为保障了露天矿在小窑采空区域内生产作业人员和设备的安全。达到对露天矿生产作业区小窑采空区存在的范围预测、生产扰动后小窑采空变化控制、为采空治理和安全生产组织设计提供可靠资料，经对探测方法对比和试验，最后形成了露天矿生产作业区小窑采空控制“地质深探+穿爆钻浅探+三维激光扫描精探”三步探测方法。此方法可根据生产节凑，由远及近，疏、细、准结合，为露天矿生产作业区内采空进行提前预警、探测控制和最终治理提供可靠资料。
1平朔露天矿内小窑采空区简介
平朔露天矿内，关闭的小煤窑多为个体小煤矿，存在无序开采、无充填开采、采富弃贫等现象和技术力量不强控制不准，形成采空空间位置不确定、资料信息不准确，使采空区平面分布无规律和采高不确定。尤其是利益驱使的越界开采，使采空范围更加难以查明。加上露天矿生产爆破震动及大型设备作业会对采空区顶板造成扰动塌陷，产生增大空区高度变化。更增加了生产时，查明采空区真实情况及控制难度。给露天开采带来了严重隐患，同时给矿山工作人员和设备带来严重的威胁[1]。
2 探测方法的选取
目前国内外采空区探测的主要方法是钻孔探测法、地球物理探测法以及三维激光扫描测量法。此三种方法各有优缺点。钻孔探测法具有作业量大，对于无资料的空区探测盲目性大等缺点。地球物理探测法目前成熟运用阶段的有地质雷达法、瞬变电磁法[2]、瞬态瑞雷波法、高密度电阻法等，但受地质地形条件及外部设施影响极大，探测结果只能定性判断采空区是否存在，不能精准控制范围，精度低。三维激光扫描仪是一种快速立体测量设备，可以进行空间形态的的精确测量，可生成采空区三维数字模型，有测量速度快、精度高等优点，但有测量深度小和必须有联通采空区的通道才能施工的缺点。所以这三种采空探测方法都不能独立精准探测明采空区，考虑联合进行探测，最后采用钻探+三维激光扫描联合法进行采空探测控制。
3 平朔露天矿采空探测方法研究与应用
针对平朔露天矿区内小窑采空特点，为有效在生产设计和作业中预警采空区塌陷影响生产安全，避免事故发生和采空治理。考虑生产扰动影响采空变化因素和探测需求，经不断分析研究和试验，形成以下探测步骤，一是利用可打深孔的生产勘探地质钻机，结合收集资料做出预排查圈定采空范围和划出警戒范围内及周边布设钻孔，从地表和高处剥离平盘进行深孔探测确定采空初步情况；二是生产过程中临近采空区顶板安全厚度时利用露天爆破潜孔钻机施工爆破穿孔时，选取合适位置有意识进行穿透采空钻探，达到探明采空埋藏深度和打通三维激光扫描通道；三采用三维激光扫描探明采空区空间形态和延伸走向。
1）生产勘探地质钻深探控制
⑴平朔公司自有生产地质勘探设备：进口野马系列2台，国产YDX系列3台，钻探能力可达300m。平朔矿区最低11号煤层赋存埋深280m左右。完全有能力实施探测方案。
⑵钻孔布设：在已收集的小窑采空资料及预测警戒范围内，根据采空的分布及走向对其周边进行钻孔布设，以控制采空区的平面范围和探明采空埋深位置。以下以东露天矿界内榆岭煤矿的采空探测为例。
⑶勘探成果：在榆岭煤矿收集采空区域逐年共设计13个孔，其中12个孔遇到了采空。从地表施工，提前探明了榆岭煤矿4号采空区空腔高度有1.5-12m，且北部采空空腔高度较低，为1.5-5m；南部采空空腔高度较高，为5-12m。采空上覆土岩厚度106-171m，推断出采空顶部标高在1219-1236m处。其中DLT20-37和1000-104号孔远离收集采空位置，对采空警戒范围重新做了调整，可对生产安全起到预警作用。采空上覆土岩厚度、采空顶部标高位置的确定，可准确指导露天矿安全生产设计及下一步的探测和治理。详见图1和表1
图1 榆岭矿4号煤采空探测情况图
2）穿爆钻浅探控制
⑴可实施条件
采空顶板的安全厚度确定：因露天矿生产均为大型设备作业，实施穿爆钻机探测采空区，必须进行确定采空顶板的安全厚度方可作业。根据平朔露天矿采空区的特点，考虑了采空区顶板岩性、设备作业载荷、爆破震动作用[3]、采空区的长度等因素，采用长宽比梁板法等计算方法分析研究，得出结论为:4#煤以上剥离台阶采用834推土机清理平盘，CDM75钻机穿孔，PH4100 电铲采装，930E卡车运输时，4#煤采空区跨度在6.5m以下要求4#煤上两个剥离台阶（1个台阶15m）并段爆破治理，才能保证其上采掘设备、运输设备及其辅助设备安全作业。
