某鉛鋅礦采空區(qū)處理與礦柱爆破的協(xié)同技術(shù)

辛文彬，張際敏，林春霞，萬(wàn)串串，崔 松

(1.應(yīng)急管理部礦山救援中心，北京 100013；2.江西耀升鎢業(yè)股份有限公司，江西 贛州 341321；3.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；4.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628)

近年來(lái)，國(guó)家針對(duì)礦山采空區(qū)處理問(wèn)題出臺(tái)了系列相關(guān)政策，明確了采空區(qū)安全隱患有序規(guī)范治理的要求[1-2]。為有效治理采空區(qū)安全隱患，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量的研究工作，取得了積極進(jìn)展。陳慶發(fā)等[3-5]探討了采空區(qū)協(xié)同利用機(jī)制。付建新等[6]提出了硬巖礦山采空區(qū)損傷失穩(wěn)機(jī)制與穩(wěn)定性控制技術(shù)。李俊平等[7]列舉了采空區(qū)處理方法的研究進(jìn)展，專(zhuān)門(mén)闡述了切槽放頂法、切頂與礦柱崩落法、V型切槽上盤(pán)閉合法、硐室及深孔爆破法等聯(lián)合處理方法。陳友東等[8]提出了類(lèi)框架結(jié)構(gòu)采空區(qū)處理新技術(shù)，可降低出礦二次損失和貧化。胡建軍等[9]提出了誘導(dǎo)減振崩落技術(shù)處理國(guó)內(nèi)特大型采空區(qū)的方法。任鳳玉等[10]發(fā)展了一種采空區(qū)預(yù)留礦柱與充填協(xié)同處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)的廢石充填。徐必根等[11]通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)的地壓和位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)特大采空區(qū)崩落處理提供了安全保障。方翔等[12]提出了無(wú)側(cè)向自由面強(qiáng)制爆破處理采空區(qū)的技術(shù)，有效消除了大寶山露天礦下采空區(qū)的影響。這些研究成果為本項(xiàng)目采空區(qū)處理技術(shù)研究及方案制定提供了豐富的技術(shù)參考。

1 礦山開(kāi)采現(xiàn)狀

某鉛鋅礦主要開(kāi)采1#、9#礦體，采礦方法主要是分段鑿巖階段礦房法，中段高度是60 m，分段高度是11 m。1 005 m中段1#礦體已垮通地表，形成泄壓通道，采空區(qū)垮塌不會(huì)對(duì)井下生產(chǎn)及系統(tǒng)造成破壞。1 005 m中段9#礦體采用自上而下的回采方式，先采1 005 m中段，945 m中段基本完成開(kāi)拓工程，1 005 m以上共4個(gè)分段，分別為1 016、1 027、1 038、1 049 m；該礦體共劃分2個(gè)采場(chǎng)，分別為1901及1902采場(chǎng)，中間采用礦柱隔開(kāi)，礦柱寬24 m，2個(gè)采場(chǎng)除底部結(jié)構(gòu)未回收外已經(jīng)基本回采完畢。

1901采場(chǎng)回采至1 038 m標(biāo)高位置，形成采空區(qū)約1 800 m2，采空區(qū)頂板離地表12～15 m。該采空區(qū)西部邊幫靠近斷裂帶，部分垮塌，采空區(qū)南部下盤(pán)1 027 m分段巷道已大部分垮塌。1902采場(chǎng)部分回采至1 049 m標(biāo)高(礦體西低東高)，形成采空區(qū)面積約1 500 m2，采空區(qū)頂板離地表15 m左右。上述2個(gè)大的采空區(qū)，無(wú)通地表的泄壓通道，如頂板出現(xiàn)大面積垮塌，則極可能對(duì)井下生產(chǎn)及系統(tǒng)造成災(zāi)難性破壞。采空區(qū)現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 9#礦體采空區(qū)現(xiàn)狀Fig.1 Mine goaf current situation of 9# ore body

2 礦山存在問(wèn)題分析

1)9#礦體1 005 m中段以上采空區(qū)沒(méi)有與地表貫通，如采空區(qū)發(fā)生大面積垮塌，所形成的沖擊波勢(shì)必對(duì)井下人員、設(shè)備造成較大破壞，因此，1901、1902采空區(qū)必須盡快破頂，形成覆蓋層及泄壓通道，解決采空區(qū)安全隱患。

2)945 m中段正在進(jìn)行采準(zhǔn)工程施工，目前存窿礦量?jī)H維持選廠(chǎng)生產(chǎn)至2016年3月底(當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù))，若考慮1#礦體底部從2016年2月開(kāi)始采用深孔拉塹溝，副產(chǎn)礦量約5～6 萬(wàn)t，因此，公司選廠(chǎng)將面臨至少1個(gè)月無(wú)礦可選的境地，亟需回采9#礦體1 005 m中段24 m隔離礦柱，以保證選廠(chǎng)持續(xù)供礦。

3 采空區(qū)頂板強(qiáng)制崩落技術(shù)

