某鐵礦采空區(qū)治理與露天開采協(xié)同技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

李建華 劉俊龍 樊保龍 張 威 蒲加永 張亞群 張立華

(北方爆破科技有限公司)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國逐漸成為礦產(chǎn)資源開發(fā)利用大國，由于資源賦存條件、采礦方法和開采規(guī)模等客觀因素的限制，一些遺留下來的地下礦山空區(qū)治理問題逐漸顯現(xiàn)。如何有效消除空區(qū)及其帶來的影響已成為礦產(chǎn)資源整合企業(yè)在安全生產(chǎn)中面臨和亟需解決的問題之一[1-2]。

空場采礦法是我國金屬礦山應(yīng)用最為廣泛的一種采礦方法，要求礦石與圍巖達(dá)到中等以上穩(wěn)固，具有成本低、能力大、效率高等優(yōu)點(diǎn)；但在開采工作結(jié)束后會(huì)在采場留下大量的礦柱與采空區(qū)[3]。伴隨著礦房、巷道、硐室等地下工程周邊的巖體松動(dòng)變形，會(huì)出現(xiàn)塌方、冒落等情況，造成安全隱患，基于此，對露天開采范圍內(nèi)的地下采礦工程及空區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的勘測，及時(shí)消除空區(qū)隱患，為露天開采提供一個(gè)相對安全的工作環(huán)境，具有重要的實(shí)際意義。

隨著國家“十三·五”去產(chǎn)能工作的開展，礦產(chǎn)資源整合力度不斷加大，河北省北部一礦山企業(yè)通過資源整合，將礦區(qū)內(nèi)10余個(gè)地采礦井所形成的采空區(qū)進(jìn)行了規(guī)劃，采用露天開采與采空區(qū)治理相結(jié)合的方式進(jìn)行一體化協(xié)同處理，消除空區(qū)隱患，保障安全生產(chǎn)的前提下實(shí)施露天采礦生產(chǎn)，以達(dá)到采空區(qū)治理與露天開采兼顧的目的。

1 工程概況

某礦企礦石為磁鐵礦，密度為3.35 t/m3；脈石有透閃石、方解石等，密度為2.75 t/m3；采場臺(tái)階高度為12 m，設(shè)計(jì)采剝總量為1 000萬t/a，采用φ150 mm潛孔鉆機(jī)開采。該礦企空區(qū)多為之前的小規(guī)模民采空場法采礦形成，其地下有平巷、豎井、巷道、斜坡道、盲豎井、各水平進(jìn)路礦體崩落形成的采空區(qū)等多種類型工程。礦井內(nèi)部分工程如巷道、礦房等周邊圍巖在重力作用下有垮塌跡象，因鐵礦石圍巖具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，地下工程仍較穩(wěn)定。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已探明采空區(qū)面積約36萬m2，體積約330萬m3，最大空區(qū)高度為35 m。

2 采空區(qū)治理與露天開采技術(shù)思路

采空區(qū)治理與露天開采協(xié)同技術(shù)是采用超前勘測等技術(shù)手段對露天采礦生產(chǎn)下部的空區(qū)進(jìn)行探測，并采取相應(yīng)的防控措施，以形成探測、充填、強(qiáng)制崩落和地表采裝運(yùn)輸為一體的協(xié)同開采生產(chǎn)組織模式，其核心技術(shù)為采空區(qū)勘測和頂板崩落。

采空區(qū)處理須考慮礦山地質(zhì)賦存條件、采礦方法、空區(qū)形態(tài)、地壓顯現(xiàn)特征等因素，經(jīng)論證分析后，有針對性地提出安全對策[4]。采空區(qū)處理方法分為“崩、充、撐、封”以及聯(lián)合施工方法。以往空區(qū)治理采用自然塌落和頂板爆破崩落方式，勘測多為技術(shù)員憑感覺、經(jīng)驗(yàn)判斷及潛孔鉆穿孔驗(yàn)證，缺乏必要的地下采礦資料及空區(qū)數(shù)據(jù)支撐。針對空區(qū)類型制定不同方案，建立地采資料收集匯編—采空區(qū)勘測—科技檢測—資料分析反饋—采場實(shí)地放點(diǎn)—生產(chǎn)勘探6個(gè)程序化的采空區(qū)監(jiān)測方案。在露天采礦生產(chǎn)中形成探測、監(jiān)測、充填或崩落處理、采裝、運(yùn)輸、安全預(yù)警為一體的協(xié)同技術(shù)方案，解決露天開采與地下采空區(qū)治理之間的矛盾，保障露天采礦生產(chǎn)的安全高效。

