某地下采空區深孔爆破崩落治理工程實踐

張家斌 金 科

(1.廣德縣安全生產監督管理局；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

采空區是影響礦山安全開采的一個重要因素，易于誘發大面積冒落、地表塌陷等災害。為確保礦山安全開采，有必要有效消除采空區安全隱患。嚴成濤等[1]采用扇形炮孔微差爆破技術使某礦采空區與地表貫通形成了泄壓天窗，通過使采空區逐步自行垮冒作為無底柱分段崩落法的覆蓋層，實現采空區安全處理；針對昭通鉛鋅礦的采空區，喻清等[2]利用礦山尾礦充填地下采空區，有效控制了地表大范圍的巖體移動；秦國震[3]根據誘導冒落原理，采用中深孔爆破誘導冒落方法有效消除了腦峪門鐵礦的采空區隱患；翟會超[4]以排山樓金礦為例，提出了VCR法爆破開掘空區充填井技術、廢石強充+碎石混凝土接頂技術、鉆孔RG監測技術，有效實現了采空區安全處理。本研究基于上述研究思路，根據某地下礦山采空區圍巖條件、采空區規模等因素，提出采用頂底板深孔爆破崩落圍巖充填采空區的治理方案，為礦山安全生產創造有利條件。

1 工程概況

某地下礦山地表標高為425～463 m，地面皆為林地，開采移動范圍內沒有民房，地表允許陷落。礦體頂、底板圍巖整體穩固性較好，工程地質條件屬中等類型。礦區地勢南高北低，地形有利于自流排水。地表水主要補給源為大氣降水，地表無較大的水體，區內地下水補給條件較差。礦區水文地質條件屬簡單—中等類型。當開采標高低于當地侵蝕基準面250 m時，預測未來礦坑涌水量會有所增大，應作好坑道排水準備。礦體呈透鏡狀斷續出露地表，礦體賦存標高為502～196 m，走向55°，傾向NW，礦體上部傾角大于80°，中部傾角約60°，下部傾角約72°。礦山經多年開采，294 m水平以上礦體已采完，目前控制的礦體賦存標高為294～196 m。礦體沿走向長度約142 m，平均水平厚4.05 m，斜深約105 m，CaF2平均品位為77.37%。礦體產于斷裂帶中，頂、底板巖石以硅化破碎的花崗閃長巖為主，礦體與圍巖界線清楚，受斷層產狀控制。礦體受294，256，216 m中段等探采工程控制，礦體最低控制標高為216 m。礦山采用淺孔留礦嗣后充填采礦法生產，采場開采完畢后采用掘進廢石通過脈外運輸巷道充填采空區。由于256 m中段礦體厚大，生產過程中產生的廢石量不足，形成了較大的采空區，對礦山生產安全構成了較大威脅，亟待進行空區處理以消除安全隱患。

采空區底部標高256 m，上部標高289.4 m，最大長度45.89 m，最寬17.82 m；采空區上留設有高6 m的頂柱，頂柱內下盤有294 m脈內探礦巷道；294 m水平以上為原巖。采空區頂板為拱形，頂板暴露面積為693 m2，原總體積為16 480 m3。目前，已采用廢石回填至270 m水平，回填工程量9 700 m3，剩余空區體積為6 780 m3。

2 爆破治理方案

2.1 爆破方案

常用的采空區處理方法有：①崩落法，采用崩落的巖石充填采空區；②充填法，用充填材料支撐圍巖，可以減緩或阻止圍巖變形；③封閉法，在通往采空區的巷道中，砌筑一定厚度的隔墻，使空區中圍巖崩落所產生的沖擊氣浪遇到隔墻時能夠得到一定程度的緩沖[5-8]。綜合采空區特點以及礦山地質環境條件，確定采用深孔爆破崩落治理方案，分別對采空區上盤、下盤圍巖進行扇形孔爆破崩落，采用崩落的圍巖充填采空區，以平衡礦井地壓，消除采空區安全隱患，保證礦山生產安全。設計在空區上盤布置277，287 m水平2條鑿巖巷道，下盤布置1條287 m水平鑿巖巷道。