3.1 方案選擇

由于9#礦體上部形成采空區(qū)面積較大，高度較高，且沒(méi)有貫通地表，當(dāng)務(wù)之急是先破頂開(kāi)天窗，盡早形成泄壓通道及覆蓋層，然后再考慮礦柱回采及空區(qū)處理等難題。為此，初步制定了2種方案。

方案1：首先在位置①進(jìn)行采空區(qū)頂板破頂，破頂完成后，按照先超前處理部分采空區(qū)，接著回采部分礦柱的總體思路，1901采空區(qū)分2次爆破破頂，1902采空區(qū)分3次爆破破頂，礦柱采場(chǎng)分5次爆破，具體實(shí)施的先后順序以圖中編號(hào)為準(zhǔn)(見(jiàn)圖2)，礦石廢石分采分運(yùn)，礦石部分保證入選品位以上，其他按廢石運(yùn)至地表廢石堆場(chǎng)。

圖2 礦柱回采與采空區(qū)分步分區(qū)同步處理方案Fig.2 Synchronous processing scheme of pillar recovery and mine goaf partition

方案2：首先在位置①進(jìn)行采空區(qū)頂板破頂，破頂完成后，從1 005 m中段底部結(jié)構(gòu)鏟出部分礦石，出礦的過(guò)程不能露出眉線(xiàn)，后續(xù)立刻進(jìn)行②、③、④、⑤連續(xù)爆破，即每次爆破后補(bǔ)償空間足夠的條件下不立即出礦，即可準(zhǔn)備下一次爆破，最短的時(shí)間內(nèi)完成礦柱礦石的爆破工作，礦柱采場(chǎng)崩完后，借助地表對(duì)采空區(qū)1901、1902進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在保證安全的條件下盡早完成出礦(見(jiàn)圖3)。

圖3 礦柱連續(xù)崩落方案Fig.3 Pillar continuous caving scheme

2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示，由表可知方案1分步處理1901、1902采空區(qū)頂板，可保證采空區(qū)崩落在可控范圍內(nèi)，但現(xiàn)場(chǎng)施工炮孔難度很大，并且炮孔需穿過(guò)角礫巖層，無(wú)法保證炮孔成形。方案2集中崩落礦柱，提高礦柱回采率，對(duì)選廠(chǎng)可快速供礦，緩解礦石供應(yīng)短缺難題，但缺點(diǎn)是兩側(cè)采空區(qū)頂板垮落相對(duì)不可控。綜合考慮各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，推薦方案2，但需詳細(xì)論證礦柱爆破破頂方案。

表1 2種方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of two schemes

3.2 爆破施工及效果

9#礦體對(duì)應(yīng)的地表為自然山體，附近200 m區(qū)域無(wú)建(構(gòu))筑及其他設(shè)施，爆區(qū)內(nèi)無(wú)永久性保護(hù)設(shè)施，區(qū)外西南側(cè)200 m以外的平硐口附近有礦山壓風(fēng)機(jī)站及輔助建筑設(shè)施、水泵房及熱風(fēng)爐站，東側(cè)600 m外為東風(fēng)井建筑及風(fēng)機(jī)設(shè)施。

礦體頂?shù)装鍨榛旌蠋r，混合巖屬于堅(jiān)硬的、不易變形的巖層，穩(wěn)定性好。礦石類(lèi)型為石英-螢石-硫化物膠結(jié)的致密長(zhǎng)石角礫巖型，抗壓強(qiáng)度445.9～20.21 kg/cm2，相當(dāng)于f=5～20。礦石密度2.85 t/m3，巖石密度2.7 t/m3，礦石松散系數(shù)1.6～1.72，按1.6計(jì)算。9#礦體地下水來(lái)自第四系沖積沉積層孔隙水，涌水量較小，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

1)爆破范圍。本次爆破是9#礦體1 005 m中段礦柱采場(chǎng)1 038 m分段破頂扇形深孔爆破，破頂位置選擇礦柱5#川北端部的切割槽，破頂寬度為10 m，共2個(gè)分段：1 027、1 038 m分段。

累計(jì)共383個(gè)孔，設(shè)計(jì)孔深3 277.6 m，由于實(shí)際施工過(guò)程中，出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象嚴(yán)重，致使9#礦體1 038 m分層切割槽深孔設(shè)計(jì)孔深與實(shí)測(cè)孔深相差較大，大量炮孔出現(xiàn)堵塞情況，尤其是西側(cè)炮孔堵塞長(zhǎng)度約7～8 m。預(yù)計(jì)此次崩礦量14 900 t。

2)爆破施工主要參數(shù)。根據(jù)炮孔驗(yàn)收的實(shí)際情況，1 005 m中段9#礦體孔口距約0.7 m，孔底距1.8～2.2 m，取2 m，排間距1.6 m，炸藥單耗初步按1.1 kg/m3確定。設(shè)炮孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)(L按孔深H的1.1倍計(jì)算)、裝藥密度950 kg/m3，則每米孔的線(xiàn)裝藥量計(jì)算如下：

(1)

