多層復(fù)合空區(qū)安全高效爆破處理技術(shù)

張 琪

（中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司，北京 100161）

我國金屬礦山開采歷史悠久，在20 世紀(jì)90 年代得到井噴式發(fā)展，受到技術(shù)水平的限制和國家政策的導(dǎo)向，很多礦山采用房柱法、留礦法等空場法回采，不規(guī)范的民采盜采遺留了大量的采空區(qū)，嚴(yán)重影響資源的安全開采。目前，我國礦山多采用崩礦法、充填法、封閉法、支撐法或聯(lián)合法對空區(qū)進(jìn)行處理，從國內(nèi)外空區(qū)處理方法和經(jīng)驗分析，主要以崩落法和充填法為主，其中崩落法處理采空區(qū)多用于空區(qū)規(guī)模小、形態(tài)規(guī)整的地下礦山[1-4]。而對于井工轉(zhuǎn)露天開采的礦山，在地下復(fù)雜群空區(qū)條件下進(jìn)行露天采礦，在保證露天采礦安全高效生產(chǎn)的同時，采用經(jīng)濟合理、技術(shù)可行的方法對空區(qū)進(jìn)行同步處理，其技術(shù)難度大，安全風(fēng)險高。因此，研究地下轉(zhuǎn)露天礦山中復(fù)雜空區(qū)條件下露天礦體安全高效開采技術(shù)具有重要意義[5-7]。

1 礦山概況

某鉬礦是一家鉬資源綜合利用的礦業(yè)企業(yè)，礦區(qū)鉬金屬儲量50 萬t，礦區(qū)內(nèi)共有鉬礦體5 個，主礦體為M1。M1 礦體形態(tài)呈似層狀，向四周及深部分枝尖滅?？傮w走向318°，傾向南西，傾角在15°～26°之間，平均傾角20°，最大傾角42°。礦體中主要礦石礦物有4 種類型，分別為長英角巖型、透斜角巖型、矽卡巖型、花崗巖型，其中以長英角巖型礦物為主，約占72%，平均品位0.073%。

該礦開采歷史較長，原先井工開采主要采用淺孔留礦法和房柱法。在開采的過程中出現(xiàn)大量的非法盜采和無序開采導(dǎo)致井下留下了大量的不規(guī)則和多層重疊采空區(qū)，嚴(yán)重制約了礦山的安全生產(chǎn)。在地采轉(zhuǎn)露采的過程中，給礦山作業(yè)人員和設(shè)備帶了極大的安全危險。礦山的采空區(qū)主要集中存在于礦床北區(qū)，受空區(qū)影響的資源約占礦床資源的1/4，同時地下空區(qū)均存在于富礦段，礦體品位約為0.1%。首采區(qū)全部受空區(qū)影響而無法開采，并且隨著露天開采深度下降，工作平臺距離采空區(qū)更近，安全風(fēng)險更大。為了企業(yè)穩(wěn)定、健康、持續(xù)的發(fā)展，亟需解決露天采礦與空區(qū)處理的問題，針對不同類型采空區(qū)，確定不同的處理方法，開發(fā)多層復(fù)合采空區(qū)一次處理方法，實現(xiàn)露天強化開采。

2 露天強化開采協(xié)同技術(shù)

根據(jù)井下空區(qū)的巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、賦存形態(tài)、空區(qū)之間的相互關(guān)系、空區(qū)的穩(wěn)定性情況、采空區(qū)的工程現(xiàn)狀，將既有的采空區(qū)分為了3 種類別，針對不同類別的采空區(qū)采用不同的處理方案[8-12]。

2.1 Ⅰ類采空區(qū)處理方案

Ⅰ類采空區(qū)包含2 種空區(qū)：①單層空區(qū)：這類空區(qū)的頂板穩(wěn)定性較好，圍巖的完整程度高，構(gòu)造不發(fā)育，并且頂板隔離層的厚度小于安全厚度，空區(qū)暴露面積較大；②多層空區(qū)：該類空區(qū)頂板厚度大于最小安全厚度，而且空區(qū)側(cè)面有較好的臺階面為爆破自由面。Ⅰ類空區(qū)在空區(qū)形態(tài)清楚、地壓活動穩(wěn)定的條件下，利用臺階坡面與空區(qū)為自由面，采用中深孔崩落法處理。Ⅰ類空區(qū)中深孔崩落法如圖1。

