大型疊層分布采空區爆破處理技術

白 俊 王彥飛

( 太鋼集團嵐縣礦業有限公司，山西 呂梁033504)

關于采空區的探測，西方發達國家以物探為主、鉆探為輔，而我國目前以鉆探為主、物探為輔［1］。河南洛陽欒川三道莊鉬礦、南泥湖鉬礦均因分布大量井下采空區，采空區探測以有針對性鉆探及三維激光掃描為主;廣東大寶山多金屬礦區經歷過3 次大規模的塌陷和農民盜采，地質條件十分復雜，單一的物探和鉆探方法很難取得較佳的探測效果，因此先采用綜合物探手段鎖定存在采空區( 包括盲空區) 的疑似區域［2-3］，再用鉆探手段進行復核和確認，最后用空區自動激光掃描系統( C－ALS) 進行三維掃描探明采空區并獲得采空區的準確形態。袁家村鐵礦借鑒業內成功經驗，結合自身實際情況，提出“全境界、多要素、交錯網格”的采空區勘測方式，對大型、復雜、疊層分布的空區群采取全高度一次成孔，分區、分層爆破，并與長沙礦山研究院合作開展爆后效果評價，取得了良好的效果。

1 采空區勘測

袁家村鐵礦位于山西省嵐縣梁家莊鄉，是太鋼集團公司“十二五”規劃投資新建的特大型采、選、球團聯合生產礦山。屬于典型的多礦體、多類型、微細粒嵌布、復雜難選、紅磁混合鐵礦石。區內共有33 個小條富礦體，呈豆莢狀斷續分布，原生礦石為石英磁鐵礦［4］。整合前礦區范圍內分布有30 家地下礦山，以區內富礦及原生礦石為開采對象，導致區內產生大規模的采空區。2006 年，山西省第三地質工程勘察院測繪了袁家村鐵礦區內部分采空區。由于采空區的復雜性，前期普查測繪工作所掌握的信息尚不能保障露天礦山安全生產，采空區處于邊探、邊采、邊處理的模式。因此，需要作超前探測。

1.1 人工調查

聘請參與過該地區民采的技術員，通過走訪調查，對有價值線索進行驗證。以空25 群為人工調查疑似區域，后來得到了驗證。

1.2 鉆孔與三維激光掃描相結合

(1) 鉆探。鉆探主要是通過鉆孔的方式尋找采空區，為了確保鉆探效果，袁家村鐵礦采用了“全境界、多要素( 綜合考慮礦體性質、賦存條件等要素) 、交錯網格( 分臺階沿礦體傾向、走向交錯布置) 的鉆探方式”。

(2) 三維激光掃描測定空間形態。為了獲得空區的準確形態，制定合理可行的采空區處理方案，采用C－ALS 對采空區進行三維激光掃描，形成空區形態點云圖，再利用SUPAC 軟件對空區進行了三維形態還原，獲取采空區參數，為采空區爆破設計提供依據。若存在掃描盲區，則多方位補孔掃描，獲取空區準確形態。

(3) 還原采礦方法。結合礦體賦存及探明采空區形態關系，運用地下采礦方法推斷可能存在的采空區，運用鉆探及后續掃描予以驗證。

2 采空區特點

(1) 分布范圍廣。探明的采空區遍布露天采場境界，呈由北向南、從上到下增多的趨勢。與富礦體分布分散、深部為原生礦的礦區地質特點相吻合。

(2) 大型化、復雜化、層疊化。袁家村鐵礦除少量再沉積成因礫巖鐵礦外，礦體產狀均為急傾斜，民采礦山主要采用空場法采礦，所以多見層疊分布的采空區，且空場法采礦因留有不規則礦柱，易形成較大規模采場，已探明的采空區空腔體積多大于1 000 m3。其中空25 群為典型的大型、疊層空區，其體積及形態分別見表1、圖1。

表1 空25 群體積參數Table 1 Volume parameters of mined-out area group 25 m3

2.1 采空區頂板厚度

圖1 采空區爆破處理技術Fig.1 Lateral view of mined-out area group 25

露天臺階安全生產的前提是采空區頂板實際厚度大于最小安全厚度。因此，確定采空區頂板最小全厚度值具有重要意義［5］。目前國內外頂板最小安全厚度計算方法主要有荷載傳遞線交匯法、厚跨比法、破裂拱理論估算法、空場長寬比梁板理論計算法以及三維有限元數值模擬法等［6］。為科學分析袁家村鐵礦采空區頂板保安層厚度，根據礦區采空區分布和頂板巖層的力學特點，在考慮上覆設備載荷作用和一定的安全系數情況下，采用傳統分析方法的同時，采用了極限分析法和彈性力學小變形薄板理論方法對采空區頂板安全厚度進行了復合分析。采取多種理論方法分析得出不同采空區跨度條件下各種巖性預留保安層厚度，并進一步回歸分析得出預留保安層厚度與采空區跨度關系。

所研究的空25 群位于區內2#礦體氧化礦，其安全頂板厚度滿足［7］

式中，h 為采空區安全頂板厚度，m;b 為采空區跨度，m。

各采空區安全頂板厚度見表2。

表2 空25 群參數Table 2 Parameters of mined-out area group 25 m

由表2 可知，空25 －2 不具備二次爆破崩落處理的頂板厚度條件。

2.2 爆破崩落法處理采空區方法

國內采空區處理主要為充填法與崩落法，由于袁家村鐵礦整合前經過多年的地下無序開采，無論是充填法還是井下崩落法都不可行。實踐中逐漸摸索出露天深孔爆破崩落法處理采空區的經驗，即在露天臺階上鉆鑿下向炮孔，通過實施爆破作業強制崩落采空區頂板以充填采空區［8］。前已述及，袁家村鐵礦采空區呈疊層分布，當重疊采空區間隔層厚度小于下層采空區的保安層厚度時，若采用普通中深孔崩落處理上層空區，上層空區崩落處理后，下層空區上部被爆破虛碴覆蓋，下層采空區頂板與臺階面之間的厚度小于安全厚度，若挖機、汽車、潛孔鉆機等重型設備進入臺階上部作業，會成為生產中的重大安全隱患，同時影響臺階推進，制約生產。空25 群屬疊層空區，由圖2 及表1 可知，其下層空區( 空25 －2) 與其上層空區隔板厚度遠小于安全頂板厚度，此空區只能一次處理。

