東露天礦采空區(qū)塌陷爆破參數(shù)優(yōu)化

倪景峰 陳月寧 王明君

(1.遼寧工程技術(shù)大學安全科學與工程學院，遼寧 葫蘆島 125105；2.遼寧省礦山安全工程重點實驗室，遼寧 葫蘆島125105；3.遼寧工程技術(shù)大學露天礦山研究院，遼寧 阜新 123000)

東露天礦采空區(qū)塌陷爆破參數(shù)優(yōu)化

倪景峰1,2陳月寧1,2王明君3

(1.遼寧工程技術(shù)大學安全科學與工程學院，遼寧 葫蘆島 125105；2.遼寧省礦山安全工程重點實驗室，遼寧 葫蘆島125105；3.遼寧工程技術(shù)大學露天礦山研究院，遼寧 阜新 123000)

為消除平朔東露天礦前期小煤窯開采破壞所形成的采空區(qū)給正常開采帶來的危害，從采空區(qū)成因切入，對采空區(qū)爆破穿透孔進行探測以及預處理，采用穿透孔底部空氣間隔器與巖渣0.6 m和0.4 m交替填塞的方式處理穿透孔，處理后的穿透孔起到了支撐承載上部大藥量的作用。針對該礦在爆破生產(chǎn)過程中遇到的塌陷率低及塌陷深度低等問題，對爆破參數(shù)進行優(yōu)化。利用數(shù)理統(tǒng)計和工程實測方法對爆破參數(shù)優(yōu)化前后進行對比分析，通過改變和調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、連線方式等技術(shù)措施，使得上部覆蓋層塌陷填實采空區(qū)，進而改善了塌陷爆破效果，驗證了優(yōu)化后的爆破參數(shù)的實用性，為煤礦的后續(xù)正常開采提供了安全保障。

采空區(qū)處理 塌陷爆破 參數(shù)優(yōu)化 應(yīng)用

東露天礦工作幫下部的小煤窯為溝底新井煤礦和磚井煤礦，其中溝底新井煤礦在關(guān)井前已具備綜采條件，因此其采空區(qū)范圍大，部分采空區(qū)頂板巖石已大量冒落，造成東露天礦4#煤及上部的1 245、1 260、1 275、1 290、1 305、1 320 m均發(fā)現(xiàn)采空區(qū)，采空區(qū)面積約140萬m2，4#煤層頂板高程在1 260～1 230 m水平。由于東露天礦采掘、運輸設(shè)備均為大型設(shè)備，自重、載重量大。這些因采空區(qū)塌陷而形成的空腔位置、大小、高度均不明，大量采空區(qū)的存在嚴重威脅到大型設(shè)備作業(yè)的安全，造成東露天礦安全生產(chǎn)形勢極為嚴峻[1-2]。2013年至2014年，東露天礦已轉(zhuǎn)入正式生產(chǎn)期，原煤生產(chǎn)與剝離量正在逐步增加，半連續(xù)工藝也在有條不紊地開展，但是大量采空區(qū)的存在給礦坑生產(chǎn)作業(yè)的人員、設(shè)備帶來極大的安全隱患，一定程度上也影響了生產(chǎn)進度。而現(xiàn)有采空區(qū)爆破技術(shù)尚處在探索階段，存在成本高、爆破坍塌率低、坍塌不完全等一系列弊端，更容易帶來后續(xù)隱患[3]。因此，各項研究工作從采空區(qū)成因入手，對裝藥結(jié)構(gòu)的選擇、孔網(wǎng)參數(shù)對比、爆破方案確定進行研究，到最終的方案確定一步步順利展開。

