中深孔爆破處理淺埋采空區的實踐

郭　瑞

(北京科技大學土木與環境工程學院)

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中深孔爆破處理淺埋采空區的實踐

郭瑞

(北京科技大學土木與環境工程學院)

摘要基于九江礦業北林場采區4#采空區現狀調查和圍巖特征，提出以中深孔爆破崩落法誘導上部圍巖冒落充填采空區的方法，采用理論分析采空區失穩原因，運用FLAC3D數值模擬分析采空區爆破后位移變化，結果表明，中深孔爆破崩落上部圍巖，導致采空區暴露面積增大，水平、豎直方向位移增大，采空區頂板和礦柱失穩。通過現場誘導采空區上覆巖層充填采空區實踐，驗證了中深孔爆破崩落法處理淺埋采空區的可行性。

關鍵詞中深孔爆破采空區誘導冒落FLAC3D

九江礦業北林場采區自2007年開始用小井大采高淺孔留礦法開采上部分散盲礦體，至今已將0 m 水平以上盲礦體基本回采完畢，形成了十幾個大小不等、形態各異的采空區，多數采空區相對較為穩定，現已采用人工堆渣和人工封閉法處理了部分小空區，但4#空區平面暴露面積大，高度較大，圍巖穩定，至今沒有形成有效的塌陷。隨著主礦體開拓工程下延，護國寺鐵礦逐步進入正軌開采，由于主礦體開采深度大，上部盲礦體開采形成的采空區穩定性將影響到地表攤鋪、干堆尾礦工程，由采空區頂板垮落誘發的礦震和空氣沖擊波造成的破壞已成為礦山面對的重大問題。為了防止現有未處理的較大采空區突然垮塌對地下開采人員、設施造成安全威脅，有必要在現有條件下選擇合理的方法，對較大采空區采取主動的工程處置措施。

國內學者對爆破崩落法誘導冒落技術進行了大量研究。米子軍對太鋼袁家村鐵礦空25群采用切割孔爆破，誘導上下層采空區的隔板塌落，取得了預期的效果[1]；張建文等人對壽王墳銅礦6#采空區采用了遠程實時監測、封閉、預留足夠厚度的緩沖墊層及崩落處理措施，取得了良好的效果[2]；葛虎勝、聶永祥等人采用中深孔爆破崩落法處理南泥湖露天采場不同形態采空區，創造了良好的安全效益及經濟效益[3]；胡建軍、余斌等人針對承德銅業公司南六號采空區滑坡體現狀，提出誘導減震崩落技術處理特大型采空區的方法，并對硐室誘導崩落爆破的有害效應制定了有效措施[4]；昝紅建對黑箐銅礦采空區采用硐室爆破和中深孔爆破相結合的方法，強制崩落礦柱和部分圍巖，取得了很好的效果[5]。本文根據4#空區條件，結合以往經驗，運用中深孔爆破法誘導冒落采空區，以驗證方法的可行性。

1采空區失穩的原因

1.1巖體結構面及其組合

圍巖的強度取決于巖體結構，巖體結構面及裂隙分布狀況是圍巖穩定與否的控制因素[6]。各種構造所形成的軟弱結構面使采空區巖體強度降低，導致其應力重新分布，重新分布的圍巖應力又加劇軟弱面的應力集中，從而加劇圍巖的變形。當采空區暴露面積達到一定值時，巖體會沿著構造弱面移動，造成采空區上部巖體崩落，導致空區失穩破壞。

1.2礦體傾角和厚度

礦體傾角和厚度決定了采空區的特征，從而影響頂底板巖石的受力狀態和變形破壞過程。急傾斜礦體采空區上盤棱柱巖體向下滑動多為剪切力作用，容易成柱塞式垂直剪斷破壞，較大的急傾斜礦體采空區不易保持穩定。礦體厚度愈大，采空區巖體移動過程越劇烈，巖層下沉和其他變形也隨著采空區增大而增大。

1.3開采深度及采空區規模

埋藏淺厚礦體的采空區容易發展至地表，導致地表塌陷和破壞。隨著采深增大，采空區兩幫巖體移動發展到地表所需時間增長，對地表的影響面積也隨之增大。采空區規模大小直接影響巖體穩定性和巖體移動范圍，大面積連續采空區較容易垮落，巖體移動范圍大，相鄰采空區距離較近時，相互影響加劇危害，因而空區穩定性越差，頂板越容易垮落。

1.4爆破沖擊和振動

爆破振動對巖體穩定性的影響主要表現在2個方面，即爆炸應力波和沖擊波。爆炸形成的應力波使爆破漏斗外的巖體產生張開的環向裂隙或延伸到遠處的徑向裂隙，這2種裂隙相交后，會把巖體切割成塊體，巖體不僅產生了新的爆破裂隙，而且還會導致原有的裂隙擴展。隨著時間的積累，導致巖體失穩破壞。爆破振動使原有裂隙進一步擴展，降低了巖體結構面的抗剪力和摩擦力，爆破荷載的反復作用使得采空區失穩破壞[7]。