2.2.1 疊層空區爆破處理設計方案［9］

采用分區、分層、延時爆破。

(1) 分3 區:空31、空25( 空25 －2) 、空23( 空25－2) ，見圖2。

圖2 上爆層布孔聯線Fig.2 Hole layout and nonel connection of the upper layer

(2) 分2 層: 上爆層1 725 ～1 700 m; 下爆層1 700 ～1 680 m。

從作業臺階1 725 m 水平至下層空區頂板高度超過45 m，首先以空區最大輪廓線為穿孔范圍，空區周邊孔設計孔深為45 m、下層空區25 －2 保安礦柱處設計孔深60 m，空區內的孔需全部穿透。

(3) 實行分層延時爆破: 首先起爆1 700 ～1 680 m 下爆層，主要為空25 －2 保安礦柱及空25 －2 周邊孔下半段與頂板處孔，保安礦柱作為空區支撐首先爆破可以增加空區暴露面積、誘導下層空區失穩，且起爆孔可作為中間掏槽孔，為外圍輔助孔提供側向自由面，周邊孔作為切割孔、空區頂板周圍巖石爆破可使下層空區頂板形成崩落切割帶，有利于空區頂板崩落;1 725 ～1 700 m 為上爆層，爆破崩落上層空區同時對下層空區頂板產生二次沖擊，加劇下層空區失穩。爆破使用一套地表網絡，層間巖渣回填4 m，下層孔內雷管采用36 m 長375 ms 延期雷管，上層孔內雷管采用18 m 長400 ms 延期雷管。

2.2.2 爆破參數設計

根據以往采空區處理經驗，本次采空區爆破炸藥單耗選取0.81 kg/m3，孔網參數為3.5 m×3.5 m，混裝銨油炸藥車裝藥，余高控制裝藥量。

填塞長度根據以往采空區處理經驗，針對穿透孔用巖渣回填4.0 m，上爆層與下爆層巖渣回填4.0 m，孔口巖渣回填4.0 m。

2.2.3 爆破網絡設計

非電毫秒延期起爆網絡，采用澳瑞凱高精度非電毫秒延期雷管起爆。孔間采用65 ms、42 ms 延期雷管，排間采用25 ms 延期雷管;設3 處起爆點，采用孔內上下分層間隔起爆，孔內自下而上起爆，上下分層自中間起爆點向外傳爆。

2.2.4 施工技術要求

(1) 布孔到位。依據設計，使用全站儀準確放出孔位，采用JK －590 潛孔鉆機精細施工，對空25 －2礦柱上60 m 深的孔，偏斜率應控制在1.5%以內。

(2) 吊孔填塞、分層裝藥。依據吊孔填塞、分層裝藥設計方案，篩選細石料密實填塞穿透孔。然后放置下層孔內雷管，裝藥、填塞隔層后，放置上層孔內雷管，裝藥填塞，孔內雷管聯入地表網絡。

2.2.5 施工驗收

空25 －2 礦柱上深孔測斜運用C －ALS 測出孔口、孔底坐標，計算炮孔偏斜率，均滿足設計要求。

3 爆破效果評價

3.1 體積平衡原理定量計算［10］

空25 群于2014 年5 月29 日爆破，利用體積平衡原理:

式中，vd為空區頂板體積，m3;k 為松散系數，取1.5;vs為爆破后空腔上部爆堆體積，m3;vk為空區體積，m3。

根據采空區掃描資料和爆破前、后區域地形測量圖計算出所需參數，計算過程見表3。

3.2 體積平衡原理定性分析

爆后爆堆中部出現明顯的漏斗形凹陷區，由表3可知，爆后實測礦巖體積較理論值大2 142 m3，誤差率為1.9%;考慮到爆區局部無臺階自由面，爆破夾制、擠壓作用較強，松散系數設定值偏大; 另外，切割孔爆破后產生的大塊巖渣可能形成充填盲區;采空區掃描及測量過程中亦存在一定誤差。綜上所述，誤差在允許范圍，爆破處理達到了預期效果，采空區頂板已完全塌落，空區得到了有效填充。鑒于后續鏟裝作業中出現的小范圍的充填盲區，將爆堆松散系數修正為1.41，以提高今后爆破評價的準確性。

表3 空25 群爆后體積平衡計算Table 3 Volume balance calculation of the mined-out area group 25 after blasting m3

4 結 論

(1) 采空區作為露天礦山重大安全隱患，應采取人工調查、鉆探、三維激光掃描等多種手段徹底弄清楚其分布形狀，尤其是多層空區，要分析研究隔板的安全狀況，對不滿足分次爆破處理的空區群，則要一次性爆破崩落。

(2) 崩落法處理空區的關鍵是穿孔的精度，要對成孔進行偏斜度檢測，確保能實現爆破效果，述及的多層空區需要的鉆孔深度達到60 m，其垂直度很重要。

(3) 為了滿足爆破網路中的層間延時和孔間延時，應選擇誤差小的高精度非電雷管。

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