礦山采空區崩落爆破評估驗收方法

崔曉榮 林謀金 鄭炳旭 喻 鴻

(1.宏大礦業有限公司，廣東 廣州510623;2.廣東宏大爆破股份有限公司，廣東 廣州510623;3.廣東省大寶山礦業有限公司，廣東 韶關512128)

露天采礦具有采掘設備效率高、生產成本低、施工安全和勞動條件好等諸多優點，因此，國內外的新建和擴建礦山均有大規模采用露天開采或從地下開采轉入露天復采的趨勢［1-3］。在當今礦業“黃金十年”后的寒冬期，我國政策要求對小礦實行撤消、合并，鼓勵和支持由地采轉為較大規模露天開采，實現危機礦山的轉型升級。地采轉露采進行隱患資源復采，隨著露天開采層面的逐年下降，采場距離原地采遺留的采空區越來越近，施工安全問題越來越突出，為了實現遺留采空區治理與隱患資源開采協同作業，需要對采空區進行探測和處理［4］，目前采空區處理的方法主要為充填法和崩落法。

對于在露天開采設計范圍內的采空區，采用充填法進行處理存在二次裝運問題，經濟上不合理，因此往往采用崩落爆破法進行處理。張成良等［5］提出了采用硐室爆破崩落圍巖的方法來處理采空區;王春毅等［6］采用中深孔爆破成功處理了下層空區頂板與上層空區底板之間隔層厚度小于最小安全厚度時的多層空區;賈寶珊［7］采用微差起爆方法在正常臺階中深孔采礦爆破作業的同時對爆區內的空區進行處理。不管采用何種崩落爆破方法，均需要對崩落爆破效果進行評價和驗收，以確保后續采礦施工安全。采空區崩落爆破以后，用物探或者鉆探判別空區是否有效崩落并得到充填，效率低，成本高，難以滿足遺留采空區治理與隱患資源開采協同作業的日常生產要求。因此，本研究提出利用采空區爆破前后的體積平衡原理，計算爆破后采空區充填率和遺留小空區體積2 個指標評價采空區崩落爆破處理效果。其中采空區充填率評價崩落爆破處理本身的效果，判別原主要隱患是否排除;局部遺留空區體積評價空區崩落爆破處理后剩余安全隱患的大小。

1 基本原理

地采轉入露采的礦山，露天開采境界內的采空區一般均采用崩落爆破法充填，實現隱患空區治理與露天礦山生產協同作業。采空區崩落以后，利用采空區崩落爆破前后的區域體積平衡和巖體體積平衡原理( 如圖1 所示) ，計算出遺留小空區體積和采空區充填率，從而定量評價采空區崩落爆破處理效果。

圖1 采空區崩落爆破前后體積平衡Fig.1 Principle of volume balance before and after blasting

由圖1 可知，根據采空區崩落爆破前后區域體積平衡原理，針對采空區及其崩落爆破處理區域，采空區崩落爆破前后存在該區域體積平衡，公式如下:

式中，V1巖為爆破前采空區崩落爆破處理區域內巖體總體積;V1空為爆破前采空區體積;V2松巖為采空區崩落爆破中被爆破破碎巖體的松散體積;V2整巖為采空區崩落爆破處理區域內未被爆破破碎的整體巖體體積;V2空為爆破后遺留采空區體積;ΔV 為爆破后地表塌陷體積。

根據采空區崩落爆破前后巖體體積平衡原理，采空區崩落爆破后，盡管崩落爆破處理區域內的部分或全部巖石由原巖狀態變為松散巖塊，但仍存在實際巖體體積平衡，公式如下:

式中，k0為巖石爆破破碎后的松散系數;V1巖爆為采空區崩落爆破中被爆破破碎巖體的原始體積。

通過遺留小空區體積和采空區充填率這2 個指標評價采空區崩落爆破處理效果。其中采空區充填率k 主要評價崩落爆破處理本身的效果，據此判別原主要隱患是否排除;局部遺留空區體積V2空主要評價空區崩落爆破處理后剩余安全隱患的大小。

