大型疊層分布采空區(qū)爆破處理技術(shù)

白 俊 王彥飛

( 太鋼集團(tuán)嵐縣礦業(yè)有限公司，山西 呂梁033504)

關(guān)于采空區(qū)的探測，西方發(fā)達(dá)國家以物探為主、鉆探為輔，而我國目前以鉆探為主、物探為輔［1］。河南洛陽欒川三道莊鉬礦、南泥湖鉬礦均因分布大量井下采空區(qū)，采空區(qū)探測以有針對性鉆探及三維激光掃描為主;廣東大寶山多金屬礦區(qū)經(jīng)歷過3 次大規(guī)模的塌陷和農(nóng)民盜采，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，單一的物探和鉆探方法很難取得較佳的探測效果，因此先采用綜合物探手段鎖定存在采空區(qū)( 包括盲空區(qū)) 的疑似區(qū)域［2-3］，再用鉆探手段進(jìn)行復(fù)核和確認(rèn)，最后用空區(qū)自動激光掃描系統(tǒng)( C－ALS) 進(jìn)行三維掃描探明采空區(qū)并獲得采空區(qū)的準(zhǔn)確形態(tài)。袁家村鐵礦借鑒業(yè)內(nèi)成功經(jīng)驗，結(jié)合自身實際情況，提出“全境界、多要素、交錯網(wǎng)格”的采空區(qū)勘測方式，對大型、復(fù)雜、疊層分布的空區(qū)群采取全高度一次成孔，分區(qū)、分層爆破，并與長沙礦山研究院合作開展爆后效果評價，取得了良好的效果。

1 采空區(qū)勘測

袁家村鐵礦位于山西省嵐縣梁家莊鄉(xiāng)，是太鋼集團(tuán)公司“十二五”規(guī)劃投資新建的特大型采、選、球團(tuán)聯(lián)合生產(chǎn)礦山。屬于典型的多礦體、多類型、微細(xì)粒嵌布、復(fù)雜難選、紅磁混合鐵礦石。區(qū)內(nèi)共有33 個小條富礦體，呈豆莢狀斷續(xù)分布，原生礦石為石英磁鐵礦［4］。整合前礦區(qū)范圍內(nèi)分布有30 家地下礦山，以區(qū)內(nèi)富礦及原生礦石為開采對象，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大規(guī)模的采空區(qū)。2006 年，山西省第三地質(zhì)工程勘察院測繪了袁家村鐵礦區(qū)內(nèi)部分采空區(qū)。由于采空區(qū)的復(fù)雜性，前期普查測繪工作所掌握的信息尚不能保障露天礦山安全生產(chǎn)，采空區(qū)處于邊探、邊采、邊處理的模式。因此，需要作超前探測。

1.1 人工調(diào)查

聘請參與過該地區(qū)民采的技術(shù)員，通過走訪調(diào)查，對有價值線索進(jìn)行驗證。以空25 群為人工調(diào)查疑似區(qū)域，后來得到了驗證。

1.2 鉆孔與三維激光掃描相結(jié)合

(1) 鉆探。鉆探主要是通過鉆孔的方式尋找采空區(qū)，為了確保鉆探效果，袁家村鐵礦采用了“全境界、多要素( 綜合考慮礦體性質(zhì)、賦存條件等要素) 、交錯網(wǎng)格( 分臺階沿礦體傾向、走向交錯布置) 的鉆探方式”。

(2) 三維激光掃描測定空間形態(tài)。為了獲得空區(qū)的準(zhǔn)確形態(tài)，制定合理可行的采空區(qū)處理方案，采用C－ALS 對采空區(qū)進(jìn)行三維激光掃描，形成空區(qū)形態(tài)點云圖，再利用SUPAC 軟件對空區(qū)進(jìn)行了三維形態(tài)還原，獲取采空區(qū)參數(shù)，為采空區(qū)爆破設(shè)計提供依據(jù)。若存在掃描盲區(qū)，則多方位補(bǔ)孔掃描，獲取空區(qū)準(zhǔn)確形態(tài)。

(3) 還原采礦方法。結(jié)合礦體賦存及探明采空區(qū)形態(tài)關(guān)系，運(yùn)用地下采礦方法推斷可能存在的采空區(qū)，運(yùn)用鉆探及后續(xù)掃描予以驗證。

2 采空區(qū)特點

(1) 分布范圍廣。探明的采空區(qū)遍布露天采場境界，呈由北向南、從上到下增多的趨勢。與富礦體分布分散、深部為原生礦的礦區(qū)地質(zhì)特點相吻合。

(2) 大型化、復(fù)雜化、層疊化。袁家村鐵礦除少量再沉積成因礫巖鐵礦外，礦體產(chǎn)狀均為急傾斜，民采礦山主要采用空場法采礦，所以多見層疊分布的采空區(qū)，且空場法采礦因留有不規(guī)則礦柱，易形成較大規(guī)模采場，已探明的采空區(qū)空腔體積多大于1 000 m3。其中空25 群為典型的大型、疊層空區(qū)，其體積及形態(tài)分別見表1、圖1。