式中：a為孔口距；b為孔底距；H為孔深；W為排距；q為炸藥單耗；L為炮孔長(zhǎng)度。

計(jì)算得Q線(xiàn)=2.16 kg/m。

采用散裝炸藥，耦合裝藥，實(shí)際每米孔裝藥量(炮孔孔徑d=60 mm)，計(jì)算如下：

Q線(xiàn)裝=Sρ

(2)

式中：S為炮孔面積；ρ為裝藥密度。

計(jì)算得Q線(xiàn)裝=2.68 kg/m。

由全孔線(xiàn)長(zhǎng)度裝藥率=Q線(xiàn)/Q線(xiàn)裝=2.16/2.68=80%，即對(duì)10 m長(zhǎng)的炮孔裝藥長(zhǎng)8.0 m，填塞長(zhǎng)2.0 m。

3)起爆網(wǎng)路。實(shí)際裝藥時(shí)，共分11個(gè)段別起爆，起始段位為2段，即2～12段，其中最大單響在第4段位，實(shí)際分配炸藥量為695 kg(見(jiàn)圖4)?？偪咨? 786.7 m，裝藥系數(shù)為80%，孔數(shù)383個(gè)。

圖4 起爆網(wǎng)路Fig.4 Detonating network

4)爆破危險(xiǎn)區(qū)圈定

①爆破振動(dòng)的安全距離

R地=(K/v)1/αQ1/3

(3)

式中：R地為爆破振動(dòng)波的安全距離；v為爆破振動(dòng)波安全速度，對(duì)于土坯房取1 cm/s，對(duì)于巷道取25 cm/s；K為與爆破地形地質(zhì)相關(guān)系數(shù)，取250；α為爆破振動(dòng)波隨距離衰減系數(shù)，取1.8；Q為延時(shí)爆破最大單響藥量，取695 kg。

通過(guò)計(jì)算，爆破振動(dòng)的安全距離：對(duì)于土坯房，R地土=193 m；對(duì)于巷道，R地巷=34 m。

②爆破空氣沖擊波的安全距離

R沖=K沖Q1/2

(4)

式中：R沖為距爆破中心的安全距離；K沖為按被保護(hù)安全等級(jí)而定的系數(shù)，對(duì)物取2，對(duì)人取5；Q為延時(shí)爆破最大單響藥量，取695 kg。

通過(guò)計(jì)算，爆破空氣沖擊波的安全距離：R沖人=132 m；R沖物=53 m。

綜合考慮，取其中最大值R地土=193 m，作為本次爆破施工的最大安全距離。

③爆破飛石安全校核

井下范圍：R飛=(15～16)d×102=92～98 m，爆破時(shí)安全人員全部撤出硐內(nèi)，不會(huì)發(fā)生飛石傷人情況。

地表范圍：由于破頂爆破，直通地表，會(huì)產(chǎn)生大量爆破飛石，因此，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)規(guī)定的爆破安全飛石安全距離，取300 m。由于爆破在山坡上爆破，下坡方向的飛石安全距離應(yīng)增大50%，即450 m，考慮其他不穩(wěn)定因素及坡頂廢石影響，本次爆破安全距離適當(dāng)加大，設(shè)定為600 m范圍，即以爆破中心為圓心，600 m范圍內(nèi)設(shè)置警戒，并專(zhuān)人看守，嚴(yán)禁人員進(jìn)入警戒范圍內(nèi)，同時(shí)參與警戒人員做好自身防護(hù)工作。

5)爆破效果。施工時(shí)嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行裝藥、聯(lián)線(xiàn)，并按照預(yù)計(jì)時(shí)間準(zhǔn)時(shí)起爆，爆破后地表成功打開(kāi)了“天窗”，長(zhǎng)約40 m，寬約22 m，面積約880 m2，形成了貫通的泄壓通道(見(jiàn)圖5)，至此解除了采空區(qū)頂板垮落帶來(lái)的地壓風(fēng)險(xiǎn)，整體達(dá)到了預(yù)期爆破效果。

圖5 破頂效果Fig.5 Roof breaking effect

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)某鉛鋅礦945 m中段以上采空區(qū)處理與礦柱安全回采工程實(shí)例可知，礦柱爆破破頂技術(shù)方案整體上是可行的，爆破達(dá)到了開(kāi)“天窗”的效果，消除了采空區(qū)頂板垮落的地壓風(fēng)險(xiǎn)。

2)礦柱爆破施工方案按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了嚴(yán)格設(shè)計(jì)，但在實(shí)際施工過(guò)程中，部分區(qū)域堵孔現(xiàn)象嚴(yán)重，致使實(shí)際裝藥長(zhǎng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，通過(guò)調(diào)整起爆順序等措施，將破頂區(qū)域范圍的炮孔由原來(lái)的分段爆破改成集中同段爆破，增大爆轟能量，最終實(shí)現(xiàn)了地表成功破頂。

3)地表形成“天窗”后創(chuàng)造了安全作業(yè)環(huán)境，同時(shí)為遺留礦柱的回采提供了充足的爆破自由面，確保了礦山的可持續(xù)安全生產(chǎn)。