大抵抗線、變抵抗線條件下集束孔精細化爆破技術

王湖鑫，熊代余，陳 何

(1.東北大學，遼寧 沈陽 110819；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

我國金屬非金屬礦山存在大量未經處理的采空區。據統計，截至2015年底，全國金屬非金屬地下礦山共有采空區12.8億m3[1]。采空區使礦山開采條件惡化，給礦山生產和安全帶來嚴重影響，同時造成嚴重的礦產資源破壞和浪費。采空區已成為影響我國金屬非金屬礦山安全生產最主要的危害源之一。近年來，我國礦山企業已認識到采空區的危害并積極開展治理工作。在處理采空區的同時，應盡可能回收采空區周邊的殘礦資源，使采空區治理由單純的投入變為生產行為，不僅有利于提高資源利用率，而且也有利于提高企業處理采空區的積極性。

在處理采空區過程中，經常面對大抵抗線、變抵抗線爆破條件，爆破效果難以控制的技術難題。本文以我國某錫礦采空區治理與殘礦回采為例，集束孔精細爆破實現大抵抗線、變抵抗線條件下的爆破，為類似礦山開采提供參考。

1 項目背景

某錫礦山原來采用空場法，經過多年開采，形成了大量的采空區。采空區的上下盤以及間柱存有大量的高品位殘礦資源。近年來，采空區地壓活動日漸頻繁，成為礦山安全生產隱患，亟需開展治理。同時，對采空區周邊的殘礦資源盡可能進行回收，避免資源的浪費。

2 開采技術條件及存在問題

該礦采空區主要位于570～635 m水平，635～650 m為頂柱，頂柱以上為垮落體覆蓋層，如圖1所示。

由于長期受應力集中影響，采空區周邊巖體及巷道受到破壞，原有工程恢復難度大、投入高。破碎的礦巖中形成作業空間困難。在采空區處理過程中，只能盡量在保存較為完好或者恢復難度小的巷道以及在部分相對較完好的礦巖中形成鑿巖硐室，進行鑿巖作業。在爆破時，經常面對大抵抗線的情況。目前，地下礦山最大孔徑165 mm，最小抵抗線3.5～5 m，采用常規的方式無法進行有效爆破。

由于暴露時間長，采空區上下盤發生垮落，采空區形狀不規整，從而導致采用崩落回收殘礦時，抵抗線復雜多變。如果以大抵抗線進行爆破設計，則會導致小抵抗線部分藥量過大，過度破碎，浪費炸藥；如果以較小抵抗線進行爆破設計，則導致大抵抗線部分無法崩落或者形成大塊，造成資源的浪費。針對不同的抵抗線情況，進行布孔方式與裝藥結構調整，實行精細化爆破，能夠有效地解決這個問題。

3 技術方案的選擇

為避免對采空區多次擾動，惡化處理環境，宜采用整體崩落方式對采空區周邊殘留礦石資源進行回收，該方法效率高、安全性好。經過對該礦開采技術條件進行研究，決定采用以集束孔為主、局部輔以中深孔和小硐室一次起爆的區域整體崩落采礦法處理隱患區域，同時回收殘礦資源[2]。該方案以區域內采空區群為補償空間，把殘留礦體崩落至采空區，再在底部集中出礦。

根據礦山礦巖穩固性以及現有工程的完整可利用程度，確定在635 m水平集中布置鑿巖硐室，在鑿巖硐室打下向大直徑集束孔，炮孔直徑165 mm。底部結構布置在550 m水平，采用塹溝出礦，區域整體崩落法方案見圖2。

下面以集束孔JS1為例，對大抵抗線、變抵抗線集束孔精細化爆破設計進行詳細說明。

3.1 大抵抗線集束孔爆破

圖1 部分采空區剖面圖Fig.1 Profile of partially goaf

圖2 集束孔區域整體崩落方案圖 Fig.2 Regional overall caving plan with bundle-hole blasting

圖3 不同形式的集束孔布孔方式Fig.3 Different forms of hole arrangement for bundle-hole

如圖4所示，炮孔直徑d=0.165 m，炮孔深度H=60 m，從上到下，抵抗線可以大致分為四個部分。第Ⅰ部分，W1=12 m，H1=10 m；第Ⅱ部分，W2=10 m，H2=7 m；第Ⅲ部分，W3=6 m，H3=26 m；第Ⅳ部分，W4=11.5 m，H4=17 m。