3 采空區(qū)治理與露天開采技術(shù)關(guān)鍵要素

采空區(qū)與露天開采一體化作業(yè)中，完善的安全規(guī)章及完備的采空區(qū)治理技術(shù)方案必不可少，特別是采空區(qū)上部的采礦生產(chǎn)作業(yè)須制定切實(shí)可行的安全技術(shù)管控措施，采空區(qū)治理與露天開采協(xié)同技術(shù)有幾種情況須明確：

(1)采礦終了境界圈定應(yīng)確認(rèn)鄰近露天邊坡30 m 內(nèi)無空區(qū)。

(2)對境界內(nèi)的空區(qū)資料進(jìn)行完整匯總和詳細(xì)分析，聘請專業(yè)的測繪公司對空區(qū)類型及周界進(jìn)行測繪。

(3)不同類型的空區(qū)應(yīng)當(dāng)制定并采取不同的治理方案，做到一個(gè)采空區(qū)對應(yīng)一個(gè)方案。

(4)對于形狀、大小不明空區(qū)，采用潛孔鉆超前勘探。

4 采空區(qū)治理與露天開采協(xié)同技術(shù)應(yīng)用

4.1 采空區(qū)資料收集

抽調(diào)涵蓋地質(zhì)、測量、采礦、安全等專業(yè)的技術(shù)力量，將露采境界范圍內(nèi)的地下采礦及民采項(xiàng)目資料進(jìn)行匯總，建立完善采空區(qū)資料檔案。

匯總采空區(qū)的實(shí)地測繪、科技勘測、生產(chǎn)勘探網(wǎng)格分析等相關(guān)的數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料，作為采空區(qū)治理依據(jù)，為空區(qū)治理及露天開采協(xié)同提供數(shù)據(jù)支持。

聘請測繪公司及科研機(jī)構(gòu)對地下采礦工程及空區(qū)實(shí)地勘測，存留影像及實(shí)測空區(qū)周界坐標(biāo)資料；進(jìn)行地質(zhì)編錄，并對斷層、破碎帶隨空區(qū)垮落形成的二次空區(qū)進(jìn)行測繪和研判。生產(chǎn)勘探以實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)頂板及周界控制為目的，對疑似采空區(qū)及空區(qū)資料不明確的部位采用潛孔鉆機(jī)穿孔，布置一定的網(wǎng)格參數(shù)，重點(diǎn)是礦體部位的穿孔查勘，并對下部礦體形態(tài)及空區(qū)進(jìn)行預(yù)測。某水平生產(chǎn)勘探參數(shù)見表1。

表1 某水平生產(chǎn)勘探參數(shù)

4.2 空區(qū)穩(wěn)定性影響因素分析

采用有限元軟件對采空區(qū)應(yīng)力狀態(tài)及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，經(jīng)測算，采空區(qū)幫壁、頂板與底板為拉應(yīng)力集中區(qū)域，采空區(qū)幫壁與頂?shù)装宓慕唤缣帪閴簯?yīng)力和剪應(yīng)力集中部位；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)于采空區(qū)頂板中央處，最大壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力出現(xiàn)于采空區(qū)邊角處；頂板拉應(yīng)力是導(dǎo)致空區(qū)失穩(wěn)的重要原因[5]。將采礦設(shè)備與空區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，經(jīng)測算，空區(qū)高度小于15 m，面積小于200 m2時(shí)，50～100 t設(shè)備在空區(qū)上方30 m運(yùn)行，對空區(qū)穩(wěn)定性影響不大；當(dāng)?shù)乇碓O(shè)備質(zhì)量超過100 t時(shí)，對空區(qū)穩(wěn)定性影響較為明顯。同時(shí)巖性與地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，對空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響程度會(huì)越大，在露天采礦生產(chǎn)中應(yīng)予以重視。

