空区垮落高度的经验公式[7]：

式中：Hm为垮落高度，m；ΣM 为累计采厚，m。

按式（1）计算蒙祥露天煤矿采空区垮落高度是16 m，规程规定设备在其上作业的安全厚度是垮落高度加10 m 覆盖层厚度，即采空区上设备作业的安全临界厚度为26 m。该矿在开采过程中多次发生工作面突然塌落的情况，实测垮落高度距离采空区顶板都在20～30 m，超出公式计算的垮落高度16 m范围。

3.3 生产现场计算安全厚度的简化计算式

为保证安全，采取了距离煤层顶板以上40 m，地毯式全部钻探的办法，彻底查清和掌握垮落区与工作面的距离以及采空区的宽度和垮落区的高度。按照该矿实际开采过程统计数据，其设备在采空区上作业的安全厚度的经验公式：

式中：M 为安全厚度，m；Hms为钻孔探测后的实际垮落高度，m；B 为采空区宽度，m。

垮落高度与原采空区宽度有关，式（1）与现场实际垮落高度不完全一致的主要原因是未有考虑采空区宽度，同时多个煤层采空区且煤层间距大时偏差更大，是由于采用累计采厚引起的。

为了方便计算，现场另行定义实际安全厚度Ms，即以探测到的实际垮落高度的顶端算起的厚度，因此经验计算实际安全厚度简化计算式为：

式中：Ms为实际安全厚度，m；B 为采空区宽度，m。

采空区宽度、垮落高度的顶点值都是钻探得到的，由此可以计算出实际安全厚度，进而推算出设备安全作业平台标高。

这里特别说明，式（3）是一种特定条件下的经验和计算方法，推算出的简化计算式仅在此条件下适用。如境界内采空区密集，必须进行地毯式的钻孔探测，确切的掌握位置和尺寸，采取处理措施，方可安全度过采空区。

4 蒙祥露天煤矿采空区处理方法

4.1 推算作业安全平台标高

物探查范围、钻探定位置。钻探采空区的钻机布置在距离煤层顶板以上40 m 的平盘钻孔，钻探和爆破塌落孔布置相同，孔、行距都为8 m，梅花形布孔，发现采空区的孔用RTK 定位，同时绘图记录，取得数据分析确定采空区情况。钻探得到垮落高度的顶点数值和采空区宽度数值，根据经验简化计算式计算出实际安全厚度，进而推算出采装设备作业安全平台标高备用。

4.2 采用爆破塌落方法充填采空区

1）实施爆破。采取爆破塌落采空区的办法，用常规加强松动爆破的药量，重点关注上下自由面抵抗线大小，爆破范围要适量扩大，防止采空区不完全塌落。起爆顺序是由采空区中部向外部逐圈起爆方式[8]。

2）钻孔探测和实施爆破具体措施。在已知采空区的范围内要进行全部钻探，彻底查清采空区垮落高度、宽度等情况。钻透采空区的钻孔必须封堵，防止引起煤层自燃或形成高温孔。查明的采空区实施爆破塌落时要有专门的爆破设计，要实施加强松动爆破，保证采空区彻底塌落。采空区爆破往往伴随高温孔，要严格按照高温孔爆破安全规程作业。若有塌孔无法装药时可以用PVC 管装药。

4.3 采空区上实施采掘和运输作业的措施

1）采掘和运输设备布置。采掘和运输设备布置在上述推算出的实际安全标高平台作业，若出现安全平台标高与上方临近平盘标高相差太大时，可以在采空区一定范围内设定1 个临时平盘作业，待跨过这个采空区之后再恢复到原平盘。

2）具体措施和注意事项。选择实际安全厚度以上的平盘进行挖掘和运输作业。挖掘到已经爆破塌落的采空区时，挖掘机要在采空区两侧挖掘，尽量避免在爆破塌落采空区的正上方作业。大于实际安全厚度的平盘上车辆可以通行，但运输主干道要避免设置其上，同时要配备自吊车、急救器和耐火绳等，以备不测之需。

5 结语

露天煤矿采场内井工开采的小煤窑形成的采空区，由于挖掘高度和宽度、煤层顶板岩层强度的不同，采空区的垮落高度、范围、形状各异，在准格尔旗蒙祥露天煤矿开采过程的实践中，分析出特定条件下采空区垮落形式，依据特定条件，总结出1 套钻孔探测垮落高度位置和现场计算实际安全厚度的计算式、爆破塌落处理采空区的具体做法和试验得出的可靠经验，可以在其它露天煤矿遇到小煤窑采空区处理时参考。