表1 空25 群體積參數(shù)Table 1 Volume parameters of mined-out area group 25 m3

2.1 采空區(qū)頂板厚度

圖1 采空區(qū)爆破處理技術(shù)Fig.1 Lateral view of mined-out area group 25

露天臺階安全生產(chǎn)的前提是采空區(qū)頂板實際厚度大于最小安全厚度。因此，確定采空區(qū)頂板最小全厚度值具有重要意義［5］。目前國內(nèi)外頂板最小安全厚度計算方法主要有荷載傳遞線交匯法、厚跨比法、破裂拱理論估算法、空場長寬比梁板理論計算法以及三維有限元數(shù)值模擬法等［6］。為科學(xué)分析袁家村鐵礦采空區(qū)頂板保安層厚度，根據(jù)礦區(qū)采空區(qū)分布和頂板巖層的力學(xué)特點，在考慮上覆設(shè)備載荷作用和一定的安全系數(shù)情況下，采用傳統(tǒng)分析方法的同時，采用了極限分析法和彈性力學(xué)小變形薄板理論方法對采空區(qū)頂板安全厚度進(jìn)行了復(fù)合分析。采取多種理論方法分析得出不同采空區(qū)跨度條件下各種巖性預(yù)留保安層厚度，并進(jìn)一步回歸分析得出預(yù)留保安層厚度與采空區(qū)跨度關(guān)系。

所研究的空25 群位于區(qū)內(nèi)2#礦體氧化礦，其安全頂板厚度滿足［7］

式中，h 為采空區(qū)安全頂板厚度，m;b 為采空區(qū)跨度，m。

各采空區(qū)安全頂板厚度見表2。

表2 空25 群參數(shù)Table 2 Parameters of mined-out area group 25 m

由表2 可知，空25 －2 不具備二次爆破崩落處理的頂板厚度條件。

2.2 爆破崩落法處理采空區(qū)方法

國內(nèi)采空區(qū)處理主要為充填法與崩落法，由于袁家村鐵礦整合前經(jīng)過多年的地下無序開采，無論是充填法還是井下崩落法都不可行。實踐中逐漸摸索出露天深孔爆破崩落法處理采空區(qū)的經(jīng)驗，即在露天臺階上鉆鑿下向炮孔，通過實施爆破作業(yè)強(qiáng)制崩落采空區(qū)頂板以充填采空區(qū)［8］。前已述及，袁家村鐵礦采空區(qū)呈疊層分布，當(dāng)重疊采空區(qū)間隔層厚度小于下層采空區(qū)的保安層厚度時，若采用普通中深孔崩落處理上層空區(qū)，上層空區(qū)崩落處理后，下層空區(qū)上部被爆破虛碴覆蓋，下層采空區(qū)頂板與臺階面之間的厚度小于安全厚度，若挖機(jī)、汽車、潛孔鉆機(jī)等重型設(shè)備進(jìn)入臺階上部作業(yè)，會成為生產(chǎn)中的重大安全隱患，同時影響臺階推進(jìn)，制約生產(chǎn)?？?5 群屬疊層空區(qū)，由圖2 及表1 可知，其下層空區(qū)( 空25 －2) 與其上層空區(qū)隔板厚度遠(yuǎn)小于安全頂板厚度，此空區(qū)只能一次處理。

2.2.1 疊層空區(qū)爆破處理設(shè)計方案［9］

采用分區(qū)、分層、延時爆破。

(1) 分3 區(qū):空31、空25( 空25 －2) 、空23( 空25－2) ，見圖2。

圖2 上爆層布孔聯(lián)線Fig.2 Hole layout and nonel connection of the upper layer

(2) 分2 層: 上爆層1 725 ～1 700 m; 下爆層1 700 ～1 680 m。

從作業(yè)臺階1 725 m 水平至下層空區(qū)頂板高度超過45 m，首先以空區(qū)最大輪廓線為穿孔范圍，空區(qū)周邊孔設(shè)計孔深為45 m、下層空區(qū)25 －2 保安礦柱處設(shè)計孔深60 m，空區(qū)內(nèi)的孔需全部穿透。

