白馬鐵礦1#溜井區(qū)域盲空區(qū)崩落爆破實踐

楊 超，高文遠，胡方強，夏祥生，高 帆，徐 斌

（攀鋼集團礦業(yè)公司，四川攀枝花 617200）

白馬鐵礦為國內(nèi)特大型露天釩鈦磁鐵礦，有及及坪和田家村2 個采場，共設(shè)計原礦1 500 萬t/a，分一、二期建設(shè)，原設(shè)計礦石采用卡車-溜井-平峒鐵路聯(lián)合開拓運輸方式。由于井筒地質(zhì)等原因?qū)е戮诳逅凹捌翰蓤鲆黄谠O(shè)計的1#溜井和2#溜井一直處于堵塞未能疏通，同時受前期探測技術(shù)限制，僅通過底部放氫氣球探測判斷了堵塞位置，沒有其他盲空區(qū)資料。經(jīng)過多年露天開采活動，采場開采水平下降，溜井垮塌區(qū)是否擴大不得而知，嚴重威脅了上部采場作業(yè)設(shè)備及人員的安全。以及及坪采場1 990～1 975 m 水平臺階1#溜井附近的爆區(qū)為例，介紹正常穿孔過程中出現(xiàn)了疑似盲空區(qū)，為消除生產(chǎn)安全隱患，介紹采取的垮塌空區(qū)范圍確認和爆破方式新實踐。

1 盲空區(qū)概況

根據(jù)生產(chǎn)推進計劃的要求，及及坪采場1 990～1 975 m 水平臺階北部需要穿孔爆破，該部位環(huán)境較為復雜，西側(cè)部分有1#溜井及施工平巷穿過，平巷底板標高為1 969.835～1 971.640 m?？紤]安全因素，爆區(qū)設(shè)計由φ250 mmYZ-35 型牙輪鉆和φ160 mm 液壓鉆機共同穿鑿，施工平巷及溜井區(qū)域交由自質(zhì)量較輕的液壓小鉆負責，φ250 mm 爆孔為32個，φ160 mm 爆孔為54 個，1 990 m 水平爆區(qū)布置與1#溜井垮塌區(qū)域平面圖如圖1。

圖1 1 990 m 水平爆區(qū)布置與1#溜井垮塌區(qū)域平面圖

液壓鉆機穿孔過程中突遇異常情況，主要表現(xiàn)在浮碴過厚穿鑿困難以及穿過硬巖（塊）后鉆桿快速下墜現(xiàn)象，據(jù)鉆機司機描述，異?？坠灿? 個，在1#溜井井口往東25 m 范圍左右，打穿位置在距孔口以下8～17 m 距離不等，經(jīng)現(xiàn)場實際測孔，異?？卓咨钭顪\為2 m（實際孔深18 m，在2 m 位置堵塞），最深為24.2 m。采用鉆探加三維激光掃描的方法確定了空區(qū)的準確范圍和形態(tài)[1]，長29.38 m、寬17.87 m、最大高度11.98 m；并在東南方向發(fā)現(xiàn)有新增空區(qū)：小孔有8 個，大孔有5 個，空區(qū)高度在2～4 m 不等；空區(qū)總體積約2 200 m3。爆區(qū)為混合爆區(qū)，大部分為清碴狀態(tài)，西側(cè)邊排位置壓碴較厚，爆破體為輝綠巖脈和三、四品級（Fe3、Fe4）的礦巖體。距離最近2 035～2 020 m 水平臺階終了邊坡距離約171 m，同臺階東側(cè)有6#電鏟，西側(cè)有8#牙輪鉆。

2 空區(qū)爆破方案

目前，露天礦山采空區(qū)處理主要采用崩落法和充填法，境界內(nèi)的生產(chǎn)臺階處理空區(qū)還是采用強制崩落法。林謀金等針對大寶山礦空區(qū)采用邊界局部爆破法進行強制崩落處理，效果達到預期[2]。崔偉根據(jù)大量的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)可知采用擬定爆破方案對平朔東露天礦采空區(qū)進行塌陷爆破的效果基本滿足預期的要求塌陷率、塌陷深度相比優(yōu)化前有很大改善，為后續(xù)的生產(chǎn)作業(yè)消除了安全隱患[3]。賈寶珊采用逐孔微差起爆一次爆破的方式，在三道莊鉬鎢礦成功的以多層一次處理法，在露天爆破的同時對地下空區(qū)進行了爆破處理，爆破效果良好[4]。