2 不同采空區崩落方案的效果評價參數

地采轉露采礦山生產過程中探測到的采空區崩落爆破處理，根據空區跨度和頂板厚度不同，一般采取3 種處理方法，即空區頂板( 可含局部圍巖) 崩落爆破處理、空區圍巖崩落爆破充填處理和空區頂板外圍切割爆破處理。

2.1 空區頂板(可含局部圍巖)崩落爆破

當采空區頂板厚度適中，足以承擔施工載荷，又便于爆破破碎，通過采空區頂板( 可含局部圍巖) 崩落爆破法處理采空區，采空區處理時同時實現了該區域的采礦爆破或巖石剝離爆破。該方法一般對全部采空區頂板進行鉆爆施工，但如果空區頂板厚跨比較大，單純進行空區頂板爆破夾制作用較大，可增加局部圍巖爆破。采空區及采空區崩落爆破處理區域內，爆破前該區域內為需要爆破的采空區頂板( 可含局部圍巖) 的自然巖體和采空區; 爆破后形成地表塌陷，該區域內的巖體均充分破碎變成松散巖體充填原采空區，局部仍可能存在小的遺留空區。

該處理方案，采空區崩落爆破處理區域圈定時取V2整巖=0，則有V1巖= V1巖爆，表示圈定區域內的巖體均進行爆破破碎。根據式( 1) ，采空區崩落爆破以后，如果V2空＞0，表示采空區未充填滿，仍存在遺留空區。遺留空區的體積如下:

采空區進行頂板( 可含局部圍巖) 崩落爆破以后，往往空區頂板破碎導致地表塌陷，采空區充填系數

2.2 空區圍巖崩落爆破充填

當采空區頂板厚度較大，不利于空區頂板爆破崩塌，但因各種原因，如該存在采空區的區域需要布置礦山道路，空區頂板又難以崩塌但需要充填才能確保運輸安全的，可通過采空區圍巖崩落爆破法處理采空區。該方法從地表鉆垂直深孔至空區圍巖，進行裝藥爆破破碎采空區的圍巖，依靠采空區圍巖的破碎松散體充填采空區。在采空區及采空區崩落爆破處理區域內，爆破前該區域內為需要爆破的采空區圍巖的自然巖體和采空區;爆破后不形成地表塌陷，完全依靠該區域內的爆破圍巖的松散體充填原采空區，局部仍可能存在小的遺留空區。

該處理方案，采空區崩落爆破處理區域圈定時取V2整巖=0，即空區頂板及周邊未進行爆破破碎的巖石不計入圈定區域，則有V1巖= V1巖爆，表示圈定區域內的巖體均進行爆破破碎。根據式( 2) ，采空區崩落爆破以后，無地表塌陷，即ΔV =0。遺留空區的體積如下:

采空區的充填系數

2.3 空區頂板外圍切割爆破

當采空區頂板厚度較薄，難以承擔施工載荷時，通過采空區頂板外圍切割爆破法處理采空區，空區頂板塌落以后再進行2 次破碎，采空區處理與該區域的采礦爆破或者巖石剝離爆破分2 次進行。施工存在危險的采空區頂板中部不進行鉆爆，僅對采空區頂板的外圍進行爆破，促使空區頂板整體塌落充填空區。

空區頂板外圍切割爆破，最理想的情況是爆破后形成一個整齊的、閉合的環狀貫穿裂縫，促使空區頂板整體塌落;但實際施工過程中，考慮到安全可靠性，往往在采空區頂板外圍進行鉆孔爆破形成有一定寬度的破碎帶，更好地促進空區頂板塌落。采空區及采空區崩落爆破處理區域內，爆破前該區域內為需要爆破的采空區頂板的自然巖體和采空區;爆破后形成地表塌陷，該區域內的巖體局部充分破碎變成松散巖體、部分整體塌落，共同充填原采空區，局部仍可能存在小的遺留空區。