4.3 采空區(qū)類型及處理方案

針對空區(qū)的不同類型，制定不同的處理方法和策略，空區(qū)類型及處理方案見表2。

表2 采空區(qū)類型及處理方案

4.4 采空區(qū)頂板爆破崩落技術(shù)的關(guān)鍵要素

治理較大的地下空區(qū)，如地下礦房和硐室，通常結(jié)合露天深孔臺(tái)階爆破同步進(jìn)行。露天爆破要既滿足設(shè)備采裝要求，亦作為空區(qū)頂板崩落處理的有效手段，對于空區(qū)的周界定位尤為關(guān)鍵。在采用頂板崩落方法進(jìn)行采空區(qū)治理時(shí)，總結(jié)出了一套關(guān)鍵技術(shù)及流程，見圖1。

圖1 采空區(qū)頂板崩落處理流程

精準(zhǔn)探測采空區(qū)周界及頂板至地表距離，在地表對空區(qū)范圍圈定放點(diǎn)，根據(jù)巖性、地質(zhì)情況及空區(qū)規(guī)模進(jìn)行數(shù)值模擬，校核頂板與地面的最小安全距離，以保證空區(qū)頂板一次崩落，區(qū)分2種情況，見表3。

表3 空區(qū)頂板至地表不同距離的爆破方式

在鄰近采空區(qū)實(shí)施的精細(xì)爆破中，對穿孔精度提出了更高的要求，同時(shí)需要反復(fù)校核孔網(wǎng)參數(shù)及爆區(qū)規(guī)模，以保證爆破后空區(qū)頂板完全崩落。

4.5 采空區(qū)頂板崩落施工

某空區(qū)距地表11 m，穿孔設(shè)備為φ150 mm潛孔鉆機(jī)，采用露天深孔臺(tái)階爆破實(shí)施頂板崩落，炮孔布置見圖2，炮孔參數(shù)見表4。

采用毫秒延期爆破實(shí)施頂板崩落技術(shù)有3個(gè)關(guān)鍵方面：其一，采空區(qū)的周界的精準(zhǔn)定位；其二，正常炮孔、鄰近空區(qū)炮孔和空區(qū)上方崩落孔的穿孔精度；其三，充分利用單孔及爆區(qū)爆破漏斗效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)空區(qū)內(nèi)部頂板及空區(qū)支撐圍巖的完全崩落。

圖2 炮孔布置示意

項(xiàng)目孔徑/mm孔網(wǎng)參數(shù)/m孔深/m頂板上方崩落孔1504.5×48～9空區(qū)邊界臨近炮孔1504.5×414正常炮孔1505×414

5 應(yīng)用效果

某礦企自2017年初實(shí)施采空區(qū)治理與露天開采協(xié)同技術(shù)以來，通過對空區(qū)精準(zhǔn)勘測和采用頂板精細(xì)爆破等一系列技術(shù)方法，空區(qū)頂板得到有效破碎，2017年度處理空區(qū)約2.31萬m3，2018年上半年處理空區(qū)1.02萬m3，空區(qū)隱患得到有效控制，未出現(xiàn)一起因空區(qū)而導(dǎo)致的人員及設(shè)備損失。采空區(qū)治理同采礦生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了良好銜接，未出現(xiàn)因采空區(qū)而導(dǎo)致停工、停產(chǎn)，采掘計(jì)劃兌現(xiàn)率由2016年的80%提高到2017年的90%，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益150余萬元。

6 結(jié) 論

以治理露天礦下部空區(qū)為切入點(diǎn)，簡述了采空區(qū)產(chǎn)生的原因以及常用的治理方法，并以某鐵礦為例，對采空區(qū)治理與露天開采協(xié)同技術(shù)進(jìn)行了闡述，露天礦山下部空區(qū)治理需進(jìn)行詳勘，研究治理方案，及時(shí)消除空區(qū)隱患，為露天礦山開采提供一個(gè)相對安全的工作環(huán)境；采用深孔臺(tái)階爆破技術(shù)對采空區(qū)頂板進(jìn)行爆破崩落，總結(jié)了頂板崩落的技術(shù)要點(diǎn)，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益、安全效益及社會(huì)效益，為類似工程提供借鑒。