露天礦成井崩落充填處理地下采空區(qū)實踐

劉 亮,張金龍

(洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司， 河南 洛陽市 471542)

露天礦成井崩落充填處理地下采空區(qū)實踐

劉 亮,張金龍

(洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司， 河南 洛陽市 471542)

三道莊露天礦因前期坑采和大量非法民采，形成了縱橫交錯、相互貫通的高危采空區(qū)，通過對高?？諈^(qū)中上覆虛渣較厚，原巖厚度小，無法采用正常崩落法處理空區(qū)。因此，對地下采空區(qū)處理進行了研究，對D區(qū)1300 m高危復(fù)合空區(qū)進行了詳細調(diào)查，制定了成井崩落充填采空區(qū)的治理方案，通過精心施工，成功回采了高?？諈^(qū)上方殘礦，為臺階按序推進提供了保障。

露天礦;高危采空區(qū);崩落充填

0 引 言

洛鉬集團三道莊礦區(qū)經(jīng)過前期無序的地下開采，在露天開采境界內(nèi)形成了大量的地下空區(qū)，這些采空區(qū)大小形態(tài)不規(guī)則，高度和跨度不一致，形態(tài)復(fù)雜，在空間位置上重疊交錯，雜亂無章，嚴重影響了礦山的正常生產(chǎn)，給礦山施工的人員和設(shè)備帶來了極大的安全隱患，隨著作業(yè)臺階的下降，距離遺留采空區(qū)的距離越來越近，需逐步處理才能確保礦山有序開采。

目前以爆破處理為主，王春毅等采用中深孔爆破成功處理了下層空區(qū)頂板與上層空區(qū)頂板之間隔離厚度小于最小安全厚度時的多層空區(qū)[1]，鄧騏寧等利用地球物探、鉆孔探測及三維掃描精確掌握空區(qū)形態(tài)后對不同形態(tài)的采空區(qū)提出了針對性的處理方案[2]，林謀金等在采空區(qū)頂板厚度小于最小安全厚度時采用邊界局部爆破法進行強制崩落處理[3]，李啟月等通過多孔球狀藥包爆破和直孔掏槽爆破實現(xiàn)空區(qū)上方一次成井，后利用碎石充填實現(xiàn)空區(qū)治理[4]。空區(qū)上部原巖較薄且下部空區(qū)復(fù)雜的高?？諈^(qū)難以采用以上方法解決，對于高危單層空區(qū)已經(jīng)成功運用側(cè)翼崩落充填，逐步蠶食推進的辦法予以解決，對于上部原巖、多層空區(qū)間原巖厚度小的多層高?？諈^(qū)，可利用成井充填方法先解決下部空區(qū)，再側(cè)崩解決上部空區(qū)。通過使用三維掃描儀器結(jié)合礦業(yè)三維軟件，首先采用自動激光掃描系統(tǒng)(CALS)對空區(qū)進行三維掃描并獲得采空區(qū)的幾何參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)在3DMine上對空區(qū)爆破方案進行設(shè)計、爆破效果評價、模擬，利用該流程成功處理了1300空區(qū)，達到了理想的效果，為高?？諈^(qū)的處理找到了一種高效、快捷的處理方法。

1 基本概況

1.1 爆區(qū)地理位置及地質(zhì)概況

本次處理的采空區(qū)位于三道莊露天采場空區(qū)賦存較復(fù)雜的D區(qū)，1342臺階中南部, 爆破區(qū)域總面積625 m2。根據(jù)地質(zhì)資料可知采空區(qū)所在的巖層為含硅灰石透輝石石榴子石矽卡巖(zjs2-2)，雖無明顯破碎帶揭露，但巖層節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖層較破碎，礦體主要賦存在含硅灰石透輝石石榴子石矽卡巖中,預(yù)計平均Mo品位0.120%，平均WO3品位0.090%，爆破區(qū)域無巖漿巖出露。

1.2 空區(qū)概況

本次處理的D區(qū)1300復(fù)合空區(qū)主要包括1300，1330二層空區(qū)，空區(qū)間間隔原巖層較薄，1330空區(qū)上部已經(jīng)處理到1348水平，空區(qū)賦存情況復(fù)雜。

(1) 1300空區(qū)。該空區(qū)被中部礦柱分割為東西2個部分，本次處理的主要區(qū)域為西部區(qū)域，總面積4450 m2，空區(qū)頂板標高1312～1321 m，底板標高1306～1308 m，采高6～19 m；2012年曾通過大孔徑鉆機成孔后碎石充填局部區(qū)域，在一定程度上減小了該空區(qū)的跨度和高度。

(2) 1330空區(qū)。該空區(qū)大部分賦存在1300空區(qū)上方，總面積3830 m2，空區(qū)頂板標高1336～1340 m，底板標高1327～1332 m，采高4～9 m，與1300空區(qū)間原巖厚度小于10 m。

