某露天礦邊幫開(kāi)采協(xié)同地下空區(qū)處理方案設(shè)計(jì)*

孟 彪 賈世杰 趙國(guó)強(qiáng)

（1.新疆雪峰科技（集團(tuán)）股份有限公司；2.新疆雪峰爆破工程有限公司）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，礦山企業(yè)秉承國(guó)家綠色發(fā)展理念是可持續(xù)發(fā)展的不二選擇［1］。綠色礦山建設(shè)從技術(shù)層面包括生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的改造升級(jí)、露天邊坡治理、歷史遺留地下空區(qū)的處理等，其中，地下空區(qū)處理涉及地表協(xié)同開(kāi)采，是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外常用崩落法、充填法進(jìn)行空區(qū)處理［2］。何斌全等［3］利用充填法處理柿竹園高?？諈^(qū)群，并采用微震監(jiān)測(cè)地下采區(qū)和GPS 監(jiān)測(cè)塌陷區(qū)巖移，建立礦山協(xié)同開(kāi)采的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)；張琪［4］針對(duì)不同類型的采空區(qū)提出同步豎拉槽深孔崩落法和深孔定向聚能崩落法技術(shù)，可一次性處理單層或多層空區(qū)；李建華等［5］制定程序化空區(qū)監(jiān)測(cè)方案，在露天采礦中形成生產(chǎn)與安全預(yù)警為一體的采空區(qū)協(xié)同治理技術(shù)；王燕［6］針對(duì)急傾斜多層礦體提出井下開(kāi)采下盤礦體后露天開(kāi)采上盤礦體的協(xié)調(diào)開(kāi)采技術(shù)，有利于露天開(kāi)采排卸巖石而又深井開(kāi)采卸壓等。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的成果，進(jìn)行國(guó)內(nèi)某露天礦山北區(qū)邊坡開(kāi)采協(xié)同地下空區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)研究。隨著露天開(kāi)采深度增加，該礦山北區(qū)邊坡地下空區(qū)對(duì)地表開(kāi)采作業(yè)形成不良影響，具體表現(xiàn)在邊坡巖石垮落、地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。尤其是露天臺(tái)階上有爆破作業(yè)任務(wù)時(shí)，地下存在大規(guī)模的空區(qū)嚴(yán)重威脅地表安全生產(chǎn)進(jìn)度。為保證該露天礦生產(chǎn)作業(yè)人員及設(shè)備安全，亟需制定地下空區(qū)處理方案。

1 礦山概況

該露天礦山境界標(biāo)高為+1 735 m，工作臺(tái)階高度為12～15 m。經(jīng)過(guò)10余年的露天深凹開(kāi)采，現(xiàn)開(kāi)采水平至+1 510 m，開(kāi)采深度達(dá)200 m 以上。由于20 世紀(jì)當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的井下無(wú)序開(kāi)采行為，遺留大量空區(qū)。根據(jù)該露天礦山空區(qū)探測(cè)資料，現(xiàn)露天礦地下空區(qū)面積約50.6 萬(wàn)m2，體積約526 萬(wàn)m3。地下空區(qū)空間、形態(tài)等方面的特征：①地下采空區(qū)大小不等、形狀極不規(guī)范，多層貫穿；②隨著開(kāi)采延深，大部分空區(qū)已經(jīng)處理，僅剩采場(chǎng)北區(qū)邊坡下空區(qū)較為集中，處理難度較大。區(qū)內(nèi)主要以石英巖、長(zhǎng)英角巖斷裂含水層為主，單位用水量0.003～0.224 L/s·m，對(duì)露天礦床開(kāi)采影響不大。礦區(qū)內(nèi)以輝綠巖和花崗巖為主，礦巖傾角60°～80°，巖石普氏硬度f(wàn)=8～12，裸露巖體風(fēng)化程度較高?？諈^(qū)易引發(fā)的危害如下。

（1）地下采空區(qū)存在時(shí)間超過(guò)30 a，部分距離地表較近的空區(qū)上部巖層已經(jīng)垮塌，采空區(qū)支承體風(fēng)化損傷，穩(wěn)定性較差。

（2）危巖體為目前最具有危害的安全隱患，已經(jīng)存在位移變化，威脅到未來(lái)生態(tài)修復(fù)和礦山建設(shè)。

針對(duì)露天采場(chǎng)北區(qū)地下空區(qū)產(chǎn)生的一系列不良災(zāi)害，該露天采場(chǎng)臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)可分為正常臺(tái)階推進(jìn)、地下空區(qū)協(xié)同地表工作面推進(jìn)2種爆破方式。