圖4 集束孔JS1抵抗線變化情況Fig.4 Change of burden of bundle-hole JS1

集束孔抵抗線由式(1)確定[4]。

W=9d[(2.17N-1)Δ/q]1/2(1)

式中：W為抵抗線，m；d為炮孔直徑，m；N為炮孔個數；Δ為裝藥密度，t/m3；q為炸藥單耗，kg/t。

由式(1)可得式(2)。

(2)

式(2)中各參數意義與式(1)相同。采用2號巖石乳化炸藥，Δ取0.94 t/m3，該礦生產炸藥單耗q=0.37 kg/t，d=0.165 m。代入圖4中抵抗線最大的部分W1=12 m，得N1=12.3，取N1=12。

集束孔JS1孔數由抵抗線最大部分確定，因此N=12。

考慮到鑿巖硐室的穩固性，硐室跨度不宜太大，集束孔JS1布置為如圖5所示的方形集束孔。單孔之間距離5～8倍的炮孔直徑[3]，取5倍的孔徑0.825 m。炮孔距離硐室邊壁最小距離1.5 m，鑿巖硐室寬度4.65 m。

3.2 變抵抗線集束孔裝藥結構設計

炮孔采用導爆索全長起爆方式，裝藥結構如圖6所示(圖中已略去導爆索、起爆藥包、雷管)。

圖5 集束孔JS1布置方式Fig.5 Arrangment of bound-hole JS1

圖6 集束孔JS1裝藥圖Fig.6 Charging structure diagram of boundle-hole JS1

根據式(2)計算結果，集束孔JS1從上到下，其抵抗線及對應的孔數如下所述。

N1=12.3，取N1=12；N2=8.7，取N2=9；N3=3.4，取N3=4；N4=11.5，取N4=12。

具體裝藥結構如下：①炮孔上部堵孔長度3 m；②第Ⅰ部分：裝藥長度L1=H1-2.5 m=7 m，N1=12，裝藥孔1#～12#；③第Ⅱ部分，裝藥長度L2=H2=7 m，N2=9，裝藥孔4#～12#，1#～3#孔充填物間隔；④第Ⅲ部分，裝藥長度L3=H3=26 m，N3=4，裝藥孔4#～5#、10#～11#，其他孔充填物間隔；⑤第Ⅳ部分，L4=H4-2.5=14 m，N4=12，裝藥孔1#～12#；⑥底部堵孔長度3 m。

根據抵抗線長度，對裝藥孔孔數進行調整，既保證了崩落對象垮落，又使得爆破能量均勻分布，防止過度破碎，充分利用爆破能量。

4 實施效果

該礦共布置集束孔28組，總孔深8 523 m，輔以小硐室11個，中深孔1 918.3 m，總炸藥量150 t，成功進行了采空區處理，崩落礦量77萬t，炸藥單耗0.195 kg/t。

通過對進路口崩落礦巖實地觀察，爆堆塊度<300 mm，塊度較好。從爆破過程和地表與井下觀察情況來看，地表產生了連通冒落區的崩落區。井下各水平通爆區進路口均見爆堆，沒有產生局部拒爆和懸頂現象。礦山在區域整體大爆破崩落后，即開始放礦。安排2臺鏟運機出礦，每天出礦2 500～3 000 t。該次爆破成功地處理了礦山安全隱患，并回收殘礦資源，緩解了礦山的生產壓力，給礦山創造了可觀的經濟利益。

5 結 論

1) 在處理采空區的同時，應兼顧殘留資源的回收；采用整體崩落方式對采空區周邊殘留礦石資源進行回收，可以避免多次回采對采空區造成的擾動，效率高，安全性好。

2) 采空區由于暴露時間長，發生垮落，周邊礦巖受應力集中影響發生破壞，在殘礦回收中，常面臨大抵抗線、變抵抗線問題。采用集束孔，通過對布孔方式及孔數的調整，可以實現大抵抗線條件下的爆破。在裝藥設計中，通過對集束孔內裝藥孔數的調整，實現對變抵抗線爆破條件下的精確控制爆破，確保爆破能量均勻分布，既保證爆破效果，又充分利用炸藥能量。