借鑒相關(guān)礦山處理空區(qū)的經(jīng)驗，結(jié)合1#溜井區(qū)域空區(qū)分布特征情況，采場現(xiàn)狀、現(xiàn)場條件、礦巖性質(zhì)、節(jié)理構(gòu)造等因素，本次爆破區(qū)域采用中深孔分區(qū)爆破處理的方法，將其分為A、B、C、D 4 個區(qū)域。A區(qū)域為重點區(qū)域，炮孔已穿透空區(qū)，每個孔裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)等需單獨設(shè)計，方案主要考慮以A 區(qū)為首爆區(qū)域，空腔作為自有面，兩側(cè)向中間拋擲擠壓的多排孔微差爆破。

A 區(qū)炮孔因穿透空區(qū)，根據(jù)邱海濤基于極限分析法與彈性力學小變形薄板理論分析法得到的硫鐵礦采空區(qū)跨度和頂板安全厚度進行擬合得到的表達式為[2]：

式中：h 為頂板厚度，m；b 為采空區(qū)的跨度，m。

該空區(qū)最大跨度為9.54 m，根據(jù)式（1）計算得h=10.78 m，根據(jù)三維激光掃描結(jié)果可知，A 區(qū)炮孔除6-6 號孔底板厚度僅有8.97 m 外，其它孔頂板厚度都大于最小頂板安全厚度10.78 m。考慮原設(shè)計孔網(wǎng)參數(shù)過大，炮孔可裝藥長度僅余3.5～10 m 不等，對A 區(qū)炮孔進行間隔梅花形補孔加密，選用液壓小鉆孔徑160 mm，孔網(wǎng)參數(shù)縮小至2.5 m× 5 m，設(shè)計孔深8 m，補孔8 個。主要目的是保證爆破效果，減少空區(qū)上部大塊，防止大塊群懸于空區(qū)頂部，一次徹底崩落空區(qū)頂板，消除后序鏟裝設(shè)備作業(yè)隱患。另外，將孔深只有12 m 左右的5-6、5-7 2 個孔做回填處理。

穿透A 區(qū)炮孔，為防止炮孔底部漏藥與空區(qū)泄能，采用底部間隔裝藥結(jié)構(gòu)，即底部采用BJQ 氣體間隔器與巖渣為充填物，原則按照上部填塞長度略大于下部填塞長度，以助于空區(qū)頂板塌落；另外，考慮孔壁裂隙破碎嚴重，防止孔壁滲藥，采用套袋裝藥方式。B、C 區(qū)雖位于空區(qū)上方，但離頂板距離較遠，采用現(xiàn)場混裝炸藥連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，在2 種不同孔徑炮孔混合交接區(qū)根據(jù)實際孔網(wǎng)參數(shù)調(diào)整藥量；D 區(qū)為正常區(qū)域，同樣采用現(xiàn)場混裝炸藥連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。

3 爆破技術(shù)設(shè)計

混合爆區(qū)東側(cè)部分為品級Fe3、Fe4的礦石區(qū)域，可爆性好，孔徑φ250 mm，孔網(wǎng)參數(shù)5 m×10 m；西側(cè)部分由輝綠巖與輝長巖脈構(gòu)成的巖體，可爆性較差，孔徑φ160 mm，孔網(wǎng)參數(shù)5 m×5 m。臺階實際段高16 m，超深2 m，孔深18 m，炸藥總體單耗q 選取0.70 kg/m3；A 區(qū)補孔參數(shù)2.5 m×5 m，孔深8 m，炸藥單耗選取不宜過大，控制在0.65 kg/m3左右，防止A 區(qū)整體炸藥偏大，產(chǎn)生沖孔。

對于A 區(qū)（孔口與空區(qū)頂板距離≤17.5 m）來說：對應孔位5-5、5-7、5-9、6-5、6-6、6-7、6-8、7-6、7-7），以及8 個補孔，其中F 號孔為廢孔，共16個孔。A 區(qū)炮孔填塞高度根據(jù)經(jīng)驗公式[5]：

