露天開采地下采空區穿爆技術研究與應用

王輝

摘 要：本文針對露天開采地下采空區穿爆技術存在的問題進行探究，從而提出了改進穿爆技術的方案和措施，通過新技術的實施應用，新的穿爆技術克服了爆破中較高的大塊比率和根底問題，同時提高了電鏟效率，降低了炸藥用量，適合推廣應用。

關鍵詞：露天開采 采空區 牙輪穿孔 爆破

中圖分類號：TD325 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）09-0-02

引言

在完成第一次礦體開采后，會在開采區形成采空區，受上覆壓力、地下水等的作用，采空區的礦柱與兩側的礦層軟化，一旦采空區的礦柱遭到破壞、變形，使得地表發生沉陷、開裂以及塌陷，極有可能損壞設備和傷害作業人員，非常不利于露天作業，而礦山開采過程中會有爆破震動，這會導致采空區圍巖巖體裂隙，也有可能引起地表貫通或老窿積水的連通，造成突水事故的嚴重危害。由此，礦體開采破壞了采場區原始應力狀態，采場區會重新分布應力，礦柱失穩經常發生，一旦礦柱所受應力過大，就會有斷續的發散突變，危害極大，必須要采取有針對性的防治技術，防治采空區坍塌、地下突水等事故。

我國的露天采礦有許多未知的地下采空區，在以往的露天開采中未能將記錄采空區的開采高度、開采面積等信息資料，而人工進入采空區進行探查的條件不足，這為礦體開采帶來難度。我國地下開采礦體經常會發生一些采空區災害事故，威脅到作業人員的人身安全，也會嚴重破壞到生態環境，不利于礦山企業的可持續發展。在對露天開采實施穿爆技術時，其穿爆環節存在極大的組織難度，在采空區狀況不明時，就更會影響到爆破效果，使得鏟裝、運輸工序作業更加難，屆時增加爆破成本。本文主要是探討地下采空區的穿孔爆破技術，從而克服地下采空區對生產造成的安全隱患。

一、露天開采前期處理遇到的問題

露天開采受到開采規模、采場地質條件、擴采深采等的影響，特別在礦山擴采作業中，更會受到歷史上非正常開采所遺留下的問題的影響，加大礦山開采成本和開采技術難度。由此，先要解決歷史開采特別是采空區的遺留問題，才能進一步開展下一步工作。當下，我國的各大露天礦山的擴建正在高速發展，如何合理布局開采空間、設計爆破保障了礦山開采擴建的進度，而擴建工程中，穿爆工序已經有了舉足輕重的地位。影響穿爆工序的是地下采空區的不確定性因素，具體情況如下：

第一，在缺乏對采空區的開采高度、開采面積等信息的情況下，使得原有的采空區作業只能在摸索中進行，從而會在采空區的地方做正常孔網的穿孔工作，待完成爆區設計孔作業之后，才開始對逐個測量所有已經穿透的空區孔，當掌握采空區的情況后，再進行采空區部位的再次作業，在此過程中要對空區部位適當地加密孔網。第二，完成爆區設計作業后，做好相關爆破準備工作，就可以進行爆破施工。在爆破作業中，需要先把氣體間隔器安裝到孔底，或者是將適當長度的木電柱裝入孔內到適當高度，安裝好以后再回填適當的巖渣，以免后期在裝藥時不會將火藥撒漏進采空區內，最后在爆區范圍內連線起爆。

以上的穿孔、爆破施工作業存在很多問題，會使得爆破施工非常被動，需要采取相關的補救工作，適當進行加密孔網，這較難符合下道工序的需要，具體的問題如下：

第一，爆破施工前有很多穿透孔作業，且孔壁非常粗糙，出現很多尖銳凸出的地方，影響到氣體間隔器的安裝入孔，這對于木電柱下孔有同樣的難度，導致了安裝間隔器和木電柱的時間延長，浪費施工時間。同時，在對炮孔裝藥時，由于很難控制好炸藥裝入的高度，導致炸藥容易漏入空區，導致空區內所漏進的炸藥產生爆轟，甚至會影響正常起爆，造成續開采的安全隱患，需要采取一些補救工作，無疑增加了爆破成本。最后，穿孔、爆破后，在采空區會形成大量的根底和大塊，必須要經過處理清除大量的根底和大塊，否則會影響到電鏟的鏟裝效率，從而增加鏟裝成本。

第二，在鉆孔中通常會采用牙輪鉆機穿孔，然而會有很多費孔產生，且對空區部位的穿孔作業中會有夾桿現象發生，直接將鉆桿折斷，或者是鉆機的鉆頭和穩桿器直接脫落入空區內，不利于選礦廠過鐵安全。

二、方案研究及技術實施

由于采空區是不確定的，這為穿爆帶來難以預計的影響和后果，因而必須要經過前期的詳細探查來確定空區的形態。目前用來探測空區形態的方法有很多可以選擇淺層地震影像法、高密度電阻率法或者瞬變電磁法等都可以達到較好的效果。在對空區的形態進行基本探測之后，還需要使用牙輪鉆機進行進一步的探測驗證，最終根據探測的結果有選擇分區的進行穿爆作業，要結合空區的地形根據爆炸強度來詳細的計算每個孔的炸藥量，設計科學合理的爆破網絡，實現爆破的預期效果，具體的可以按照以下步驟來實施。

