露天開采地下采空區(qū)穿爆技術(shù)研究與應(yīng)用

摘 要：通過對(duì)露天開采地下采空區(qū)對(duì)穿爆工作的影響原因研究，發(fā)現(xiàn)影響生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。采用空區(qū)探測(cè)技術(shù)首先確定空區(qū)的空間狀態(tài)，然后根據(jù)空區(qū)的幾何形態(tài)對(duì)不同部位采用各異的穿孔方案，經(jīng)過精細(xì)的單孔藥量計(jì)算，形成精密的起爆網(wǎng)絡(luò)圖，進(jìn)而解決制約露天生產(chǎn)的技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞：采空區(qū) 空區(qū)探測(cè) 牙輪穿孔 單孔裝藥量 起爆順序

中圖分類號(hào)：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（a）-0063-04

由于歷史原因，露天采場(chǎng)存在大量未知的地下采空區(qū)。當(dāng)采空區(qū)開采現(xiàn)狀（包括開采高度、開采面積等）沒有詳細(xì)資料，并且采空區(qū)不具備人工進(jìn)入探查的條件時(shí)，嚴(yán)重影響露天開采效果。尤其當(dāng)露天開采中遇到地下不明采空區(qū)時(shí)，不僅給作業(yè)人員和設(shè)備帶來安全隱患，而且由于穿爆環(huán)節(jié)組織難度大，影響爆破效果，也進(jìn)一步增加了鏟裝、運(yùn)輸工序的工作難度，造成生產(chǎn)成本大幅升高。如何解決穿孔爆破問題是克服地下采空區(qū)給生產(chǎn)安全帶來影響的關(guān)鍵問題。（見圖1、2）

1 前期處理辦法及存在問題

在各個(gè)露天礦山發(fā)展過程中，都不同程度受開采規(guī)模、周邊土地條件、擴(kuò)采深采等問題的困擾，尤其是部分?jǐn)U采礦山更受前期非正常開采帶來的遺留問題限制，不得不解決前期遺留問題，例如地下采空區(qū)的問題。目前，國(guó)內(nèi)各露天礦山擴(kuò)建速度均處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，合理的開采空間、合格的爆破在產(chǎn)品是擴(kuò)建工程進(jìn)度的有力保障，穿爆工序在擴(kuò)建工程中位置已經(jīng)舉足輕重。但是，由于地下采空區(qū)的不確定性，該生產(chǎn)帶來了很大影響。

（1）由于采空區(qū)未知，原來在空區(qū)部位作業(yè)需要摸索進(jìn)行，即在空區(qū)部位按照正?？拙W(wǎng)進(jìn)行穿孔，所有爆區(qū)設(shè)計(jì)孔作業(yè)結(jié)束后，對(duì)所有穿透的空區(qū)孔進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并對(duì)空區(qū)部位重新作業(yè)適當(dāng)加密孔網(wǎng)。

（2）對(duì)設(shè)計(jì)爆區(qū)進(jìn)行施工爆破作業(yè)時(shí)，首先將氣體間隔器或適當(dāng)長(zhǎng)度的木電柱裝到孔底或適當(dāng)高度，然后回填適當(dāng)巖渣，確保裝藥時(shí)火藥不漏到采空區(qū)內(nèi)，之后爆區(qū)連線起爆。

這樣做之后，由于穿孔、爆破施工處于被動(dòng)、補(bǔ)救狀態(tài)，使穿爆效果難以滿足下道工序的需要，存在諸多問題。

（1）由于穿透孔較多，加之孔壁粗糙，尖銳凸出，間隔期和木電柱下到孔底非常困難，需要浪費(fèi)大量的間隔器和木電柱。

（2）穿透地下采空區(qū)的炮孔裝藥時(shí)部分炸藥漏入空區(qū)，裝藥高度難以控制，難以實(shí)現(xiàn)漏入空區(qū)的炸藥的爆轟甚至無(wú)法起爆，對(duì)后續(xù)開采帶來重大隱患，增加了爆破成本。

（3）爆破后產(chǎn)生大面積的根底和大塊，降低電鏟鏟裝效率和提高鏟裝成本。

（4）牙輪鉆機(jī)穿孔產(chǎn)生更多的廢孔，并且在空區(qū)部位穿孔容易產(chǎn)生夾桿現(xiàn)象，造成鉆桿折斷或鉆頭和穩(wěn)桿器掉在空區(qū)內(nèi)的現(xiàn)象，為選礦廠過鐵埋下隱患。