1 采空區(qū)探測及處理

1.1 采空區(qū)的探測方法

為保證采空區(qū)對正常的露天開采不造成影響，提前消除采空區(qū)所帶來的安全隱患，防止工作水平距采空區(qū)頂板距離小于最小安全厚度，結(jié)合平均臺階高度(15 m)、現(xiàn)有鉆機(φ250 mm)鑿孔最大深度(35～42 m)，特確定處理平臺水平距空區(qū)頂板厚度應(yīng)處于25～35 m。采空區(qū)定位方法以鉆探為主，探測孔布置在正常平臺炮區(qū)內(nèi)主炮孔孔位上，孔徑與主炮孔相同(φ250 mm)，并根據(jù)前期資料及后期探明采空區(qū)走向范圍來確定探測孔密集程度，鉆孔須穿透下部空區(qū)以確定空腔高度。對采空區(qū)重點區(qū)域穿孔，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，執(zhí)行每20～30 m增加1列探測孔，孔深度不小于35 m，孔行距不大于4 m。由于地壓活動和露采爆破震動影響，采空區(qū)的形態(tài)是不斷變化的。因此，當探測孔穿透下部空區(qū)時，須在周邊加密探測孔，并不斷修正，直至明確采空區(qū)的確切邊界及空腔高度變化。對穿透炮孔要記錄穿透點標高，并使用測繩確定空區(qū)高度及采空區(qū)頂板厚度，待采空區(qū)邊界確定后，進行繪制采空區(qū)剖面圖，以作為修改設(shè)計和評價爆破效果的依據(jù)。若未見采空區(qū)，則應(yīng)對探測孔回填至正?？孜?，作為正常主炮孔使用。將探測工作與穿爆生產(chǎn)結(jié)合進行，不僅有利于生產(chǎn)的正常進行，又可減少無效進尺，節(jié)約成本，同時有效地減少了采空區(qū)危險區(qū)域的出現(xiàn)。具體見圖1所示。

圖1 正常炮區(qū)探孔平面布置

1.2 采空區(qū)的狀態(tài)分類及處理方法

根據(jù)目前已有小窯采空區(qū)分布資料，將東露天礦范圍內(nèi)小窯采空區(qū)及其外側(cè)50 m范圍均劃為生產(chǎn)警戒區(qū)。依據(jù)生產(chǎn)技術(shù)部提供的位置，在警戒線設(shè)置明顯警示標志。

不同警戒區(qū)作業(yè)措施如下。

(1)安全厚度外平臺正常作業(yè)。根據(jù)探測結(jié)果，距離空洞上緣50 m之外的作業(yè)平臺正常作業(yè)，生產(chǎn)過程中各部門注意密切觀察。

(2)比較危險區(qū)作業(yè)。比較危險區(qū)空洞距地表垂直距離在35～50 m，不滿足一次性穿孔爆破條件，且正常穿孔爆破后作業(yè)水平距空洞垂直距離在20～35 m，因此計劃按正常穿孔爆破參數(shù)作業(yè)，爆破后安排由200 t級以下設(shè)備作業(yè)。作業(yè)過程中穿爆班需根據(jù)技術(shù)部門指定位置跟蹤探測，間距不大于20 m。

(3)嚴重危險區(qū)作業(yè)。嚴重危險區(qū)空洞距地表垂直距離在35 m以下，進行一次性穿孔爆破崩塌，消除安全隱患。

1.3 穿透孔預處理

為了節(jié)約鉆孔成本和提高進度，通常情況下必須對已打穿探測孔進行利用，這就需要對打穿孔進行處理后再裝藥[4]。

使用材料：空氣間隔器。

首先將第1發(fā)間隔器放置在孔底空腔頂部，回填0.4 m的巖粉，然后緊貼巖粉放置第2發(fā)間隔器，再回填0.4 m的巖粉；繼續(xù)放置間隔器并回填巖粉；共放置4發(fā)間隔器，回填至孔底4 m處，如圖2。因為1發(fā)空氣間隔器難以支撐上部裝藥和堵塞段重量，通過放置4發(fā)空氣間隔器和回填巖粉的辦法增加摩擦力，以達到支撐上部重量的目的。

圖2 打穿孔處理斷面

2 采空區(qū)塌陷爆破優(yōu)化研究

2.1 采空區(qū)塌陷爆破參數(shù)優(yōu)化

因采空區(qū)的復雜多變性，爆破參數(shù)應(yīng)根據(jù)采空區(qū)實際情況進行設(shè)計。項目研究歷時1年半，通過不斷的試驗和對比分析，對采空區(qū)打穿孔爆破參數(shù)進行優(yōu)化。具體爆破參數(shù)見表1。

