露天礦成井崩落充填處理地下采空區實踐

劉 亮,張金龍

(洛陽欒川鉬業集團股份有限公司， 河南 洛陽市 471542)

露天礦成井崩落充填處理地下采空區實踐

劉 亮,張金龍

(洛陽欒川鉬業集團股份有限公司， 河南 洛陽市 471542)

三道莊露天礦因前期坑采和大量非法民采，形成了縱橫交錯、相互貫通的高危采空區，通過對高危空區中上覆虛渣較厚，原巖厚度小，無法采用正常崩落法處理空區。因此，對地下采空區處理進行了研究，對D區1300 m高危復合空區進行了詳細調查，制定了成井崩落充填采空區的治理方案，通過精心施工，成功回采了高危空區上方殘礦，為臺階按序推進提供了保障。

露天礦;高危采空區;崩落充填

0 引 言

洛鉬集團三道莊礦區經過前期無序的地下開采，在露天開采境界內形成了大量的地下空區，這些采空區大小形態不規則，高度和跨度不一致，形態復雜，在空間位置上重疊交錯，雜亂無章，嚴重影響了礦山的正常生產，給礦山施工的人員和設備帶來了極大的安全隱患，隨著作業臺階的下降，距離遺留采空區的距離越來越近，需逐步處理才能確保礦山有序開采。

目前以爆破處理為主，王春毅等采用中深孔爆破成功處理了下層空區頂板與上層空區頂板之間隔離厚度小于最小安全厚度時的多層空區[1]，鄧騏寧等利用地球物探、鉆孔探測及三維掃描精確掌握空區形態后對不同形態的采空區提出了針對性的處理方案[2]，林謀金等在采空區頂板厚度小于最小安全厚度時采用邊界局部爆破法進行強制崩落處理[3]，李啟月等通過多孔球狀藥包爆破和直孔掏槽爆破實現空區上方一次成井，后利用碎石充填實現空區治理[4]。空區上部原巖較薄且下部空區復雜的高危空區難以采用以上方法解決，對于高危單層空區已經成功運用側翼崩落充填，逐步蠶食推進的辦法予以解決，對于上部原巖、多層空區間原巖厚度小的多層高危空區，可利用成井充填方法先解決下部空區，再側崩解決上部空區。通過使用三維掃描儀器結合礦業三維軟件，首先采用自動激光掃描系統(CALS)對空區進行三維掃描并獲得采空區的幾何參數，然后根據參數在3DMine上對空區爆破方案進行設計、爆破效果評價、模擬，利用該流程成功處理了1300空區，達到了理想的效果，為高危空區的處理找到了一種高效、快捷的處理方法。

1 基本概況

1.1 爆區地理位置及地質概況

本次處理的采空區位于三道莊露天采場空區賦存較復雜的D區，1342臺階中南部, 爆破區域總面積625 m2。根據地質資料可知采空區所在的巖層為含硅灰石透輝石石榴子石矽卡巖(zjs2-2)，雖無明顯破碎帶揭露，但巖層節理裂隙較發育，巖層較破碎，礦體主要賦存在含硅灰石透輝石石榴子石矽卡巖中,預計平均Mo品位0.120%，平均WO3品位0.090%，爆破區域無巖漿巖出露。

1.2 空區概況

本次處理的D區1300復合空區主要包括1300，1330二層空區，空區間間隔原巖層較薄，1330空區上部已經處理到1348水平，空區賦存情況復雜。

(1) 1300空區。該空區被中部礦柱分割為東西2個部分，本次處理的主要區域為西部區域，總面積4450 m2，空區頂板標高1312～1321 m，底板標高1306～1308 m，采高6～19 m；2012年曾通過大孔徑鉆機成孔后碎石充填局部區域，在一定程度上減小了該空區的跨度和高度。

(2) 1330空區。該空區大部分賦存在1300空區上方，總面積3830 m2，空區頂板標高1336～1340 m，底板標高1327～1332 m，采高4～9 m，與1300空區間原巖厚度小于10 m。