2.2 爆破參數

2.2.1 炮孔直徑

本著最大程度減少設備投資、充分利用礦山已有設備的原則，采用YGZ-90型潛孔鉆機進行鑿孔；結合圍巖崩落范圍，綜合考慮空區規模、爆破塊度等，將鉆孔直徑確定為60 mm。

2.2.2 炮孔深度

炮孔深度L的選擇主要考慮鑿巖機類型、巖體性質等因素，根據設計范圍進行靈活控制。

2.2.3 最小抵抗線

當單位炸藥消耗量和深孔密集系數一定時，最小抵抗線W與孔徑d成正比。對于中等堅硬巖石，W=(30～35)d[9-12]。

2.2.4 炮孔間距

對于扇形排列炮孔，炮孔間距分為孔底距a和孔口距b。孔底距是指由炸藥長度較短的深孔孔底至相鄰深孔的垂直距離；孔口距是指由堵塞較長的深孔裝藥端至相鄰深孔的垂直距離(圖1)[13]。

圖1 扇形深孔的孔間距

在設計和布置扇形深孔排面時，為使炸藥在巖石表面分布均勻，采用孔底距a控制孔底深度的密集程度，采用孔口距b控制孔口部分的炸藥分布，以避免爆破塊度過度粉碎。一般來說，a=(1.1～1.5)W，巖石堅硬時取小值，反之，取大值。通常孔底密集系數為1.0～1.3，孔口密集系數為0.4～0.7。巖石堅固性系數越大，要求的塊度越小，應取較小值；反之，取大值。

2.2.5 單位炸藥消耗量

單位炸藥消耗量q的大小直接影響到巖石的爆破效果，其值大小與巖石的可爆性、炸藥性能以及最小抵抗線有關，通常按照表1選取。

表1 地下深孔爆破單位炸藥消耗量

2.2.6 單孔裝藥量

扇形深孔每孔裝藥量因孔深、孔距均不相同，通常應首先計算出每排孔的裝藥量，然后按照每排長度和總堵塞長度，計算出每米炮孔的裝藥量，最后分別確定每孔裝藥量。每排孔裝藥量的計算公式為

QP=qWS,

2.3 扇形炮孔爆破參數

根據采空區情況，確定每個鑿巖巷道布置4排扇形孔，左右兩側對稱布置，爆破參見表2。

表2 扇形炮孔爆破參數

設計采用乳化炸藥，連續裝藥結構，炮孔堵塞長度≥1.5 m。采空區上下盤炮孔裝藥參數見表3。

采空區上下盤炮孔布置如圖2所示，鑿巖巷道左側炮孔對稱布置。

表3 采空區崩落炮孔裝藥參參數

圖2 采空區崩落炮孔布置

2.4 起爆網絡及起爆順序

為確保扇形孔安全起爆，每個炮孔配備2發同段別非電導爆管雷管；每排炮孔自下而上分別為1～9段雷管，采用簇連連接；相鄰2排采用10段雷管進行延期。首先按順序起爆上盤277、287 m水平的炮孔，然后起爆下盤287 m水平的炮孔。

3 爆破施工安全措施

(1)在鑿巖巷道內布置探測孔，首先探測確定采空區邊界，保證鑿巖巷道與采空區之間有足夠的安全距離，確保鉆孔、爆破施工安全。

(2)對現場施工人員進行安全教育培訓，并做好安全技術交底工作。

(3)打鉆人員進入作業現場后，必須首先進行敲幫問頂，仔細檢查作業范圍內的頂幫安全狀況，確認安全后，方可進行作業。固定鉆機時，必須將鉆機固定于安全可靠的區域。

瑞士聯邦計量研究院 (METAS)是瑞士的官方權威機構，負責所有計量相關事宜，以及檢測用于計量的設備和相關程序。作為獨立的第三方機構，瑞士聯邦計量研究院處于瑞士精準度測量領域的前沿，能夠準確公正地制定精準度標準。