由表1可知，礦山塌陷爆破參數(shù)優(yōu)化前孔網(wǎng)為6 m×6 m，采取孔內(nèi)延時600 ms，孔外微差環(huán)形逐孔起爆，抱著解決以往的爆破后塌陷率低、塌陷深度低、爆破效果不理想等問題的原則，在礦山生產(chǎn)實踐和理論相結(jié)合的基礎(chǔ)上，對爆破參數(shù)進行優(yōu)化，根據(jù)單孔負擔的爆破巖體的單耗達到合理的選定值，并盡量使各孔爆破能量在整個爆區(qū)均勻分布，達到爆破塊度均勻，利于坍塌的目的，設(shè)計孔網(wǎng)5 m×5 m，將孔深20 m作為分界點，20 m以下采用連續(xù)裝藥，以上則采用分段。起爆方式改變?yōu)榄h(huán)形等時線起爆，這樣更有利于塌陷巖石的二次密實?？變?nèi)延時下部采取600 ms，上部650 ms的孔內(nèi)微差爆破，因采空區(qū)頂板巖石存在上下兩個自由面，為使爆破巖渣充分回填至空腔內(nèi)，應(yīng)以下部自由面為巖石擠壓方向。故此，下部藥柱應(yīng)先于上部藥柱爆破，在保證底部巖石向下位移的同時，給上部巖石提供充分位移空間[5]。由于一個炮區(qū)內(nèi)各孔爆破約束條件有差別，因此在設(shè)計處理炮孔裝藥量時，應(yīng)根據(jù)該采空區(qū)的空間形態(tài)、炮孔深度、炮孔與空區(qū)邊界距離，以及周邊正?？籽b藥量和巖石力學性質(zhì)進行調(diào)整[6]。

表1 爆破參數(shù)

目前，東露天礦西1 290和西1 305 m的空腔頂部厚度平均在30～35 m，以32 m的打穿孔為例：采用分段裝藥，孔底打抵抗4 m，下部藥柱使用36 m、 600 ms和24 m、600 ms 2發(fā)高精度導爆管雷管，上部藥柱使用14 m、650 ms和9 m 、650 ms的高精度導爆管雷管，詳情如圖3所示。

圖3 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

為使巖石可充分向空腔內(nèi)部位移，通常選取空腔巖石頂板薄弱處的炮孔(即最淺打穿孔)為中心位置，采用“環(huán)形等時線”起爆方式，由內(nèi)向外圈傳爆，又因孔內(nèi)分段延期因素，可形成爆破區(qū)巖石由爆區(qū)中心位置的底部巖石首先破碎，并向四周傳播不斷塌落的理想效果。考慮孔距、孔內(nèi)延期及孔內(nèi)延期間隔等因素，地表延期時間一般選取17、42、65 ms奧瑞凱高精度電子數(shù)碼雷管。若是炮區(qū)內(nèi)存在多處空區(qū)，可將每一處采空區(qū)獨立進行網(wǎng)絡(luò)連接，再連入主炮區(qū)網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)網(wǎng)如圖4所示。

2.2 爆破效果對比分析

評價塌陷爆破效果的指標為塌陷率、塌陷深度、以及大塊率、飛石、爆破震動等[7-10]。這里主要介紹塌陷率以及塌陷深度。

圖4 起爆網(wǎng)絡(luò)

注：圈內(nèi)數(shù)字代表起爆順序，圈外數(shù)字代表每個孔的延遲時間，虛框代表炮孔的等時線。

(1)塌陷率：爆破塌陷成功的次數(shù)占所有采空區(qū)爆破次數(shù)的比重。根據(jù)上述，優(yōu)化前后爆破效果如圖5。

從圖5中清晰可見，相比優(yōu)化前，優(yōu)化后(右)的爆區(qū)爆堆明顯下沉，中間凹陷深度明顯，呈南淺北深形狀且爆堆下沉趨勢仍為停止，說明爆破塌陷效果顯著。而且大塊較少，飛石、震動都在爆破安全規(guī)程范圍內(nèi)。

根據(jù)工程實踐數(shù)理統(tǒng)計方法，優(yōu)化后的塌陷爆破成功次數(shù)明顯上升，在近30次的爆破中占90%以上，相比優(yōu)化前60%高出近30個百分點。