1300空區與1300空區賦存情況見表1。

表1 D區空區賦存情況

1.3 采空區探測

地下轉露天前已經對地下工程資料詳細收集，但由于前期開采混亂，正規單位規劃開采形成的采空區易于標定和控制，但非法盜采形成的采空區、二次垮塌形成的采空區，由于形態復雜且位置不明，需要探明確認。目前用于探測地下采空區的技術方法有鉆探法和地球物理法兩大類。鉆探法特點是形象直觀，尤其結合三維掃描技術，可以準確掌握空區形態；地球物理法最大的特點就是一次性探測區域大，具有代表性的為高密度電法、地震類方法、GPR等[5]。

三道莊露天礦在原有資料的基礎上，采用Φ140 mm潛孔鉆機鉆探進一步驗證該空區，多次利用CALS三維空區探測儀對該區域空區進行了三維激光掃描，準確掌握該空區的空間位置、形態、規模、充填情況等情況，為穿孔爆破方案制定提供詳細的依據，為成功處理該空區打下堅實基礎。

(1) 空區實測。掃描結果經MDL成圖后，利用3DMine軟件對空區進行了三維建模，掌握采空區形態及三維空間構造情況，見圖1。

(2) 空區特點。穿孔區域只有上部平臺和地下采空區兩個臨空面，爆破后需確保頂板向下崩落。下部存在前期充填碎石，在確保作業安全的同時，減少了空區下部自由面空間；1300空區面積較大，西部區面積4450 m2，穿孔區域僅625 m2，利用爆破巖體松散強制拋擲進一步降低未穿孔區域空區高度。

2 爆破設計與施工

2.1 孔網參數選擇

根據礦山現有設備情況，采用KY-250牙輪鉆機施工，排距5.0 m，孔距5.0 m，采用正方形布孔。為了保證炮孔孔深符合要求，防止因炮孔底部抵抗線小引起炸藥能量的損失。首先利用CLAS三維掃描空區準確形態，在三維軟件上精確確定孔深，其次通過盡量將炮孔穿透，再統一堵塞孔底，同時確定周邊臨近孔孔深，確保孔深合格。此次為保證空區的充填效果，同時增加炸藥單耗來提高下部巖石的破碎程度，采用間隔裝藥，分上下兩段裝藥，上部分層采用多孔粒狀銨油炸藥，下部分層采用乳化炸藥。透孔下段底部吊孔后回填3 m，上下分段選在中部1335.7～1338.7 m之間進行間隔，上部充填4.5 m，采用細巖粉密實充填；裝藥結構如圖2所示。

共施工Φ250 mm孔36個，其中22個透孔，30 m左右穿透，2個水孔。

圖1 空區平面圖

圖2 裝藥結構

2.2 裝藥結構及裝藥量計算

經裝孔藥量計算，本次爆破總裝藥量32.754 t，銨油炸藥15.023 t，乳化炸藥17.731 t。下層炸藥單耗2.23 kg/m3，上層炸藥單耗1.41 kg/m3，綜合炸藥單耗1.76 kg/m3。

2.3 起爆網路和起爆順序

本次爆破采用澳瑞凱非電毫秒延期雷管和導爆索起爆，每段藥柱內裝有1個起爆體和2發導爆管，采用下段整體下壓靠近地表段齊發爆破，網絡為分層分段起爆，地表復式環形起爆網絡。下層采用400 ms延期雷管起爆，上層采用800 ms延期雷管起爆起爆，層間間隔400 ms，起爆器引爆，多種措施確保了網絡安全可靠。爆破網絡見圖3。

圖3 爆破網絡

3 爆破施工安全

3.1 施工安全措施

(1) 爆破指揮部首先對參加本次爆破施工的全部人員集中進行一次爆破安全教育，其次各小組對各自的職能范圍進行教育。在爆破施工期間，嚴格限制危險區域作業人數，各現場施工人員必須嚴格按有關規定程序進行作業，嚴禁攜帶煙火進入爆區，裝藥、連線過程中嚴禁車輛和設備在爆區周圍20 m內運行，安全保衛人員要劃定警戒線阻止一切閑雜人員進入施工現場。

