烟台鑫海矿业技术装备股份有限公司 山东 烟台 265500
摘要：为保证地下转露天采矿的顺利实施，分析了地下采空区的危害及探测技术。从易探测和处理的角度，对地下开采形成的采空区进行了分类。分析表明，采空区对露天生产的危害主要表现在经济效益下降、生产连续性困难、威胁生产安全和增加爆破难度四个方面。物探方法是探测采空区的一种实用方法。本文简要介绍了该方法。
关键词：地下转露天开采；采空区危害；探测技术
1 前言
露天开采以其资源利用充分，生产效率高，成本低，劳动条件好等优点，在我国煤矿开采中所占的比例日益增大，但长期以来，我国许多小煤矿采用房柱法等空场类方法采矿，关闭时留下了许多采空区。这些空洞大小、位置和深度具有不确定性，而且随着露天开采的进行和时间的推移，空洞逐渐塌落，实际空洞层位难以掌握，由于地下采空区顶板坍塌是隐蔽的，事先几乎无任何先兆，一旦发生冒落破坏，造成的后果相当严重，该矿的特大型设备在采空区上部作业存在重大安全隐患，设备一旦掉入采空区，就可能造成人员伤亡和设备损坏。为了避免事故，实现安全开采，对分布在露天煤矿境界范围内的采空区（空洞）进行全面勘查，对已探明的空腔体进行稳定性评价和有效治理，才能从根本上保证露天采矿作业设备与人员的安全。
2 采空区危害
地下开采形成的采空区不仅降低了露天开采的经济效益,而且威胁到生产作业安全。
2.1经济效益降低
在开采地下矿产资源后，将采空区改造成露天开采，减少了可采储量，降低了露天开采的经济效益。地下开采不仅会产生一定的资源，而且会导致露天开采成本的增加和矿石品位的降低，从而进一步降低露天开采的经济效益。
2.2生产接续难度加大
露天矿生产中，通常采用剥采比，以保证生产的稳定性。然而，采空区的出现会造成大量的剥采工作，给生产管理带来困难。
2.3威胁生产安全
采空区对露天矿安全生产的影响主要是由围岩变形恶化引起的。在时间效应、水化作用和外界振动的影响下，采空区围岩的抗剪强度降低，并持续发生破坏，将其输送到露天作业区，危及露天生产的安全。结果包括地面塌陷、边坡失稳和材料释放累积。
地面塌陷有两种类型：预测沉降和不可预测塌陷。前者是采取技术措施如通过已知采空区顶板爆破引起的坍塌，具有主观故意，危害较小，主要用于矿石开采和运输困难，造成产量的凝聚力，后者是困难的；未知采空区或采空区已知但不会塌陷区突然倒塌，直接威胁到人员和设备安全。
由于地下采空区的存在，在多种空间在露天作业台阶交汇，切削作用减弱的整体水平产生的，因为可能大大提高边坡的稳定性；此外，采空区顶板可能直接导致边坡失稳所造成的地面沉降。此外，在采空区还可能积聚水、火、有毒气体等物质。一旦采空区暴露，物质的积累就会释放出来，威胁到附近的设备和人员的安全。
2.4穿爆工作难度大
采空区的存在威胁到冲压设备运行的安全性和工作效率降低，采空区顶板断层破碎带和非连续裂隙变形区穿孔容易粘现象；爆破，由于不可预见的和破碎岩石的自由面，爆轰气体流从设计方向外，导致爆破效果不能满足要求。
3 工程概述
安家岭露天矿是我国自行设计、施工的特大型露天矿。露天矿分为3个采区，矿坑目前位于首采区，工作线南北方向布置，采剥台阶自西向东推进，形成了工作帮、端帮和内排土场共存的空间布局。
4 物探技术概述
物探是对地球的各种物理场分布及其变化进行观测，探索地球本体及近地空间的介质结构、物质组成、形成和演化，研究与其相关的各种自然现象及其变化规律。根据矿山企业的特点，采用灵活度较高的瞬变电磁法进行探测。
4.1瞬变电磁法探测原理