圖1 Ⅰ類空區(qū)中深孔崩落法

2.2 Ⅱ類和Ⅲ類采空區(qū)處理方案

針對多層復(fù)雜采空區(qū)的情況，由于受到既有工程的限制，處理的順序為自上而下。這樣已經(jīng)處理的上層空區(qū)的爆破廢渣覆蓋在下層空區(qū)的頂板之上，該類采空區(qū)為Ⅱ、Ⅲ類采空區(qū)。Ⅱ、Ⅲ類采空區(qū)的頂板與臺階面之間的厚度小于安全厚度，且空區(qū)跨度大、礦柱少、穩(wěn)定性差，存在坍塌的隱患。因此，在臺階作業(yè)時，如臺階面下存在Ⅱ、Ⅲ類采空區(qū)，禁止重型機械設(shè)備進(jìn)入臺階面作業(yè)。

2.2.1 同步豎拉槽深孔（分段）崩落法

當(dāng)露天開采地下存在大體積復(fù)雜多空區(qū)時，并且空區(qū)頂板到地表之間的隔離層厚度大，超過了作業(yè)要求的最小安全厚度，而露天采礦和空區(qū)處理過程中地表無可利用的爆破自由面，只能利用下部空區(qū)自由面爆破。同步豎拉槽爆破技術(shù)是在空區(qū)上部地表布置拉槽深孔，利用地下空區(qū)為自由面，在整體爆破的同時超前其它炮孔強制爆破，形成由地下空區(qū)直通地表的切割槽，爆區(qū)其它炮孔以該切割槽為自由面?zhèn)认虮啤?/p>

同步豎拉槽深孔崩落法是將深孔布置于空區(qū)上方，以采空區(qū)上方中間位置的一定數(shù)量的深孔為中心，提前周邊孔1～2 段同次爆破。當(dāng)強拉槽孔深大于15 m 時，采用孔內(nèi)分段，以空區(qū)為自由面自下而上爆破，形成采空區(qū)直通地表的切槽；周邊深孔以切槽為自由面，采用深孔側(cè)向爆破，一次將頂板崩落至采空區(qū)中，填實處理空區(qū)。

同步豎拉槽深孔（分段）崩落法采用深孔鉆機穿孔，首要原則是在采空區(qū)上鉆鑿下向孔時，必須穿透采空區(qū)頂板；而在礦柱范圍內(nèi)鉆孔時，須保證鉆孔深度超過下層空區(qū)頂板高度的2～3 m。同步豎拉槽深孔崩落法鉆孔布置如圖2。

圖2 同步豎拉槽深孔崩落法鉆孔布置

2.2.2 深孔定向聚能崩落法

在以下2 種情況下采用深孔定向聚能崩落法處理多層采空區(qū)：①當(dāng)上層空區(qū)頂板至臺階面的厚度大于最小安全厚度，空區(qū)周圍或者臺階坡面不能提供爆破自由面，并且最上層空區(qū)頂板至臺階面的厚度小于最小安全厚度時；②多層空區(qū)復(fù)合，下層空區(qū)頂板與上層空區(qū)底板之間的厚度小于最小安全厚度，當(dāng)上層空區(qū)與下層空區(qū)的面積相差不大時。

深孔定向聚能崩落法是礦床露天開采過程中，當(dāng)?shù)叵麓嬖谙嗷ブ丿B多層復(fù)雜采空區(qū)時，且上層空區(qū)面積小于下層空區(qū)面積或者面積差別不大，上下層空區(qū)之間的隔層厚度小于最小安全厚度時，在地表采用深孔爆破進(jìn)行空區(qū)處理和回采，沿上層空區(qū)周圍布置深達(dá)下層空區(qū)頂板的定向深孔，爆破崩落下層空區(qū)頂板及基腳，在上下各層空區(qū)的周圍形成切割帶，使下層空區(qū)和其上部各層空區(qū)頂板同時失去支撐，一次性處理多層采空區(qū)。深孔定向聚能崩落法鉆孔布置如圖3。