(2) 在施工中利用無線聲發射連續監測本爆區和周邊的地壓活動情況，發現異常及時報告并撤離。隨時收聽天氣方面信息，在裝藥期間若出現大風、雷及大雨，應停止裝藥，所有人員撤離爆區。雷雨停后，裝藥工作恢復由指揮部根據實際情況分析，確定安全后再進行

(3) 現場標出安全撤離路線，要有明顯標志，做到參加人員人人皆知，建立應急預案，如發現危及人身安全的險情，應立即組織人員撤離，沿采場道路撤至2#站。

(4) 爆破后根據三維激光掃描得到采空區幾何參數，通過測量充填量對采空區爆破處理后的效果進行評估，確認排除該區域作業的安全隱患后方可進入作業。

3.2 爆破地震效應

距離待處理采空區300 m處為新建1號破碎站，并且周邊空區較復雜，為了保證1號破碎站安全以及爆破對周邊空區的影響。根據《爆破安全規程》 “礦山井下巷道、硐室工程允許質點振動速度為15～30 cm/s”。爆破振動的大小與炸藥量、距離、介質情況、地形條件以及爆炸方法等因素有關，目前主要根據薩道夫斯基經驗公式進行計算，其表達式為：

(1)

式中 ，v為質點振動安全最大允許速度，cm/s；R為測點到爆源中心距離，m；Q為延時爆破中最大一段裝藥量，kg；K為與炸藥性質、爆破方式、地形地質條件有關的系數；a為衰減系數。根據公式及現場具體條件取K=131.70,a=1.683，Q=17731 kg。通過計算，新1#站質點振速為1.29 cm/s;距爆區20～30 m空區頂板質點振速75.7～155.1 cm/s，極有可能造成垮塌;距爆區50～60 m空區頂板質點振速22.2～30.6 cm/s，所以本次爆破振動會對周邊60 m以內的空區穩定性產生較大影響，對60 m外空區穩定影響不大。但爆破后必須加強周邊空區的監測，確保爆破作業后生產安全。

4 爆破效果

本次爆破成孔率高，可以保證空區成功處理, 爆破后頂板完全塌落，邊緣整齊，形成直徑約30 m，深15 m的塌陷區，對周邊空區進行三維掃描，周邊空區得到有效充填，爆破取得了預期效果。爆后空區三維掃描如圖4所示。

圖4爆后空區掃描

5 結 論

(1) 通過對1330復合采空區的現場勘查測量，利用CLAS三維掃描技術準確掌握空區形態，在3DMine軟件或SURPAC軟件建立了1330復合空區的三維數字化模型，結合地表模型為空區處理爆破方案的設計打下良好基礎。

(2) 采用分段裝藥，下部用高密度乳化炸藥，爆破后巖石更加破碎，采用奧瑞凱非電毫秒延期雷管起爆，能精確控制上下兩層的延遲時間，同時采用雙發地下管以及導爆索閉合回路。確保小范圍密集炮孔爆破的準爆性。

(3) 實踐證明采用柱狀藥包強制拋擲爆破可以實現一次成井同時對周邊空區進行充填，處理空區效果明顯，充填率達到90%以上，是一種既經濟又有效的方法，保障了礦山正常生產進度的同時，消除了安全隱患，對礦山安全、高效、經濟開采具有重要意義，為今后處理類似空區提供了經驗。

[1]王春毅，程建勇.露天中深孔爆破處理地下采空區的實踐[J].采礦技術，2008,08(5).

[2]鄧騏寧，唐邵輝,等.露天開采不同形態采空區處理技術研究[J].礦業研究與開發，2016，36(2).

[3]林謀金,等.局部爆破法強制崩落采空區的應用實踐[J].爆破，2016:3.

[4]李啟月,等.深孔爆破一次成井技術與應用實例分析[J].巖石力學與工程學報，2013:4.

2017￣08￣09)

劉 亮，山東泰安人，工程師，Email:15824921050@126.com。