1.空區狀態探測

淺層地震影像法、高密度電阻率法和瞬變電磁法等空區探測技術已經在實踐中得到了十分廣泛的應用且取得了較好的效果，因而可以任意選擇上述一種空區探測技術來對空區的形態進行探測。通過探測可以充分探明采空區下的空區的形態、數量以及分布等參數為后期的穿爆網絡的設計提供基礎數據上的支撐。上述方法不僅實施起來方便靈活簡單可靠，在探測循序漸進的過程中解譯軟件還可以根據解譯的現實狀況對其解譯的結果進行不斷的修正與優化逐漸實現對空區形態等參數的解譯。

2.牙輪鉆機穿孔作業

2.1在空區位置進行穿孔作業時，采用牙輪鉆機所鉆第一個孔必須要鉆透以用來探測空區探測的結果是否準確是否存在較大的誤差。根據實際鉆孔的情況所得到的數據來對空區探測的結果進行一定程度的修正，修正之后繼續進行驗證直到驗證結果與空區探測的結果一致為止。在驗證無誤之后可以將修正后的最終結果作為空區位置分布的最終結果，接著對其他位置進行穿孔這些孔不要穿透，鉆孔的深度為整個空區深度的四分之三即可，然后結合空區的形態、位置以及鉆孔的深度等參數來綜合設計穿爆網絡。

2.2 如果在采空區內部有礦柱存在，那么也必須要對礦柱進行鉆孔且鉆孔位置選擇在其中心。但是如果礦柱的直徑超過6米，要在對礦柱成分進行分析的基礎上 ，要在上述穿孔數量的基礎上增加50%的穿孔密度，但是在裝藥的過程中不必每個孔都裝藥可以采取隔行裝藥的方式，在其底部采用具有高爆炸能力的巖石炸藥而在其上部可以采用普通的炸藥以用來克服穿爆所產生的大塊的巖石。endprint

2.3結合采空區的探測結果然后在其周圍直徑約3米處設置一圈全段高的穿孔 ，并且每個穿孔的深度都要保障在3米以上，并且穿孔與穿孔之間的孔距應當為正常孔距的70%以用來應對采空區的根底，這部分鉆孔同樣采用隔行裝藥的方式，其裝藥方式也以之前相同在其底部采用高爆炸力的巖石炸藥，在其上部采用普通的炸藥以用來克服大塊的巖石。

2.4如果條件允許，一個空區盡可能的采取一次穿爆完成，如果不一次穿爆那么在爆炸的過程中空區極有可能產生坍塌影響下一步的穿孔，會形成大量的大塊和根底，下一步的穿爆工作將難以進行。

3.爆破網絡設計與計算

在前面已經闡述過空區爆破的過程中必須要有一部分鉆孔穿透空區，而部分的鉆孔深度要保持在空區頂層厚度的四分之三處，這種方式便于填充炸藥。而對于空區的爆破也不能按照傳統的爆破方式來計算炸藥的使用量，炸藥的使用量不僅要結合空區的位置、形態以及分布還要結合穿孔的深度位置以及爆破網絡的設計等來綜合確定。

對于空區位置鉆頭的穿孔來講 ，要從距離頂板1.5米的區域安裝一個頂板隔離裝置，然后再該裝置上填充上巖渣，確保天空巖渣后空氣隔離器的高度為頂板高度減去1.5米之后的四分之一的位置，在經過上述處理完畢之后進行炸藥裝填，炸藥裝填的使用量按照以下方式來計算。根據穿孔的直徑以及炸藥的密度參數來計算炸藥線密度，線密度與孔直徑和裝藥密度有關。根據巖石的性質與成分、炸藥的爆破力、鉆孔直徑結合經驗來確定單孔炸藥的使用量，使用量為線裝藥密度與孔深度乘積的三分之二。根據現場的實際情況結合經驗來確定炸藥填充的高度一般講填充的深度設置為鉆孔深度的三分之一。結合孔深與線裝藥密度來確定單孔最大的裝藥量。然后計算單孔的爆破面積以及單孔的爆破體積，單孔爆破體積為孔距與排距和頂板高度的乘積。根據彈孔爆破面積與單孔爆破體積來綜合確定單孔的爆破量，如果單孔的爆破面積較大需要對單孔的爆破面積進行調整 ，調整之后再重新計算單孔爆炸的負擔面積 ；如果單孔爆破面積較小同樣需要對其進行調整然后對單孔爆炸的負擔面積進行重新的計算。最終根據布孔的情況以及單孔爆破的負擔面積來計算孔距以及排距。在施工完成之后根據線裝藥密度以及孔距和排距以及頂板高度參數來確定單孔的裝藥量。此外在空區位置還有不需要鉆透的炮孔，要結合孔的深度以及炸藥的類型以及炸藥的單耗等諸多參數來綜合對炮孔網絡進行設計和布置，計算方式與鉆透的炮孔的計算方式一致在采空區的邊界線處的炮孔的炸藥裝填采用普通的裝填方式而不用考慮空區特殊地形因素。在炸藥裝填完成之后需要進行爆破作業，在爆破的過程之前必須要根據現場的實際情況以及施工的順序等因素來綜合確定各孔起爆的順序，起爆順序確定的原則為沒有空區的位置優先進行爆破，如果具備起爆的條件那么礦柱上的穿孔最好采取同時起爆的方法。起爆網絡設計如下圖所示：

