露天礦山隱伏盲空區精確探測及爆破優化設計*

王 虎，張海清，劉勇鋒，史先鋒，魏 杰

(1.中國安全生產科學研究院，北京 100012； 2.燕山大學，河北 秦皇島 066004； 3.河北大學，河北 保定 071002)

0 引言

露天金屬礦山較為傳統的采礦工藝為自上而下逐階段緩幫開采，隨著采場開采范圍的拓展與延深，臺階下方的隱伏空區給礦山正常采礦作業帶來很大威脅。由坍塌引起的地下盲空區，比采空區更具有隱伏性，不僅嚴重威脅地表作業人員和礦山大型工作設備的安全，同時也對礦山的爆破作業造成了嚴重的安全隱患。

盲空區具有一定的隱伏特征，要準確探測其位置和空間形態難度很大。隨著測量技術及設備的發展，高精密的探測設備逐漸發揮更積極的作用，使得對采空區的處理更為精確。對于位置已知且可以進入的采空區，最簡單的辦法是進行地面和井下測繪。如果人員無法直接接觸，可以采用采空區三維激光掃描系統進行精確測量，探測人員無須進入空區[1-3];對于位置未知的盲空區，需要前期通過淺層地震法、電阻率法、電磁波法、重力法等[4-6]物探的方式初步對盲空區的位置進行預估和圈定。對于保障礦山安全生產而言，探測清楚空區只是一個基本的前提條件，后期的空區控制和治理才是目的，也相對困難[7]。常用的空區處理方法有封閉、崩落、加固和充填4類，其中封閉和加固并不能完全消除空區，充填處理則存在工程量大、工藝流程復雜、充填成本高、開采效率低等問題[8-9];崩落法能夠徹底消除空區，處理效率較高[10-11]。

本文以白馬鐵礦1號溜井盲空區為研究對象，首先通過鉆探圈定空區范圍，然后采用三維激光掃描實現空區精確探測，構建空區三維模型，最后基于空區現狀形態及潛在危害，進行爆破優化設計，徹底消除空區隱患。通過一個典型礦山的空區探測及爆破處理應用實例，為其他礦山同類空區處理提供參考。

1 礦山問題概況

白馬鐵礦是位于四川省攀枝花市境內的特大型露天鐵礦，自北向南由夏家坪、及及坪、田家村、青杠坪、馬檳榔5個礦段組成。由于礦區地形切割強烈，礦山采用山坡露天開采方式，采礦工藝為自上而下逐階段開采的傳統緩幫開采工藝。

礦區總體地勢北高南低，西高東低，標高1 500.000～2 500.000 m，地形坡度27°～43°，多為30°～35°。南邊鹽水河處最低，標高為1 410.000 m，最高處位于及及坪北端，標高達2 500.000 m。本文研究對象位于及及坪采場，該采場為長條形，一般分層水平走向長約2 000 m，寬300～500 m，采場采剝工作線為斜交礦體走向布置，由南向北推進。在淺部風化帶內，最終邊坡角為39°，階段高度15 m，階段坡面角為45°，安全平臺寬度7 m；在硬巖中最終邊坡角為47°，階段高度15 m，2個階段并段，最終階段坡面角為65°。設14 m寬的清掃平臺，露天采場最小底寬30 m。最小工作平臺寬度一般為40 m，開段溝寬度為30 m。

白馬鐵礦1號溜井早期受礦石沖刷影響，溜井出現多處片垮，加之受不良地質構造的影響，造成溜井多個位置發生塌方，加速了溜井的破壞，最終溜井廢棄，溜井內部呈現出多段塌方、多段空腔等復雜特征。限于礦山本身探測技術限制，溜井廢棄后，其內部破壞情況并沒有詳細清晰的資料，礦山生產每降低1個階段，礦山只能依靠打鉆探明該階段溜井周圍情況。

隨著露天采場降高擴幫，正在開采的1 990～1 975臺階受廢棄1號溜井影響嚴重，同時溜井盲空區隱患嚴重威脅到了臺階上部作業人員和設備的安全，現場環境如圖1所示。

圖1 現場環境Fig.1 Site environment

為了消除1號溜井盲空區的隱患，礦山進行了鉆孔探測。空區位于及及坪北采場1 990水平北部，為1號溜井區域附近，下方有1 974施工平巷，平巷底板標高為1 969.835～1 971.640 m。鉆孔作業過程中發現異常情況，表現為浮渣過厚、穿鑿困難以及穿過硬巖(塊)后鉆桿快速下墜等穿透空區現象，據鉆機司機描述，異常孔共有9個(見圖2)，打穿位置在距孔口以下8～17 m距離不等。經現場實際測孔，異常孔孔深最淺為2 m(實際孔深18 m，在2 m位置堵塞)，最深為24.3 m，詳見表1。