2采空區處理

2.1方案制定

北一采區4#空區長約76 m,寬約16 m，高約40 m，暴露面積為1 262.07 m2,體積為27 200 m2，空區上部基巖覆蓋層厚60～100 m，圍巖穩固。利用現有遺留的采準巷道工程，采用中深孔爆破崩落空區周圍的巖石充填空區，由于現存巷道高4～5 m，架設鉆機困難，需要人工墊渣，使巷道頂板施工部位墊層距離2.8 m左右，平整后用YGZ-90潛孔鉆向空區方向打上向扇形孔，依次向采空區強制崩落空區壁側的圍巖層，充填采空區。采用中深孔爆破誘導上盤圍巖冒落和崩落礦柱相結合的方法處理采空區，崩落圍巖充填空區，形成一定厚度(原則上不低于20 m)松散巖石墊層，封堵現有巷道的出口。

2.2模擬分析

利用誘導工程對頂板圍巖實施人工干擾，導致采空區頂板圍巖力學性質弱化，塑性區擴展，裂隙發育。根據上述對采空區處理的要求及采空區的圍巖條件(表1)，利用FLAC3D建立模型，對上部誘導圍巖冒落情況進行數值模擬計算，結果見圖1。

表1　圍巖特理力學參數

由圖1可以看出，采空區下部經過中深孔爆破后，空區上部水平、豎直位移均較大，采空區處于失穩狀態，上部圍巖大量冒落充填了采空區。數值計算分析表明，下部用中深孔爆破后，能夠實現上部圍巖的誘導冒落。

2.3爆破參數設計

在采場上盤圍巖施工巷道及鑿巖硐室，利用YGZ90型鉆機鉆鑿扇形中深孔，孔徑為65 mm，孔深15 m左右，每個鑿巖硐室鉆鑿3～4排，每排炮孔孔底距為1.8 m，排距為1.8 m，每排為一個段別，設計13個段別。排間采用微差分段爆破，炮孔線裝藥密度為4.5kg/m左右，裝藥量約9762kg。中深孔布置見圖2，扇形炮孔布置及參數見圖3。

圖1　爆破誘導頂板冒落空區圍巖位移變化云圖

圖2　采空區上盤中深孔布置方式(單位：m)

2.4裝藥和填塞

根據巖石堅硬系數和工人的裝藥熟練程度，實際裝藥量為2.3 kg/m，多孔粒銨油和粉粒乳化炸藥按9∶1拌合而成，采用連續柱狀裝藥結構，風壓裝藥器裝藥,上部孔底安裝起爆彈[8]，孔口用棉紗填好。

2.5起爆網絡

采用導爆管單線復合閉合起爆網絡,孔內按設計要求裝毫秒微差塑料導爆管雷管，每個排面的炮孔用“大把抓”連成一簇，用電工膠布捆扎在2條傳爆導爆管上，起爆雷管牽出井口50 m外，選擇安全地段起爆。起爆段別見圖4。

3爆破效果

2015年9月30日10點57分爆破，形成直徑120 m、平均深20 m的V形坑；崩落的基巖從剖面上呈矩形，空間為長方體；崩落基巖高度為15 m 左右，厚4～20 m，體積約13 670 m3，松散巖體積為10 580 m3；采空區完全被塌陷的土方充填(圖5)。

4結論

本文通過數值模擬和現場實踐，驗證了中深孔

圖3　扇形炮孔布置及參數

圖4　起爆段別

圖5　地表塌陷回填采空區

爆破崩落法誘導上部圍巖冒落處理淺埋采空區方案的可行性，方案經濟合理，消除了安全隱患，取得了良好的效果，為類似條件的采空區處理提供了經驗。

參考文獻

[1]米子軍.切割誘導爆破處理群布采空區的實踐[J].現代礦業，2015(8)：130-133.

[2]張建文，龔克兵，曲志清.壽王墳銅礦采空區處理技術實踐[J].中國礦山工程，2010,39(5)：30-32.

[3]葛虎勝，聶永祥，王文軍.中深孔崩落法處理采空區在南泥湖鉬礦中的應用[J].采礦技術，2010(1)：33-36.

[4]胡建軍，余斌，劉建東，等.誘導減震崩落技術處理特大型采空區研究與應用[J].工程爆破，2012,18(3)：41-43.

[5]昝紅建,陳星明,楊再高.硐室和中深孔爆破相結合的采空區處理實踐[J].現代礦業,2014(1):165-167.

[6]王力慶.柿竹園礦采空區冒落破壞規律研究[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[7]鄭懷呂，李明.地下采空區危險性及其分布[J].礦山壓力與頂板管理，2005，22(4)：127-129.

[8]劉殿中.工程爆破實用手冊[M].北京：冶金工業出版社，2003.

(收稿日期2016-01-24)

郭瑞(1989—) 男,碩士研究生,100083 北京市海淀區。