起爆網絡如上圖1所示，其中包括空區的區域位置的鉆孔位置的設計以及分布，從中可以看到鉆孔的距離以及鉆孔的排距等參數。在上圖中空區為中間不規則多邊形區域，而大的多邊形不規則區域的中間具有兩個小的不規則區域，這兩個小的不規則區域為礦柱。礦柱中鉆孔的位置分布也可以從上圖中看出。大的多邊形區域以外的區域為采空區的邊界區域。從整體上來看非采空區也就是采空區的邊界區域鉆孔的距離以及排距相對于采空區都要小，而采空區鉆孔的距離以及排距都要相對較小，從圖中也可以看出采空區鉆孔布置要相對較密，在爆破的時候爆破順序應當為采空區周圍的邊界區域其爆破參數與普通爆破參數一致可以按照普通爆破的計算方式來確定爆破參數，然后為采空區和礦柱同時爆破爆破參數的計算根據非鉆透孔和鉆頭孔來分別計算爆破參數，然后實施爆破作業。

三、采空區穿爆作業安全技術措施

由于露天采空區的礦坑中經常有采空區和瓦斯聚集區，會影響采空區部位的穿孔爆破作業的施工安全，由此，在穿爆施工中，需要做好相應的安全措施：

1.明確采空區的位置

盡量在前期做好資料搜集工作，掌握地面具體的塌陷位置，做好打探測孔工作，從而明確采空區的位置走向，掌握采空區的地質、水文情況。然后根據所掌握的采空區的情況，由穿爆班制定有針對性的施工方案，并安排施工。

2.設計鉆孔深度

當甲方提供相關數據資料后，爆破單位需要考察現場炮區的具體位置情況，結合資料進行鉆孔深度的設計。

3.選擇鉆機

在采空區的穿孔施工中，穿孔單位需要選擇合適的鉆機，最好選擇質量輕的鉆機，這樣的鉆機具有較好的靈活性。

4.實時監控

在穿孔工作過程中，其操作手必須要具備崗位證書和具備熟練的操作技術，全程應嚴格遵守安全操作標準，并實時監控地面震動情況，出現穿孔異常要立即撤退和向上級報告。

5.做好災情應急防備工作

在穿孔中需要穿透采空區，并隨即堵塞孔口，以免采空區進入空氣而引發自燃。一旦發生火災，立即啟動應急防備工作，組織滅火，避免災情擴大。

6.降溫措施

爆破作業中需要先對孔內溫度進行測量，并對超高溫孔采取降溫措施，將孔內溫度控制住60℃以內。

7.裝藥順序

先裝低溫孔的炸藥，對于高溫孔裝藥應應放在最后裝，且要選擇耐高溫的炸藥與器材。

四、應用后效果與推廣意義

通過本次的地下采空區的穿爆技術的研究，并在實際生產中進行了應用，基本克服了露天開采地下采空區中穿爆技術的難題，在以往的穿爆技術作業中，牙輪鉆機作業缺乏計劃和目標，造成很多費孔和夾桿現象，而通過改進技術后，牙輪鉆機的作業變成了有計劃、有目標的作業方式，能夠采取間隔裝藥的方式克服根底和大塊，當滿足條件時盡量采取一次穿爆完成一個空區的穿孔作業，能夠較好地避免根底和大塊，使得廢孔率得以降低，減少設備備件的消耗；其次，爆破效果得到極大改善，爆破根底符合普通爆破的效果的標準，滿足下道工序的需求，極大地提高了爆破質量。穿爆技術的改進指標如下：

1.在新的技術方案實施以后，采空區部位的爆破大塊率比得到降低，具體降低了80%，并減少了50%的根底。通過技術改進，牙輪鉆機在施工過程中未發生鉆頭、穩桿器等部件掉落空區的現象。

2.新技術的實施提高了穿爆技術的安全性，施工作業中為出現沖炮事故。

3.新技術的實施中，降低了空區部位的炸藥用量，每一個爆破減少了 0.12 kg/t的炸藥消耗。

4.新技術的實施降低了根底和大塊的數量，使得空區部位的電鏟效率得以提升，具體提升30%。

改進后的穿爆技術已經試驗應用了2年，具體應用的效果良好，可以針對同類露天開采地下采空區的爆破施工中，解決類似的爆破問題。

結語

綜述，露天開采地下采空區的爆破施工作業若采用穿爆技術進行作業，需要對穿爆技術的相關問題和施工難點進行研究和解決，從而改進穿爆技術技術，避免采空區部位出現較高的爆破大塊率比和大量的根底，從而提高電鏟效率工作效率，減少炸藥用量，避免牙輪鉆機施工作業中設備部件的掉落。

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