式中：L1為炮孔填塞高度，m；D 為孔徑，m。

式（2）可得L1=3.2～4.8 m。

結(jié)合以往工程實踐經(jīng)驗，根據(jù)每個炮孔孔深差異，考慮到2 個自有面的影響，底部填塞高度設(shè)計2.5 m，選用φ250 mmBJQ 氣體間隔器與巖渣共同填塞，間隔器在φ160 mm 的炮孔撐開長度1.5～2.0 m，填渣高度0.5～1.0 m；上部填塞全部用巖渣填塞，填塞高度3.5～5.5 m。5-7、6-6、7-6 號炮孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 5-7、6-6、7-6 號炮孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

該氣體間隔器首次在采場使用，考慮炮孔炸藥雷管因下部填塞體質(zhì)量不佳滑落至空區(qū)的裝藥風險，采用現(xiàn)場混裝乳化炸藥套袋裝藥，單孔分次少量裝藥，每次裝藥對藥柱高度進行測算，保證設(shè)計裝藥量及填塞高度。對部分填塞高度過大的炮孔進行加藥處理。A 區(qū)總面積約225 m2，總爆破體積約2 921.81 m3（扣除分層計算空區(qū)體積678.19 m3），設(shè)計總藥量1 960 kg，炸藥單耗0.66 kg/m3。

對于B 區(qū)（17.5 m＜孔口與空區(qū)頂板距離≤20 m）來說：對應孔位7-5、8-1；共2 個孔。B 區(qū)炮孔雖未穿透空區(qū)，但孔底距離空區(qū)頂板小于設(shè)計填塞厚度3.5 m，為防止底部空區(qū)泄能，先回填巖渣2 m（即保證炮孔深度15.5 m）后裝藥，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，單孔裝藥量260～280 kg。

對于C 區(qū)（20 m＜孔口與空區(qū)頂板距離）來說：對應φ160 mm 孔位6 個3-4、3-5、4-5、4-6、4-7、5-10；φ250 mm 5 個2-5、2-6、3-6、3-7、4-8；共11個孔。C 區(qū)炮孔雖處于空區(qū)的正上方，但與空區(qū)頂板距離較遠，視為正常炮孔與D 區(qū)合并設(shè)計，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，保證填塞長度。φ250 mm 炮孔單孔裝藥量設(shè)計550～630 kg，φ160 mm 炮孔單孔裝藥量設(shè)計250～280 kg。

4 起爆網(wǎng)路

爆區(qū)為混合穿孔，設(shè)計排數(shù)6 排，設(shè)計孔數(shù)86個，局部有不規(guī)則補孔（牙輪鉆區(qū)域2 個補孔并入第1 排，易鉆A-D 號補孔并入第4 排，E-H 號補孔并入第5 排，2 個探孔并入第6 排）。為保證爆破效果，網(wǎng)路選用地表逐孔網(wǎng)路實現(xiàn)排間微差V 型爆破效果，爆破網(wǎng)路圖如圖3。

圖3 爆破網(wǎng)路圖

起爆點選在1-1、1-2 號孔并同時起爆，中間A、B、C 區(qū)炮孔先于周邊D 區(qū)起爆，實現(xiàn)爆破掏槽作用，礦巖拋擲方向由兩邊向掏槽區(qū)A、B、C 區(qū)及爆區(qū)前方擠壓。避免A 區(qū)炮孔受相鄰炮孔爆破震動影響，使其同排炮孔地表延時時間一致，達到排間分組同時起爆目的。地表雷管用高精度毫秒導爆管雷管25、42、65 ms 搭接，按照一孔雙發(fā)，分別為64、42、62發(fā)；孔內(nèi)雷管用16 段別400 ms 抗水導爆管雷管。

5 爆破準備及施工過程

1）爆破準備。爆破前需要做的準備工作有：①前期推測塌陷區(qū)域探補孔須由1 臺液壓鉆機配1 名司機在白班作業(yè)并派專人監(jiān)護，禁止夜班鉆孔。尤其6-6 號孔周邊補孔時，輕型液壓小鉆鉆孔位置遠離6-6 號孔方向?？?；②爆破前對所有炮孔重新測孔驗收1 遍，對不合格孔進行補透；保證深孔填堵質(zhì)量，水孔只需1 人填孔；③爆破前在坡角處堆積巖渣，防止爆炸沖擊波從工作面與施工平巷交接處沖出產(chǎn)生飛石。