1300空區(qū)與1300空區(qū)賦存情況見表1。

表1 D區(qū)空區(qū)賦存情況

1.3 采空區(qū)探測

地下轉(zhuǎn)露天前已經(jīng)對地下工程資料詳細收集，但由于前期開采混亂，正規(guī)單位規(guī)劃開采形成的采空區(qū)易于標定和控制，但非法盜采形成的采空區(qū)、二次垮塌形成的采空區(qū)，由于形態(tài)復(fù)雜且位置不明，需要探明確認。目前用于探測地下采空區(qū)的技術(shù)方法有鉆探法和地球物理法兩大類。鉆探法特點是形象直觀，尤其結(jié)合三維掃描技術(shù)，可以準確掌握空區(qū)形態(tài)；地球物理法最大的特點就是一次性探測區(qū)域大，具有代表性的為高密度電法、地震類方法、GPR等[5]。

三道莊露天礦在原有資料的基礎(chǔ)上，采用Φ140 mm潛孔鉆機鉆探進一步驗證該空區(qū)，多次利用CALS三維空區(qū)探測儀對該區(qū)域空區(qū)進行了三維激光掃描，準確掌握該空區(qū)的空間位置、形態(tài)、規(guī)模、充填情況等情況，為穿孔爆破方案制定提供詳細的依據(jù)，為成功處理該空區(qū)打下堅實基礎(chǔ)。

(1) 空區(qū)實測。掃描結(jié)果經(jīng)MDL成圖后，利用3DMine軟件對空區(qū)進行了三維建模，掌握采空區(qū)形態(tài)及三維空間構(gòu)造情況，見圖1。

(2) 空區(qū)特點。穿孔區(qū)域只有上部平臺和地下采空區(qū)兩個臨空面，爆破后需確保頂板向下崩落。下部存在前期充填碎石，在確保作業(yè)安全的同時，減少了空區(qū)下部自由面空間；1300空區(qū)面積較大，西部區(qū)面積4450 m2，穿孔區(qū)域僅625 m2，利用爆破巖體松散強制拋擲進一步降低未穿孔區(qū)域空區(qū)高度。

2 爆破設(shè)計與施工

2.1 孔網(wǎng)參數(shù)選擇

根據(jù)礦山現(xiàn)有設(shè)備情況，采用KY-250牙輪鉆機施工，排距5.0 m，孔距5.0 m，采用正方形布孔。為了保證炮孔孔深符合要求，防止因炮孔底部抵抗線小引起炸藥能量的損失。首先利用CLAS三維掃描空區(qū)準確形態(tài)，在三維軟件上精確確定孔深，其次通過盡量將炮孔穿透，再統(tǒng)一堵塞孔底，同時確定周邊臨近孔孔深，確保孔深合格。此次為保證空區(qū)的充填效果，同時增加炸藥單耗來提高下部巖石的破碎程度，采用間隔裝藥，分上下兩段裝藥，上部分層采用多孔粒狀銨油炸藥，下部分層采用乳化炸藥。透孔下段底部吊孔后回填3 m，上下分段選在中部1335.7～1338.7 m之間進行間隔，上部充填4.5 m，采用細巖粉密實充填；裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

共施工Φ250 mm孔36個，其中22個透孔，30 m左右穿透，2個水孔。

圖1 空區(qū)平面圖

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)

2.2 裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥量計算

經(jīng)裝孔藥量計算，本次爆破總裝藥量32.754 t，銨油炸藥15.023 t，乳化炸藥17.731 t。下層炸藥單耗2.23 kg/m3，上層炸藥單耗1.41 kg/m3，綜合炸藥單耗1.76 kg/m3。

2.3 起爆網(wǎng)路和起爆順序

本次爆破采用澳瑞凱非電毫秒延期雷管和導(dǎo)爆索起爆，每段藥柱內(nèi)裝有1個起爆體和2發(fā)導(dǎo)爆管，采用下段整體下壓靠近地表段齊發(fā)爆破，網(wǎng)絡(luò)為分層分段起爆，地表復(fù)式環(huán)形起爆網(wǎng)絡(luò)。下層采用400 ms延期雷管起爆，上層采用800 ms延期雷管起爆起爆，層間間隔400 ms，起爆器引爆，多種措施確保了網(wǎng)絡(luò)安全可靠。爆破網(wǎng)絡(luò)見圖3。

圖3 爆破網(wǎng)絡(luò)

3 爆破施工安全

3.1 施工安全措施

(1) 爆破指揮部首先對參加本次爆破施工的全部人員集中進行一次爆破安全教育，其次各小組對各自的職能范圍進行教育。在爆破施工期間，嚴格限制危險區(qū)域作業(yè)人數(shù)，各現(xiàn)場施工人員必須嚴格按有關(guān)規(guī)定程序進行作業(yè)，嚴禁攜帶煙火進入爆區(qū)，裝藥、連線過程中嚴禁車輛和設(shè)備在爆區(qū)周圍20 m內(nèi)運行，安全保衛(wèi)人員要劃定警戒線阻止一切閑雜人員進入施工現(xiàn)場。