2 協(xié)同處理方案設(shè)計(jì)

若露天采場(chǎng)臺(tái)階工作面下存在單層或多層空區(qū)，協(xié)同處理過(guò)程涉及多種爆破方式。以多層空區(qū)處理為例，臺(tái)階推進(jìn)時(shí)可分為3 個(gè)部分：①單層采空區(qū)處理（圖1），②側(cè)翼斜孔分次處理空區(qū)（圖2），③最終臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)。

2.1 正常臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行正常臺(tái)階推進(jìn)爆破時(shí)先對(duì)作業(yè)平臺(tái)面進(jìn)行初始平整，提前修好運(yùn)輸?shù)缆罚瑴?zhǔn)備好爆破需用的材料，能夠滿足鉆機(jī)施工要求。采用垂直中深孔爆破，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

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2.2 單層采空區(qū)處理方案

單層采空區(qū)處理時(shí)穿孔設(shè)計(jì)包括探測(cè)孔、周邊炮孔，均垂直水平面向下穿孔。具體孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。探測(cè)孔穿透空區(qū)，探不到采空區(qū)時(shí)探測(cè)孔孔深為24.0 m。

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空區(qū)上方炮孔穿至距離采空區(qū)頂板2.0 m，位于采空區(qū)邊部和采空區(qū)內(nèi)礦柱上的炮孔適當(dāng)加深1.0～2.0 m。

使用的炸藥均為現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥。根據(jù)設(shè)計(jì)孔深，裝藥結(jié)構(gòu)可分為2 種情況：①孔深小于15.0 m的炮孔采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)；②孔深超過(guò)15.0 m的炮孔采用分段間隔裝藥方式。另外，打透采空區(qū)的炮孔應(yīng)先吊孔堵塞，在下部采用巖粉充填2.0 m 后再進(jìn)行裝藥（圖3）。

2.3 側(cè)翼斜孔分次處理空區(qū)

側(cè)翼揭露斜孔逐漸推進(jìn)法適用條件：采空區(qū)頂板厚度小于最小安全厚度，無(wú)法在頂部進(jìn)行采空區(qū)處理。方案的主要特征：首先在滿足頂板最小安全厚度臺(tái)階采用單層采空區(qū)處理的方法崩落第一層采空區(qū)，再將臺(tái)階推進(jìn)至下一層采空區(qū)側(cè)翼，布置斜孔崩落采空區(qū)頂板，然后再一次將臺(tái)階推進(jìn)至采空區(qū)側(cè)翼，布置斜孔崩落頂板，直至采空區(qū)處理結(jié)束。

（1）孔網(wǎng)參數(shù)。穿孔采用高風(fēng)壓潛孔鉆進(jìn)行，采空區(qū)側(cè)翼臺(tái)階穿孔區(qū)域包括正常臺(tái)階、空區(qū)邊部臺(tái)階，正常臺(tái)階炮孔呈三角形錯(cuò)開(kāi)布置，采空區(qū)邊部布置 2～3 排斜孔進(jìn)行加密。其中，I 區(qū)、II 區(qū)、III 區(qū)依次為采空區(qū)由近至遠(yuǎn)的區(qū)域（圖4）。

（2）探測(cè)孔。在第一排與第二排炮孔內(nèi)應(yīng)設(shè)計(jì)一定數(shù)量的探測(cè)孔，探測(cè)孔間距為15 m 左右；探測(cè)孔應(yīng)穿透采空區(qū)，其余斜孔上方炮孔穿至距離采空區(qū)頂板1.5 m。

（3）裝藥結(jié)構(gòu)。采用現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥，孔內(nèi)采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，打透采空區(qū)的炮孔應(yīng)先吊孔堵塞，在下部采用巖粉充填1.5～2.0 m 后再進(jìn)行裝藥，孔口采用細(xì)巖粉密實(shí)充填，充填高度為3.5 m。

（4）爆破方式。炮孔深度小于15 m（臺(tái)階高度），爆破以前端臺(tái)階坡面為自由面進(jìn)行側(cè)向爆破。爆破網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)碼電子雷管孔內(nèi)延時(shí)起爆，控制排采用17 ms雷管，傳爆列采用42 ms雷管。