2 方案研究及技術(shù)實(shí)施

要解決空區(qū)的不確定性給穿爆帶來的巨大影響，首先應(yīng)該解決確定空區(qū)形態(tài)的問題。根據(jù)目前礦山比較常用的空區(qū)探測(cè)方法，選擇淺層地震影像法、高密度電阻率法和瞬變電磁法的空區(qū)探測(cè)技術(shù)，初步探測(cè)出采空區(qū)的空間形態(tài)，之后利用牙輪鉆機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步探測(cè)驗(yàn)證（有限地幾個(gè)孔），按照結(jié)果有針對(duì)性的分區(qū)進(jìn)行鉆機(jī)穿孔作業(yè)，對(duì)牙輪鉆機(jī)作業(yè)的所有孔（包括驗(yàn)證孔）進(jìn)行有針對(duì)性的裝藥計(jì)算，選擇合理的起爆網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的爆破效果，具體做法如下。

2.1 應(yīng)用淺層地震影像法、高密度電阻率法和瞬變電磁法的空區(qū)探測(cè)技術(shù)探測(cè)爆破區(qū)域的空區(qū)狀態(tài)

目前，淺層地震影像法、高密度電阻率法和瞬變電磁法的空區(qū)探測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于探測(cè)露天礦山存在的地下采空區(qū)。該方法經(jīng)過結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況和前期發(fā)現(xiàn)的問題，可以基本掌握地下采空區(qū)的空區(qū)存在形態(tài)。同時(shí)，由于該方法實(shí)施靈活，解譯軟件可以隨時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正，優(yōu)化，可以滿足指導(dǎo)牙輪穿孔作業(yè)的需要。（見圖3）

2.2 牙輪鉆機(jī)穿孔作業(yè)

（1）在空區(qū)頂板穿孔時(shí)，用牙輪鉆機(jī)穿第一個(gè)孔時(shí)必須穿透，驗(yàn)證用空區(qū)探測(cè)方法探測(cè)的空區(qū)是否準(zhǔn)確，如果有誤差，根據(jù)穿孔情況對(duì)空區(qū)深度、范圍進(jìn)行修訂，然后對(duì)修訂完的結(jié)果進(jìn)行重新驗(yàn)證。如果通過驗(yàn)證能夠確定空區(qū)的位置后，對(duì)其它位置的穿孔不穿透，預(yù)留厚度為整個(gè)頂板厚度的1/4，空區(qū)的孔網(wǎng)按照能夠穿孔的孔深要求來布置。

（2）如果采空區(qū)內(nèi)有礦柱，礦柱的中央必須進(jìn)行穿孔，如果礦柱的直徑大于6 m時(shí)，根據(jù)礦柱的巖石性質(zhì)，按照正?？拙W(wǎng)參數(shù)50%穿加密孔，這些炮孔都進(jìn)行間隔裝藥，底部采用高威力的2#巖石炸藥用以克服根底，上部采用普通炸藥用以克服大塊。

（3）根據(jù)探測(cè)結(jié)果在采空區(qū)周圍邊界線3 m處穿一圈全段高的鉆孔，該部分鉆孔超深必須保證3 m以上，該部分炮孔孔距為正常孔距的70%，用于克服采空區(qū)的根底，該部分炮孔也采用間隔裝藥的方法，底部裝高威力的2#巖石炸藥，克服采空區(qū)的根底，鉆孔的上部裝普通炸藥用以克服大塊。

（4）在具備條件情況下，穿孔時(shí)一個(gè)空區(qū)（除單獨(dú)巷道外）盡可能的一次穿爆完成，否則爆破時(shí)剩余的空區(qū)位置都被震塌，影響穿孔，將形成大面積的大塊、根底。（見圖4）

2.3 爆破設(shè)計(jì)及計(jì)算

目前在空區(qū)作業(yè)過程中根據(jù)爆破施工要求有一部分孔必須穿透空區(qū)，一部分孔在底板保留空區(qū)底板厚度的1/4，以更好的裝藥。對(duì)于在空區(qū)部位的孔不能按傳統(tǒng)的藥量計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)在弓長(zhǎng)嶺露天礦采場(chǎng)空區(qū)部位作業(yè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其炸藥計(jì)算方法總結(jié)如下。

（1）對(duì)于在空區(qū)部位需要穿透的炮孔，先從頂板開始1.5 m處安裝一個(gè)氣體間隔器，然后在間隔器上填上巖渣，保證巖渣和空氣間隔器的高度h2一般為空區(qū)頂板高度減去1.5后的1/4，處理完成后然后進(jìn)行裝藥，具體的施工過程和藥量計(jì)算方法如下所示，裝藥結(jié)構(gòu)圖如A所示。