根據式(1) ，采空區崩落爆破以后，如果V2空＞0，表示采空區未充填滿，仍存在遺留空區。

根據區域體積平衡原理和巖體體積平衡原理，遺留空區的體積

采空區的充填系數

綜上所述，無論采用何種崩落爆破方案，地采轉露采礦山采空區崩落爆破處理效果評價，均通過采空區充填率和遺留空區體積2 個指標評價其崩落爆破處理效果。采空區充填系數k 主要評價崩落爆破處理本身的效果，k 越接近100%表示崩落爆破效果越好;如果k ＞85%，表示爆破效果優良，原主要安全隱患已經排除。局部遺留空區體積V2空主要評價空區崩落爆破處理后遺留安全隱患的大小，V2空越大則剩余安全隱患越大，如果大到可能影響礦山正常生產的人員和設備安全，需要采取進一步的應對措施。

3 空區崩落爆破效果評價流程

地采轉露采礦山生產過程中探測到的采空區，往往根據空區頂板厚度不同，采取不同崩落爆破處理方案，包括空區頂板( 可含局部圍巖) 崩落爆破處理、空區圍巖崩落爆破充填處理和空區頂板外圍切割爆破處理。不管采用何種空區崩落爆破方案，其崩落爆破效果評價驗收方法一致，如圖2 所示。

圖2 采空區崩落爆破驗收流程Fig.2 Assessment process of blasting in goafs

(1) 采空區探明: 先通過物探和鉆探等手段，發現采空區;再通過采空區自動激光掃描系統，獲得描述采空區位置和形狀的點云圖，其反應采空區位置、大小、高度和埋深等參數。

(2) 采空區體積計算: 根據采空區的三維掃描數據，計算采空區的體積。

(3) 采空區崩落爆破方案初選: 根據空區頂板跨度和厚度不同，選擇合適的崩落爆破方案，包括空區頂板( 可含局部圍巖) 崩落爆破處理、空區圍巖崩落爆破充填處理和空區頂板外圍切割爆破處理3 類，同時確定采空區及其崩落爆破處理區域，即采空區崩落爆破前后區域體積平衡公式的圈定區域范圍。

(4) 巖石爆破破碎后的松散系數k0測定: k0與巖性、裂隙發育程度、鉆爆孔網參數、平均炸藥單耗等相關。實際施工過程中，選擇類似采空區崩落爆破破碎巖體的地質條件，采用與采空區崩落爆破相同的爆破參數，進行局部區域的臺階爆破，分別測量并計算出爆破后松散巖體體積和對應爆破前原巖體積，兩者之比即為巖石爆破破碎后的松散系數k0。

(5) 采空區崩落爆破方案設計: 根據優選的崩落爆破方案，進行崩落爆破設計并計算“區域體積平衡”圈定區域范圍內，哪些體積是崩落爆破后形成松散巖體的，哪些仍是整體巖體的( 僅針對空區頂板外圍切割爆破處理) 。

(6) 崩落爆破施工: 按照采空區崩落爆破設計，組織爆破施工。

(7) 地表塌陷測量: 為了確保安全，利用非接觸測量手段，如利用全站儀無棱鏡反射測量，獲得采空區崩落爆破以后地表塌陷情況( 采空區圍巖崩落爆破充填處理方案不存在地表塌陷，不需要測量) ，計算獲得地表塌陷體積。

(8) 采空區崩落爆破效果評價驗收: 根據采空區崩落爆破前后的區域體積平衡和巖體體積平衡，計算出遺留空區體積和采空區充填率，從而定量評價采空區崩落爆破處理效果。采空區崩落爆破處理后，計算出采空區充填率k，主要評價崩落爆破處理本身的效果，據此判別原主要安全隱患是否排除; 計算出局部遺留空區體積V2空，主要評價空區崩落爆破處理后剩余安全隱患的大小。