2）爆破施工。爆破施工程序為：①A、B、C 區(qū)為塌陷區(qū)域，圈定安全警示范圍，所有車輛禁止進入?；煅b炸藥車應停放在安全區(qū)域作業(yè)，施工過程中A、B、C 區(qū)裝藥、填孔、聯(lián)網(wǎng)最多2 人施工，并派專職安全員現(xiàn)場監(jiān)護，如有異常立即撤離；②A 區(qū)采用空氣間隔器底部間隔裝藥結(jié)構(gòu)，施工中分次少量裝藥，每次裝藥后必須對藥柱高度進行測算，中途發(fā)現(xiàn)漏藥及時采取措施處理，另外，1#溜井及施工平巷周邊孔裝藥時也應采取防止漏藥措施，采用套袋裝藥，套袋長度超孔口30～40 cm，裝藥過程專人負責，具體孔位：2-1、3-2、4-1、4-2、4-3、5-4、6-3、6-4、7-3，若發(fā)生底部填塞不牢出現(xiàn)滑落，采用傳統(tǒng)底部吊袋填塞，施工組準備好吊繩及編織口袋等工具；③此次爆破網(wǎng)路較復雜，嚴格按照網(wǎng)路設(shè)計要求連接，認真仔細檢查網(wǎng)絡(luò)，防止錯聯(lián)、漏聯(lián)；④本次爆破警戒范圍800 m，炮區(qū)正前方向下增加50%距離，清除警戒區(qū)域內(nèi)所有人員，確保人員安全；⑤為防止垮塌區(qū)域出現(xiàn)漏藥，施工結(jié)束后，應立即組織起爆。

3）爆堆挖裝。挖機作業(yè)應從東向西分步推進，先挖裝一采再依次向內(nèi)挖掘。爆堆其它部位挖掘均應安排在白班進行并設(shè)置現(xiàn)場監(jiān)護人員，禁止夜班作業(yè)，車輛應在挖掘方向另一側(cè)的最大裝車半徑處裝車；每班作業(yè)結(jié)束后，必須將設(shè)備撤至安全位置。

6 爆破效果評價

采空區(qū)處理的效果用塌落深度來衡量[6-8]，即：

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)，取1.2；α 為周邊孔引起土巖凈拋出系數(shù)，取5%。

根據(jù)炮孔設(shè)計相關(guān)參數(shù)（表略）計算得空區(qū)平均厚度H=14.93 m，空區(qū)平均高度H=6.43 m，代入式（3），得H0=4.34 m。經(jīng)過一系列精心組織、設(shè)計、施工，于2019 年5 月13 日11 時對該區(qū)域?qū)嵤┍啤?/p>

通過觀察起爆后空區(qū)上方粉塵圈有明顯被空區(qū)吸入下降的跡象。爆堆整體表面無明顯大塊，粒度均勻，平均隆起高度在1.5 m 左右；A 區(qū)四周隆起，中心區(qū)域有明顯塌陷，塌落高度現(xiàn)場實測3.5 m 左右，與理論計算值相接近，無大塊，初步判斷空區(qū)已被填滿，達到了預期效果。后續(xù)挖裝爆堆松散度好，空區(qū)位置未出現(xiàn)懸頂大塊和根底，說明本次爆破取得了成功，消除了安全隱患。

7 結(jié)語

通過鉆探加三維激光掃描手段探清了盲空區(qū)范圍以及頂?shù)装甯叨?，為空區(qū)崩落爆破方案設(shè)計提供依據(jù)，實現(xiàn)科學合理處理空區(qū)。以空區(qū)范圍及形態(tài)與炮孔孔深的關(guān)系，將混合爆區(qū)劃分為A、B、C、D 4 個區(qū)，將A 區(qū)炮孔在填塞物選擇、裝藥結(jié)構(gòu)及填塞高度等關(guān)鍵參數(shù)上單獨做設(shè)計，為安全、高效、有序爆破施工提供保障。通過裝藥記錄表也可以看出實際上下段填塞高度以及單孔裝藥量等都與設(shè)計幾乎一致。在逐孔微差起爆的基礎(chǔ)上，A 區(qū)采用局部分組同時起爆的方式，實現(xiàn)V 型爆破效果，使得兩側(cè)礦巖充分向空區(qū)拋擲擠壓，爆破效果達到了預期。