所以4#煤采空区的上覆岩层的最低安全厚度在30m。
穿爆钻机能力：平朔公司自有实施穿孔作业设备是250mm牙轮钻机，最大钻进可达40m。
总上述，可由穿爆钻机在4#煤采空30m以上，进行探测，250mm孔径足够三维激光扫描轻松下放探测。
⑵探测孔布置：在采空30m以上，接近采空区域采用插花式探测进行面孔，采空范围内，采用全部布置探测孔。探到采空进行三维激光空洞扫描，确定采空范围后再进行孔位调整。
⑶穿爆钻机浅探作用：可探出采空区是否经生产作业扰动塌陷，采空高度上升，而且可探到采空周边未知的采空情况。同时给三维激光空洞扫描打能施工通道。
三维激光扫描精探控制
⑴三维激光扫描工作介绍
三维激光扫描仪有探头、定向杆、电缆线及地面单元等零件组成。采用自动化机器人探头通过钻孔进入到空区内部进行快速而安全的扫描，利用前部微型扫描探头，扫描采空区的三维形状以及表面反射性。扫描仪内含3D导航模块，测量空区内探头的位置和方向，确定探头最终的x、y、z坐标和方位角。探头集成摄像头和红外线照明系统，用以检查钻孔的情况，从而避免孔内凹处扣坏探头[4]。
⑵探测条件
探测条件：得避开不成形的钻孔，孔内有高温、水蒸气、粉尘和水的，必须采取措施后方可施工。
⑶探测作用：可精准探到采空的埋深、空腔高度、体积、范围。可预测采空的延伸走向。为下一步的采空探测、治理和安全生产规划提供指导。
⑷探测成果
以平朔矿区东露天矿矿内小窑榆岭煤矿范围内穿爆钻探的采空孔20210901-1号孔为例，介绍三维激光扫描技术在采空探测工作中应用[5-7]成果。
20210901-1号空洞位于矿坑1275平盘中部，孔口坐标为：E493195.4,
N4379736.4，高程1275.6m，平盘距下部4号煤顶板深约24m，采空孔钻至30m处见空洞，空洞高度约7m。经三维激光扫描施工，形成的点云图（见图2）及建立三维模型（见图3）进行分析后，探测成果：本次扫描空洞顶部最高点离地面约33m，底部最低点离地面约44m。空洞标高范围约为1242m～1231m，空洞平均垂高约为11m，属榆岭煤矿4号煤采空。空洞顶部位于4号煤层上3m，判断已受采动影响，采空会随采动持续垮塌，建议该区域采空区进行治理后再上大型设备作业。
图2 点云左视图（南向北视图） 图3三维模型左视图（南向北视图）
4应用效果
2014年至2020年平朔公司在小窑采空区探测中，应用“地质钻深探+穿爆钻浅探+三维激光扫描精探”三步探测方法，成功的指导安全剥采过了安太堡露天矿杨井沟矿和芦子沟矿采空区域、安家岭露天矿后安煤矿和白西沟煤矿及东露天沟底新井煤矿采空区域。钻探控制采空平面总面积约11724985m2，最终三维激光扫描精准控制采空面积100562.86m2，采空体积575000.19m3。为露天矿的生产剥采工程安全和安全治理提供了有力数据支撑。该方法由远及近加垂深接近的逐步采空控制探测，在露天矿不同生产时段，指导露天矿剥采工程设计，有效避免了露天矿大型设备在采空区域作业发生事故风险。目前，在东露天矿内榆岭煤矿采空区域实施，探测成果有效的指导了露天矿爆破崩落治理，效果良好，极大程度的保障了东露天矿采剥采工程在榆岭煤矿区域的安全作业。
5结论
露天矿实施“地质钻深探+穿爆钻浅探+三维激光扫描精探”三步探测方法，一是可逐步立体式进行采空探测，地质深探大面积预查明采空赋存的位置与埋深，给大型设备作业做提前安全预警作用，二是穿爆钻浅探可提前探测采空因生产剥采时大型设备运行和爆破扰动后的采空埋深加三维激光扫描精准探测查清采空区分布范围空间形态（采空区面积、高度、体积等），为制定安全生产过采空区措施和治理措施提供可靠技术数据。三是避免了从地面采空探测的大资金投资入，及采空经生产扰动后变化的不安全因素，为企业节省成本。四是能够有效预警、控制采空赋存，为企业安全生产保驾护行，避免安全事故发生，其社会经济效益无可估量。总的来说此小窑采空探测法在平朔矿区应用有效，已趋于成熟，可有效避免了生产安全事故，能达到预期效果。
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作者简介：苗成文 （1977-） 男 山西朔州人，工程师，1997年毕业于云南省昆明地质学校 现在中煤平朔集团公司地质测量中心从事煤矿地质工作。