(4)鉆孔時應勻速慢進，作業人員必須認真觀察鉆機運轉情況及頂板、兩幫圍巖情況，防止掉頂、片幫傷人或損壞機器。

(5)在施工區域附近設置安全警示標志，防止無關人員進入作業區域。

(6)嚴格按照《爆破安全規程》(GB 6722—2014)進行爆破作業，做好爆破器材的安全管理工作，特種作業人員應持證上崗。

(7)做好爆破安全警戒工作，在主要巷道口設置爆破警戒牌，確保全部人員和設備撤離至安全地點后，經確認安全后方可進行起爆。

(8)爆破后應進行足夠時間的強制通風，經監測確認井下空氣質量合格后，方可進行爆破檢查工作。

(9)做好井下重要設施的保護工作，避免圍巖塌落沖擊波造成危害。

(10)爆破作業均應使用符合國家標準或行業標準的爆破器材。

(11)在實施爆破作業前，應對所使用的爆破器材進行外觀檢查，對使用的儀表、電源等進行必要的性能檢查。

4 施工組織安排

(1)裝填爆破前3 d，由技術組負責對炮孔進行2次實測、復核計算實測后的爆破藥量、雷管數量、安全距離等，并填寫“深孔裝填施工設計表”。

(2)裝填爆破前2 d：①由施工組負責將深孔鉆機以及無關的設備、工具、材料撤移至地表安全處；②安全組檢查工作面的安全狀況，將浮石撬凈，保證工作面施工安全。

(3)裝填爆破前，由施工組根據技術組提供的數據領取炸藥、雷管等爆破器材，并分類、分批搬運至工作面。安全組負責安排人員監督、守護。

(4)裝填當天班前，由副總指揮負責，組織所有參加爆破作業人員召開班前會，明確施工組、技術組、安全組、警戒組等各組人員的職責與技術要求；講解與爆破有關生產、技術、安全事項，交代人員進出路線，連炮、點炮時間，有關人員做好記錄。

(5)裝藥時，施工組組織人員裝填，技術組負責現場技術把關，技術組人員帶好圖紙和裝填設計表，對每一個孔的裝藥長度、導爆索長度、雷管個數和段數等進行讀數和驗證，安全組進行安全監督。

(6)裝藥結束后，由副總指揮指派技術組人員和有經驗的爆破施工人員進行聯線，聯線前，無關人員應撤離至地表安全區域。

(7)爆破作業當天，井下所有作業人員應進行入井和升井登記，警戒組記錄人員入井地點時間和升井地點時間，規定從何處入井就從何處升井。

(8)炸藥裝填聯線完畢后，應由有經驗的爆破員組成的檢查組進行起爆網絡檢查，檢查組人數不得少于2人。在確認無關人員、設備、火工材料已全部安全撤離，井下風、水、電路閘門關閉后，總指揮下達點火命令。

(9)爆后通風確認炮煙已完全排除干凈后，經檢測滿足安全要求后，由恢復生產組負責對爆破工作面及相鄰工作面進行安全檢查，主要檢查有無盲炮、殘藥，爆堆是否穩定等。確定安全后，通知有關工作面恢復作業。

(10)機電維修組應確保電力、通訊、壓風等設備的正常使用，后勤組應保證車輛調配和后勤補給。

(11)爆破前通知礦區周圍居民，避免造成人員傷害事故。

5 結 語

為消除某礦采空區安全隱患，設計采用頂底板圍巖深孔爆破崩落方案治理后，經檢查采空區崩落巖石充填較好，充填率達95%以上，鑿巖巷道口崩落的巖石塊度均勻，有效消除了采空區安全隱患。