圖3 深孔定向聚能崩落法鉆孔布置

3 工程應(yīng)用實例

以Ⅲ類采空區(qū)為例，試驗區(qū)面積2 770 m2，巖性主要是矽卡巖及長英角巖，礦巖硬度系數(shù)為10～12，礦巖堅硬。試驗區(qū)沒有大的構(gòu)造帶出現(xiàn)，巖層穩(wěn)固性較好。礦體主要賦存于矽卡巖和透輝石斜長石角巖中，礦石品位為0.12%。試驗區(qū)內(nèi)分別在+1 350 m水平和+1 365 m 水平有2 個較大的采空區(qū)。+1 350 m 水平采空區(qū)標(biāo)高在+1 348～+1 357 m，空區(qū)高度3.0～7.5 m，空區(qū)面積約為2 350 m2，空區(qū)體積約為16 450 m3，最大跨度為16 m×61 m；而+1 365 m 水平采空區(qū)標(biāo)高在+1 365～+1 371 m，空區(qū)高度3.0～6.5 m，空區(qū)面積約為1 050 m2，空區(qū)體積約為5 250 m3，最大空區(qū)跨度為12 m×26 m。

根據(jù)該區(qū)內(nèi)采空區(qū)呈上下重疊分布，采空區(qū)間頂板原巖厚度小，在+1 365 m 水平空區(qū)范圍內(nèi)重疊的+1 350 m 水平空區(qū)礦柱少的特點，只要將2 個空區(qū)之間頂板原巖崩落即可以達(dá)到一次性處理+1 365 m 水平與+1 350 m 水平空區(qū)的目的。+1 365 m 水平與+1 350 m 水平空區(qū)呈上層空區(qū)小，下層空區(qū)大的賦存形態(tài)，空區(qū)間頂板原巖厚度小，+1 365 m 水平空區(qū)范圍內(nèi)重疊的+1 350 m 水平采空區(qū)礦柱少的特點，采用深孔強制崩落放頂?shù)姆绞綄?fù)合空區(qū)進(jìn)行處理。即在正常處理+1 365 m 水平空區(qū)的同時，沿+1 350 m 水平空區(qū)邊界線布置深孔，強制崩落與+1 365 m 水平空區(qū)重疊的下部+1 350 m 水平空區(qū)頂板，深孔分段爆破，使2 個空區(qū)的頂板失去支撐，加之上層+1 365 m水平空區(qū)塌落巖石的沖擊力，實現(xiàn)放頂崩落一次處理重疊空區(qū)。

根據(jù)巖石硬度以及空區(qū)處理要求，設(shè)計爆區(qū)采用三角形布孔，孔網(wǎng)參數(shù)為5 m×3.8 m，根據(jù)空區(qū)賦存情況對部分孔距加密到4 m。前排最小抵抗線為3.5 m，底盤抵抗線4.5～5.5 m。炮孔穿至距空區(qū)頂板2.0～2.5 m，礦柱上深孔應(yīng)超深穿至空區(qū)底板水平，同時礦柱上深孔加密至4 m。

爆區(qū)采用2 臺368A 鉆機穿孔，穿孔直徑φ=140 mm。設(shè)計鉆孔161 個，受場地影響部分孔無法施工，實際成孔130 個，其中有透孔72 個，最大空區(qū)高9.0 m，穿孔深度為3.6～24.5 m，總孔深1 792.5 m，爆破量約為36 260 m3。周邊孔采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，上部用細(xì)巖粉密實充填；對空區(qū)頂部的部分大于19 m 的深孔采用上下間隔分層裝藥，中間間隔高度3 m，采用細(xì)巖粉密實?？卓谏喜砍涮罡叨葹?.5 m。