(2)塌陷深度。為了驗證爆破參數(shù)優(yōu)化后的塌陷深度是否符合作業(yè)安全需求，工程技術(shù)人員做了大量現(xiàn)驗，以東露天礦西1 290 m平臺為例，實際現(xiàn)場平臺穿孔布置示意圖以及穿孔剖面圖，見圖6，圖7。穿孔作業(yè)中記錄的穿透孔情況見表2。

由表2可知，A2～A6的打穿孔深依次為25，19.5，18，20，35 m。

圖5 塌陷爆破效果

圖6 平臺穿孔情況

塌陷爆破的效果一般可用塌落深度來衡量，采空區(qū)塌陷爆破深度的計算公式[11]為

(1)

圖7 A1～A7剖面

表2 穿透孔驗孔記錄

式中，H0為爆堆塌落深度，m；h為采空區(qū)空腔平均高度，m；H為采空區(qū)頂板平均厚度，m；k為巖石松散系數(shù)，一般取1.2；α為周邊孔引起土巖凈拋出系數(shù)，一般取5%。由表2可知空腔平均高度h=9.4 m，頂板平均厚度H=23.5 m，根據(jù)上式：

現(xiàn)場實測H0為5.75 m，故此計算值與實測數(shù)據(jù)相接近，說明達到了塌陷爆破要求。

為了準確地驗證爆破參數(shù)優(yōu)化的成果，工作人員根據(jù)工程實測數(shù)理統(tǒng)計方法，將優(yōu)化前后近14次的采空區(qū)塌陷爆破深度進行統(tǒng)計，結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化前后塌陷深度明細

由表3可知，優(yōu)化后的爆破參數(shù)塌陷深度與理想狀態(tài)下的計算值相接近，而絕對誤差比優(yōu)化前的小。所以，優(yōu)化后的爆破參數(shù)達到了要求。

3 結(jié) 論

針對中煤平朔東露天礦在生產(chǎn)實際中所遇到的問題提出了優(yōu)化方案，通過調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、連線方式等技術(shù)手段，提出了孔深20 m分段、環(huán)形等時線起爆等一系列優(yōu)化創(chuàng)新。將塌陷率和塌陷深度作為影響塌陷爆破效果的顯著因素，利用數(shù)理統(tǒng)計和工程實測方法將優(yōu)化前后爆破效果進行對比分析，證明優(yōu)化后改善了采空區(qū)塌陷爆破效果，對工程爆破實踐具有重要意義。

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(責任編輯 徐志宏)

Parameter Optimization of Collapse Blasting in Mined-out Area of East Open-pit Coal Mine

Ni Jingfeng1,2Chen Yuening1,2Wang Mingjun3

(1.CollegeofSafetyScienceandEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Huludao125105，China;2.LiaoningMineSafetyEngineeringKeyLaboratory，Huludao125105，China;3.ResearchInstituteofOpenPitMine，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China)

To eliminate the damage of the mined-out area generated by early small coal mining in Pingsuo East Open Pit Coal Mine to the normal exploitation，blasting drilling holes at mined-out area are detected and pretreated from the view of the origin of the mined-out area.The air interval implements at penetrated hole bottom are adopted to treat the holes by alternating packing with 0.6 m，0.4 m of rock slags.The treated penetrated hole plays a supporting role for massive charges at upper part.In view of problems of low collapse rate and low collapse depth faced in blasting production of the mine，the blasting parameters are optimized.The mathematical statistics and engineering measurement methods are used to contrast the blasting parameters before and after optimization.By changing the borehole-net parameters，charge structure，connection methods and other technical measures，the upper cover layer are collapse and filled into the goaf，thus improving the collapse and blasting effect.The practicality of the optimized blasting parameters is verified，which provides security for subsequent coal mining.

Treatment of goaf，Collapse blasting，Parameter optimization，Application

2015-01-06

國家自然科學基金項目(編號：51104084,51474119)，國家自然科學基金重點項目(編號：U1361211)，高等學校博士學科點專項基金項目(編號：20122121110003)。

倪景峰(1975—)，男，教授。

TD824

A

1001-1250(2015)-04-102-05