2.4 最終臺(tái)階爆破設(shè)計(jì)

采用臺(tái)階再造法時(shí)，最終邊坡下采空區(qū)應(yīng)采用預(yù)裂爆破、緩沖爆破、微差爆破相結(jié)合的多功能控制爆破方案崩落采空區(qū)以形成最終邊坡。

（1）鑿巖設(shè)備及孔徑。采空區(qū)上方作業(yè)要求設(shè)備重量小、機(jī)動(dòng)靈活，選用高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)進(jìn)行穿孔，孔徑為140 mm。

（2）孔網(wǎng)參數(shù)。處理臺(tái)階下的采空區(qū)采用預(yù)裂爆破方案，設(shè)計(jì)采用三角形布孔，孔網(wǎng)參數(shù)為4.0 m×5.0 m?？紤]現(xiàn)場(chǎng)巖體發(fā)育，確定預(yù)裂爆破孔間距ɑ為1.4～1.6 m，線裝藥密度q為0.9～1.3 kg/m。

（3）炮孔參數(shù)。預(yù)裂爆破分為前排主炮孔、后排預(yù)裂孔。根據(jù)采空區(qū)資料和施工的探測(cè)孔情況，前排主炮孔位于空區(qū)上方時(shí)，應(yīng)穿孔至空區(qū)頂板2 m處，全部為垂直孔；穿孔區(qū)中部礦柱上孔深設(shè)計(jì)按臺(tái)階高程變化考慮。后排預(yù)裂孔傾向于水平面上垂直預(yù)裂線，按北區(qū)前期預(yù)裂孔爆破的經(jīng)驗(yàn)，后排預(yù)裂孔的超深為0.5 m。設(shè)計(jì)前后排炮孔參數(shù)見(jiàn)表3。

（4）炸藥及裝藥方式。預(yù)裂爆破采用的2#巖石乳化炸藥，以消除或縮小炮眼周圍形成的巖石粉碎圈。主爆破采用現(xiàn)場(chǎng)混裝乳化炸藥。預(yù)裂孔采用不耦合裝藥方式，孔口1 m以上用穿孔形成的巖粉堵塞。

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（5）爆破及網(wǎng)絡(luò)。為降低爆破地震效應(yīng)對(duì)邊坡的破壞，主爆孔、緩沖孔以產(chǎn)生新自由面為出發(fā)點(diǎn)確定微差時(shí)間。

3 工藝要求

3.1 正常臺(tái)階施工

（1）在進(jìn)行正常臺(tái)階推進(jìn)爆破時(shí)先對(duì)作業(yè)平臺(tái)面進(jìn)行初始平整，提前修好運(yùn)輸?shù)缆?，?zhǔn)備好爆破需用的材料，能夠滿足鉆機(jī)施工要求。

（2）穿孔時(shí)超深1 m，孔位誤差不超過(guò)0.2 m，孔深誤差不超過(guò)0.5 m。

（3）炮孔驗(yàn)收包括孔深、孔徑、標(biāo)高的核查，統(tǒng)計(jì)亂孔、透孔數(shù)量。

3.2 空區(qū)處理協(xié)同開(kāi)采施工

（1）臺(tái)階已經(jīng)下降至滿足采空區(qū)頂板最小安全厚度要求和設(shè)備穿孔要求的臺(tái)階水平時(shí)，先平整場(chǎng)地，提前準(zhǔn)備黃泥、水等施工輔助材料，以滿足鉆機(jī)施工要求。

（2）穿孔現(xiàn)場(chǎng)施工要求與正常臺(tái)階穿孔要求一致，穿孔施工必須先探測(cè)孔，禁止邊打探測(cè)孔邊打非探測(cè)孔。

（3）施工時(shí)需有專人觀測(cè)，出現(xiàn)異常情況及時(shí)撤離，進(jìn)行安全評(píng)估及采取排險(xiǎn)措施后可恢復(fù)施工。

4 結(jié) 語(yǔ)

協(xié)同方案預(yù)期可剝離出該礦山北區(qū)協(xié)同開(kāi)采區(qū)域50 m×200 m（寬×長(zhǎng)）范圍的礦石，為礦山創(chuàng)造較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。必要時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破施工實(shí)際效果及時(shí)優(yōu)化爆破方案，以期安全、高效、低成本推進(jìn)露天臺(tái)階工作面。