4 工程案例

廣東省大寶山礦采礦施工過程中，于685 m 平臺35 線鉆探發現采空區，并用三維激光掃描儀進行空區探明。該采空區平面呈橄欖球狀，南北兩端跨度小，中間跨度大，南北向長度為56 m，東西向最大跨度為22.6 m，南側位于685 ～697 m 臺階邊坡上，投影面積為852.7 m2，空區體積為5 200 m3，空區最大高度為16.3 m，位于空區中部，空區頂板到地表的最小厚度為11.9 m。根據地質資料可知采空區所在的巖層位于中泥盆統東崗嶺組下亞組( D2da) ，附近工程地質鉆孔所取巖芯顯示該區域巖體破碎，大部分為松散體，巖體條件較差。

綜合考慮地形地貌、水文地質情況、探明空區參數、空區安全穩定分析及崩落爆破施工安全性，決定采用崩落爆破法進行該采空區的治理［8-10］。采空區北部的跨度和高度均較小，經安全分析能夠保證鉆爆施工安全，故采取空區頂板強制崩落爆破法; 采空區中部的跨度和高度均較大，空區中部進行鉆孔施工有一定的危險性，故進行空區頂板外圍切割爆破崩落法;采空區南部的跨度和高度均較小，空區頂板厚度超過23 m，安全隱患小，空區頂板厚、跨度小爆破夾制作用大，且跨越臺階坡面不易保證爆破效果，故不進行爆破，利用空區中部塌落對其進行充填。

根據現場施工設備情況，設計崩落爆破鉆孔直徑為140 mm，炸藥單耗0.5 kg/m3，單位長度炮孔裝藥量約為13.8 kg/m。空區頂板北部，強制崩落爆破采用4 m×4 m 孔網布孔;空區中部采用雙排孔切割爆破，內側炮孔微向內傾斜，盡量避免鉆機承重于空區頂板，傾角為80o，2 排炮孔孔口排距為2 m，孔距4 m;為了達到預期的爆破效果，南部邊坡下的空區增加2 個傾斜孔，其傾角為70°，如圖3 中所示的孔8 －7 和孔9 －4。

圖3 采空區崩落爆破方案設計Fig.3 Design of the caving and blasting in goafs

根據崩落爆破方案及空區探明參數，圈定區域內空區頂板爆破前山體體積18 656 m3，空區體積5 200 m3，鉆孔爆破部分的體積為4 912 m2，爆破后地表呈漏斗狀塌陷，塌陷面積近1 400 m2，最大下沉12 m，經測量計算塌陷體積為2 848 m3。空區崩落爆破前后的地形地貌如圖4 所示。

圖4 采空區崩落爆破前后地形地貌Fig.4 The topography before and after blasting in goafs

現場試驗測算，巖石松散系數為1.45。根據體積平衡原理計算遺留空區體積和空區充填系數:

上述計算表明: 空區南側可能未完全充填滿，但遺留空區體積僅為141.6 m3，治理后遺留安全隱患極小;空區充填系數高達97.2%，說明本次崩落爆破效果符合設計預期。

5 結 論

(1) 地采轉露采礦山的采空區崩落爆破處理，包括空區頂板( 可含局部圍巖) 崩落爆破處理、空區圍巖崩落爆破充填處理和空區頂板外圍切割爆破處理，均可以根據爆破前后的體積平衡原理，計算獲得爆破后采空區充填率和遺留空區體積，根據這2 個指標評價空區崩落爆破處理效果并進行驗收，具有成本低、效率高的優勢，能夠滿足隱患空區治理與隱患資源開采協同作業的日常生產要求。

(2) 本空區驗收方法中，采空區充填系數k 表征崩落爆破處理方案的效果，越接近100%說明崩落爆破效果越好，k ＞85%表示爆破效果優良，原主要安全隱患得到排除;局部遺留空區體積V2空評價空區崩落爆破處理后遺留安全隱患的大小，越大則說明剩余安全隱患越大，如遺留空區影響礦山后續正常生產，則需要進一步處理。

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