由于+1 350 m 水平空區(qū)切割深孔周邊無可利用側(cè)向自由面，爆破采用同步豎拉槽爆破技術(shù)，在爆區(qū)整體爆破的同時，中間+1 365 m 水平空區(qū)上方形成由空區(qū)直通地表的切槽，新開1 個自由面。+1 365 m水平空區(qū)上方豎拉槽炮孔全部用1 段微差雷管，同時一次爆破，周邊深孔用2～9 段微差雷管，孔內(nèi)上下分段，下部以+1 350 m 水平空區(qū)為自由面爆破，上部以切槽為自由面?zhèn)认虮?。爆破網(wǎng)絡(luò)采用孔內(nèi)用2 發(fā)非電導(dǎo)爆管雷管起爆，孔外用導(dǎo)爆索連接各孔，網(wǎng)絡(luò)采用復(fù)式雙回路，主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)見表1。

表1 主要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)

試驗區(qū)空區(qū)處理爆破后，同步豎拉槽炮孔成功一次形成了由+1 365 m 水平空區(qū)底板直達(dá)臺階面的切槽，爆區(qū)空區(qū)上方炮孔控制范圍內(nèi)全部出現(xiàn)大規(guī)模塌落，塌陷面積1 200 m2，塌陷深度6～8 m。

本次爆破達(dá)到了一次處理+1 365、+1 350 m 水平2 層復(fù)合重疊高危聯(lián)貫采空區(qū)的目的，消除了+1 375 m 水平臺階下巨大的安全隱患。

4 結(jié)語

1）根據(jù)井下采空區(qū)的巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、賦存形態(tài)、空區(qū)之間的相互關(guān)系、空區(qū)的穩(wěn)定性情況、采空區(qū)的工程現(xiàn)狀，將既有的采空區(qū)分為了3 類：Ⅰ類采空區(qū)為簡單的容易處理的采空區(qū)，Ⅱ類采空區(qū)為復(fù)雜難處理的復(fù)合采空區(qū)，Ⅲ類采空區(qū)為極復(fù)雜極難處理的多層復(fù)合采空區(qū)。并針對不同類型的采空區(qū)提出了不同的處理方案。

2）提出了同步豎拉槽爆破技術(shù)，充分利用側(cè)向自由面，在用露天深孔爆破進(jìn)行采礦與空區(qū)處理的時，在整體爆破的同時，利用空區(qū)為自由面，前段中深孔垂直孔面一次豎向拉槽，使無自由面的深孔爆破轉(zhuǎn)換成側(cè)向爆破，解決了無露天臺階側(cè)向自由面的露天深孔處理地下空區(qū)和采礦的技術(shù)難題。

3）提出了深孔定向聚能崩落技術(shù)，在多層重疊空區(qū)一次處理和采礦時，利用定向聚能控制爆破原理，沿上層空區(qū)周圍布置深達(dá)下層空區(qū)頂板的密集深孔，定向一次同時起爆，爆破沿空區(qū)頂板形成1 條切割帶，崩落下層空區(qū)頂板及基腳，使下層空區(qū)和其上部各層空區(qū)頂板同時失去支撐，一次性處理多層空區(qū)和采礦，為多層復(fù)雜重疊空區(qū)一次處理提供了新理論和技術(shù)。

4）經(jīng)過多層復(fù)合空區(qū)安全高效爆破處理技術(shù)工業(yè)試驗，露天礦共實施空區(qū)處理中深孔爆破28 次，處理空區(qū)面積6.5 萬m2，體積46.5 萬m3。同時恢復(fù)了因密集空區(qū)存在而無法生產(chǎn)推進(jìn)的首采區(qū)西端+1 360、+1 375、+1 390 m 水平臺階，回收礦柱及頂板礦石236 萬t 以上，使得露天礦的生產(chǎn)規(guī)模穩(wěn)定在20 000 t/d，并且未發(fā)生任何因空區(qū)塌陷而產(chǎn)生的安全事故。