①計(jì)算線裝藥密度：q1=1/4×π×d2×ρ

②根據(jù)礦巖性質(zhì)、炸藥性質(zhì)、鉆孔直徑、經(jīng)驗(yàn)選取炸藥單耗q。

③憑經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)條件選取填塞高度，一般取處理完底部后剩余的鉆孔深度L的1/3。

④根據(jù)鉆孔深度和線裝藥密度計(jì)算單孔最大裝藥量：Qm=q1×L×2/3

⑤計(jì)算單孔負(fù)擔(dān)面積。

單孔爆破體積：V=a×b×H；由炸藥單耗q=Q/V=（q1×L×1/3）/（a×b×H）S1=a×b=（q1×L×1/3）/（q×H）

⑥根據(jù)單孔負(fù)擔(dān)爆破面積和炸藥單耗計(jì)算單孔裝藥量：Q=q1×S×H

⑦當(dāng)Q>Qm時(shí)，調(diào)整單孔爆破面積使Q=Qm，重新計(jì)算計(jì)算單孔爆破負(fù)擔(dān)面積S=Qm/（q1×H）；當(dāng)Q1<=Q時(shí)，取爆破負(fù)擔(dān)面積S=S1。

⑧爆破施工布孔時(shí)根據(jù)爆破負(fù)擔(dān)面積S和現(xiàn)場(chǎng)具體情況確定a、b。

⑨施工完成后根據(jù)Q=q1×a×b×H計(jì)算單孔裝藥量。

（2）對(duì)于在空區(qū)部位不需要穿透的炮孔，根據(jù)孔深、裝藥類型、炸藥單耗等參數(shù)計(jì)算孔網(wǎng)參數(shù)，具體計(jì)算方法同1，裝藥結(jié)構(gòu)如圖B所示。

設(shè)：H為頂板高度L為鉆孔深度；a為孔距；b為排距；

S為單個(gè)炮孔負(fù)擔(dān)的爆破面積；q1為線裝藥密度；

Qm為根據(jù)線裝藥密度和最大的裝藥高度計(jì)算的單孔最大裝藥量；

Q為根據(jù)炸藥單耗和孔網(wǎng)參數(shù)計(jì)算的單孔裝藥量；q為炸藥單耗量；Ф為炮孔直徑；ρ為裝藥密度。（見圖5）

（3）采空區(qū)周圍邊界線處全段高的炮孔按正常爆破藥量進(jìn)行裝藥。

（4）裝藥后進(jìn)行爆破作業(yè)，爆破時(shí)根據(jù)穿孔和施工情況必須合理的確定起爆順序，確定起爆順序的原則是沒有空區(qū)的位置先行爆破，如果具備條件的情況下，礦柱上的穿孔采用同時(shí)起爆方法。（見圖6）

圖6：起爆網(wǎng)絡(luò)圖（圖中紅色區(qū)域?yàn)榈叵虏煽諈^(qū)，采空區(qū)中心處為兩個(gè)礦柱）

3 應(yīng)用后效果與推廣意義

該研究于2010年在弓長(zhǎng)嶺露天礦露天采區(qū)開始應(yīng)用后，取得了明顯的效果。一方面牙輪鉆機(jī)作業(yè)實(shí)現(xiàn)了有目標(biāo)、有計(jì)劃、有措施的作業(yè)，降低了廢孔率和設(shè)備備件消耗；另一方面極大地改善了爆破效果，使爆破在產(chǎn)品滿足下道工序的需要，根底率達(dá)到普通爆破的效果，爆破質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，解決了制約露天生產(chǎn)的巨大難題。具體指標(biāo)如下。

（1）通過在采區(qū)的地下采空區(qū)位置實(shí)施新的技術(shù)方案，空區(qū)位置的大塊率比實(shí)施前降低80%，根底減少50%。尤其是在牙輪鉆機(jī)施工組織過程中，基本沒有產(chǎn)生鉆桿、穩(wěn)桿器、鉆頭掉在空區(qū)中的現(xiàn)象。

（2）在實(shí)施過程中沒有發(fā)現(xiàn)沖炮等容易發(fā)生安全事故的情況。

（3）通過實(shí)施，在空區(qū)位置的爆破炸藥單耗降低0.12 kg/t。

（4）通過實(shí)施，空區(qū)部位的電鏟效率比以前提高了30%。

考慮到采空區(qū)穿爆技術(shù)應(yīng)用的普遍性，該研究與應(yīng)用于2012年在附近礦山進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用。通過一年多的應(yīng)用，也取得較好效果，說明，該方法適用于存在相同問題的其他礦山，具有推廣應(yīng)用的意義。

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