瞬变电磁法属于时间域电磁感应法，依靠不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场。在一次脉冲场间歇期间利用回线或电偶极接收感应二次场，该二次场是由地下良性导电地质体受激励引起的涡流所产生的非稳电磁场。良性导电地质体产生的感应二次场与地质体的电阻率密切相关，电阻率越低、低电阻地质体规模越大，感应二次场越高、二次场衰减越慢。
4.2施工装置
勘探区目标层深度80～200m，野外开工之前首先做瞬变电磁试验，目的是选择合适的装置和仪器参数，确保采集到能反映深度80～200m的数据。
施工装置常用的瞬变电磁勘探装置有重叠回线、大定回线源、中心回线装置等。目前，国内煤田水文物探中多采用大定回线源装置和中心回线装置，中心回线装置一般发射边长200～800m的线框，数百米长的发射线框，若只观测发射线框中心点就移动位置势必会大大降低TEM法的工作效率。大回线源装置多用于精测剖面勘探，探测深度100～2000m，在频繁的测量过程中，效率较高、效果较好。
本次勘探选用大回线测量，可观测到回线内、外，可多台接收机同时工作，勘探深度大，划分异常细，工作效率高。考虑到勘探区目标层深度浅，通过线圈大小和仪器参数的试验，在保证深度和工作效率的前提下要求关断时间尽可能的短，为此采用单匝200m边长回线发射，TEM-70K瞬变电磁探头接收的大回线源装置。
4.3数据处理及解释
瞬变电磁法是一种利用电阻率参数勘探的地球物理方法，它的数据解释需要与地质资料相结合进行，遵循由已知到未知、由定性到定量的原则进行。
勘探资料的处理和解释工作是同时进行的，通过多次进行资料处理、解释，提高解释精度，资料解释是建立在已掌握的地质资料，处理后实测数据的视电阻率拟断面图、视电阻率三维等值面图的基础上。为了使解释更贴近实际，根据初步解释之效果的好坏，可能对一些参数进行调整处理，再进行处理和解释。下面是以C6测区为例的实际数据处理结果。
C6测区共有36条测线，利用所有36条测线经过数据处理之后的全部数据，反演计算了C6测区地下三维电性结构（电阻率分布）。以下将从不同角度分析该三维电性结构及其采空区和赋水性。
图1是沿测线方向（东西方向）地下电阻率断面图。图2是沿南北方向给出的3个地下电阻率断面图，位置的东西向坐标x分别为12264m，12300m和12390m，选此3个断面的原则是每个断面均通过1个或者多个推断的可能采空区的中心。图3给出2个地下平面电阻率等值线图，其高程z分别为1190m和1215m。
上面给出了C6测区由瞬变电磁法探测反演获得的地下三维电阻率结构。这些处理和反演的结果与收集到的煤层地质资料相结合，可以对测区内的采空区进行多层次的推断解释和评价。首先，全面审视地下三维电阻率结构，将其与煤层顶底界限比对，从而获得采空区的电阻率特征值，即高于电阻率特征值的区域解释为采空区。其次，将采空区电阻率特征值扩展为一个范围，在此范围内选择几个特征值，按这些特征值绘制相应的采空区范围。
5结束语
采空区的划分与圈定是基于本次地面瞬变电磁法勘探的解释成果，瞬变电磁勘探是基于地质体的电性差异进行异常解释的，引起地质体电性差异的因素很多，使瞬变电磁勘探与其它物探方法一样具有多解性。因此，在条件许可情况下，可以指导后续的瞬变电磁资料解释，提高探测成果质量，更好地为煤田安全生产服务。
参考文献
[1]刘宪权.露天矿复采境界内井工采空区安全开采实践[J].露天采矿技术.2014(12).
[2]郭炯.平朔东露天采空区治理措施[J].露天采矿技术.2016(5).
论文作者:高振华
论文发表刊物:《防护工程》2017年第14期
论文发表时间:2017/11/7
标签：采空区论文; 电阻率论文; 露天论文; 地下论文; 电磁论文; 露天矿论文; 质体论文; 《防护工程》2017年第14期论文;