(3) 實行分層延時爆破: 首先起爆1 700 ～1 680 m 下爆層，主要為空25 －2 保安礦柱及空25 －2 周邊孔下半段與頂板處孔，保安礦柱作為空區(qū)支撐首先爆破可以增加空區(qū)暴露面積、誘導(dǎo)下層空區(qū)失穩(wěn)，且起爆孔可作為中間掏槽孔，為外圍輔助孔提供側(cè)向自由面，周邊孔作為切割孔、空區(qū)頂板周圍巖石爆破可使下層空區(qū)頂板形成崩落切割帶，有利于空區(qū)頂板崩落;1 725 ～1 700 m 為上爆層，爆破崩落上層空區(qū)同時對下層空區(qū)頂板產(chǎn)生二次沖擊，加劇下層空區(qū)失穩(wěn)。爆破使用一套地表網(wǎng)絡(luò)，層間巖渣回填4 m，下層孔內(nèi)雷管采用36 m 長375 ms 延期雷管，上層孔內(nèi)雷管采用18 m 長400 ms 延期雷管。

2.2.2 爆破參數(shù)設(shè)計

根據(jù)以往采空區(qū)處理經(jīng)驗，本次采空區(qū)爆破炸藥單耗選取0.81 kg/m3，孔網(wǎng)參數(shù)為3.5 m×3.5 m，混裝銨油炸藥車裝藥，余高控制裝藥量。

填塞長度根據(jù)以往采空區(qū)處理經(jīng)驗，針對穿透孔用巖渣回填4.0 m，上爆層與下爆層巖渣回填4.0 m，孔口巖渣回填4.0 m。

2.2.3 爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

非電毫秒延期起爆網(wǎng)絡(luò)，采用澳瑞凱高精度非電毫秒延期雷管起爆?？组g采用65 ms、42 ms 延期雷管，排間采用25 ms 延期雷管;設(shè)3 處起爆點，采用孔內(nèi)上下分層間隔起爆，孔內(nèi)自下而上起爆，上下分層自中間起爆點向外傳爆。

2.2.4 施工技術(shù)要求

(1) 布孔到位。依據(jù)設(shè)計，使用全站儀準(zhǔn)確放出孔位，采用JK －590 潛孔鉆機(jī)精細(xì)施工，對空25 －2礦柱上60 m 深的孔，偏斜率應(yīng)控制在1.5%以內(nèi)。

(2) 吊孔填塞、分層裝藥。依據(jù)吊孔填塞、分層裝藥設(shè)計方案，篩選細(xì)石料密實填塞穿透孔。然后放置下層孔內(nèi)雷管，裝藥、填塞隔層后，放置上層孔內(nèi)雷管，裝藥填塞，孔內(nèi)雷管聯(lián)入地表網(wǎng)絡(luò)。

2.2.5 施工驗收

空25 －2 礦柱上深孔測斜運(yùn)用C －ALS 測出孔口、孔底坐標(biāo)，計算炮孔偏斜率，均滿足設(shè)計要求。

3 爆破效果評價

3.1 體積平衡原理定量計算［10］

空25 群于2014 年5 月29 日爆破，利用體積平衡原理:

式中，vd為空區(qū)頂板體積，m3;k 為松散系數(shù)，取1.5;vs為爆破后空腔上部爆堆體積，m3;vk為空區(qū)體積，m3。

根據(jù)采空區(qū)掃描資料和爆破前、后區(qū)域地形測量圖計算出所需參數(shù)，計算過程見表3。

3.2 體積平衡原理定性分析

爆后爆堆中部出現(xiàn)明顯的漏斗形凹陷區(qū)，由表3可知，爆后實測礦巖體積較理論值大2 142 m3，誤差率為1.9%;考慮到爆區(qū)局部無臺階自由面，爆破夾制、擠壓作用較強(qiáng)，松散系數(shù)設(shè)定值偏大; 另外，切割孔爆破后產(chǎn)生的大塊巖渣可能形成充填盲區(qū);采空區(qū)掃描及測量過程中亦存在一定誤差。綜上所述，誤差在允許范圍，爆破處理達(dá)到了預(yù)期效果，采空區(qū)頂板已完全塌落，空區(qū)得到了有效填充。鑒于后續(xù)鏟裝作業(yè)中出現(xiàn)的小范圍的充填盲區(qū)，將爆堆松散系數(shù)修正為1.41，以提高今后爆破評價的準(zhǔn)確性。

表3 空25 群爆后體積平衡計算Table 3 Volume balance calculation of the mined-out area group 25 after blasting m3

4 結(jié) 論

(1) 采空區(qū)作為露天礦山重大安全隱患，應(yīng)采取人工調(diào)查、鉆探、三維激光掃描等多種手段徹底弄清楚其分布形狀，尤其是多層空區(qū)，要分析研究隔板的安全狀況，對不滿足分次爆破處理的空區(qū)群，則要一次性爆破崩落。

(2) 崩落法處理空區(qū)的關(guān)鍵是穿孔的精度，要對成孔進(jìn)行偏斜度檢測，確保能實現(xiàn)爆破效果，述及的多層空區(qū)需要的鉆孔深度達(dá)到60 m，其垂直度很重要。

(3) 為了滿足爆破網(wǎng)路中的層間延時和孔間延時，應(yīng)選擇誤差小的高精度非電雷管。

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