(2) 在施工中利用無線聲發(fā)射連續(xù)監(jiān)測本爆區(qū)和周邊的地壓活動情況，發(fā)現(xiàn)異常及時報告并撤離。隨時收聽天氣方面信息，在裝藥期間若出現(xiàn)大風、雷及大雨，應(yīng)停止裝藥，所有人員撤離爆區(qū)。雷雨停后，裝藥工作恢復(fù)由指揮部根據(jù)實際情況分析，確定安全后再進行

(3) 現(xiàn)場標出安全撤離路線，要有明顯標志，做到參加人員人人皆知，建立應(yīng)急預(yù)案，如發(fā)現(xiàn)危及人身安全的險情，應(yīng)立即組織人員撤離，沿采場道路撤至2#站。

(4) 爆破后根據(jù)三維激光掃描得到采空區(qū)幾何參數(shù)，通過測量充填量對采空區(qū)爆破處理后的效果進行評估，確認排除該區(qū)域作業(yè)的安全隱患后方可進入作業(yè)。

3.2 爆破地震效應(yīng)

距離待處理采空區(qū)300 m處為新建1號破碎站，并且周邊空區(qū)較復(fù)雜，為了保證1號破碎站安全以及爆破對周邊空區(qū)的影響。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》 “礦山井下巷道、硐室工程允許質(zhì)點振動速度為15～30 cm/s”。爆破振動的大小與炸藥量、距離、介質(zhì)情況、地形條件以及爆炸方法等因素有關(guān)，目前主要根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式進行計算，其表達式為：

(1)

式中 ，v為質(zhì)點振動安全最大允許速度，cm/s；R為測點到爆源中心距離，m；Q為延時爆破中最大一段裝藥量，kg；K為與炸藥性質(zhì)、爆破方式、地形地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)；a為衰減系數(shù)。根據(jù)公式及現(xiàn)場具體條件取K=131.70,a=1.683，Q=17731 kg。通過計算，新1#站質(zhì)點振速為1.29 cm/s;距爆區(qū)20～30 m空區(qū)頂板質(zhì)點振速75.7～155.1 cm/s，極有可能造成垮塌;距爆區(qū)50～60 m空區(qū)頂板質(zhì)點振速22.2～30.6 cm/s，所以本次爆破振動會對周邊60 m以內(nèi)的空區(qū)穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，對60 m外空區(qū)穩(wěn)定影響不大。但爆破后必須加強周邊空區(qū)的監(jiān)測，確保爆破作業(yè)后生產(chǎn)安全。

4 爆破效果

本次爆破成孔率高，可以保證空區(qū)成功處理, 爆破后頂板完全塌落，邊緣整齊，形成直徑約30 m，深15 m的塌陷區(qū)，對周邊空區(qū)進行三維掃描，周邊空區(qū)得到有效充填，爆破取得了預(yù)期效果。爆后空區(qū)三維掃描如圖4所示。

圖4爆后空區(qū)掃描

5 結(jié) 論

(1) 通過對1330復(fù)合采空區(qū)的現(xiàn)場勘查測量，利用CLAS三維掃描技術(shù)準確掌握空區(qū)形態(tài)，在3DMine軟件或SURPAC軟件建立了1330復(fù)合空區(qū)的三維數(shù)字化模型，結(jié)合地表模型為空區(qū)處理爆破方案的設(shè)計打下良好基礎(chǔ)。

(2) 采用分段裝藥，下部用高密度乳化炸藥，爆破后巖石更加破碎，采用奧瑞凱非電毫秒延期雷管起爆，能精確控制上下兩層的延遲時間，同時采用雙發(fā)地下管以及導(dǎo)爆索閉合回路。確保小范圍密集炮孔爆破的準爆性。

(3) 實踐證明采用柱狀藥包強制拋擲爆破可以實現(xiàn)一次成井同時對周邊空區(qū)進行充填，處理空區(qū)效果明顯，充填率達到90%以上，是一種既經(jīng)濟又有效的方法，保障了礦山正常生產(chǎn)進度的同時，消除了安全隱患，對礦山安全、高效、經(jīng)濟開采具有重要意義，為今后處理類似空區(qū)提供了經(jīng)驗。

[1]王春毅，程建勇.露天中深孔爆破處理地下采空區(qū)的實踐[J].采礦技術(shù)，2008,08(5).

[2]鄧騏寧，唐邵輝,等.露天開采不同形態(tài)采空區(qū)處理技術(shù)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2016，36(2).

[3]林謀金,等.局部爆破法強制崩落采空區(qū)的應(yīng)用實踐[J].爆破，2016:3.

[4]李啟月,等.深孔爆破一次成井技術(shù)與應(yīng)用實例分析[J].巖石力學與工程學報，2013:4.

2017￣08￣09)

劉 亮，山東泰安人，工程師，Email:15824921050@126.com。