圖2 鉆孔布置及空區水平范圍推測Fig.2 Borehole arrangement and speculation on horizontal scope of goaf

從表1給出的鉆孔探測結果可知空區現狀的大致情況，各鉆孔處空區高度從5～12 m不等，差異較大，且由于露天開采金屬礦山地質條件的復雜性及鉆孔分布的空間離散性，對于鉆孔間的空區實際形態不明確。此外，根據鉆孔探測結果只能大致推測空區的分布范圍，無法獲得精確的空間邊界。總之，1號溜井尚存在未探測到的盲空區，依舊對露天采礦后續爆破和開采作業構成較大的安全威脅。

表1 鉆孔探測結果Table 1 Borehole detection results

本文針對1 990～1 975臺階1號溜井盲空區，通過歷史資料分析、鉆探和內部三維激光掃描手段進行多層次、多手段的空區綜合探測分析，即通過歷史資料鎖定溜井位置及可能發生內部塌方的范圍，利用工程鉆探核實空區具體位置和基本情況，最后利用三維掃描設備準確探明空區空間形態特征參數。多方法結合，可以對1 990～1 975臺階1號溜井盲空區進行較系統和全面的分析，為后續崩落爆破處理奠定基礎，從而達到排除隱患、保障安全開采的目的。

2 采空區精確探測

金屬礦隱伏空區探測方法的選擇本身是一個十分復雜的問題，不僅與待測空區的形成方式、形成特點、周圍巖層介質的物理力學性質有關，而且與采空區上方的地形地貌、地下水、礦物元素含量與組成、巖層內節理裂隙分布及其發育程度、空區幾何空間位置、埋藏深度等因素相關。本研究區內的1號溜井盲空區，宏觀位置相對清晰，因此采用鉆探與激光探測2種方法進行分布探測。現場鉆孔布置如圖1所示，鉆探能夠在進行空區初探的同時，為后續激光探測提供探測環境。本文僅研究激光精確探測結果。

2.1 三維激光探測方法

激光探測是基于激光測距技術的一種探測方法。激光測距，即利用光在待測距離上往返傳播的時間換算出距離。在三維激光掃描儀內，有一個激光脈沖發射體，2個反光鏡快速而有序地旋轉，將發射體發出的窄束激光脈沖依次掃過被測區域。通過測量每個激光脈沖從發出到被測物體表面再返回儀器所經過的時間來計算距離S，同時編碼器測量每個脈沖的角度(橫向掃描角度α和縱向掃描角度ω)，如圖3所示，可以得到被測物體的三維真實坐標，見式(1)。

圖3 三維激光探測技術原理Fig.3 Principle of 3D laser detection technology

(1)

鉆孔地下空間和采空區三維激光自動掃描系統現場布置如圖4所示，通過預先鉆出的鉆孔，將激光探頭插入到采空區內部，進行水平或垂直掃描[1](見圖5)，從而快速、安全地勘查地下空區的內部情況。

圖4 鉆孔三維激光掃描系統現場布置Fig.4 Site arrangement of borehole 3D laser scanning system

圖5 三維激光掃描方式Fig.5 Modes of 3D laser scanning

2.2 現場探測方案設置

根據現場的基本情況，結合預估的塌方區域空間位置，制定掃描方案。為保證現場人員和設備處于相對安全的探測環境，掃描探頭通過1 990 m臺階處的鉆孔放入塌方區內，其他輔助設備安裝在附近。

探測工作過程中，由于受到鐵礦磁場影響，設備自帶的數字指南針無法使用，無法直接確定隱伏盲空區的方向和傾角，在這種情況下，應該輸入已知的探桿方位角。本次測量時，利用多個定向桿及多鉆孔的方位進行方向控制。定向桿為二維活動的機構，將激光探桿連接第1根定向桿，多節定向桿依次首尾連接垂直放入鉆孔中，定向桿能夠保持下放過程中探桿激光器方向不變，在地表將方向定好，則放入鉆孔中后探桿激光器方向仍保持該方向。方位確定的基本原則如圖6所示，處于“停駐”位置的激光器與孔內延伸管銷沿同一軸對齊，它們都與儀器的指南針基準線呈90°角。如果指南針原始讀數為0°，則處于“停駐”位置的激光將指向90°。

圖6 方位確定原則Fig.6 Principle of orientation determination

本待測空區形狀較為復雜，為避免出現掃描視覺盲區，選定J1，H1和E1(參見圖2)3個鉆孔下放探頭進行數據采集，下放位置的空間水平坐標分別為(510 333.08,2 998 656.67)，(510 324.45,2 998 664.355)和(510 332.60,2 998 662.94)，在設備到達空區后進行掃描，并進行數據加密測量，最后進行點云數據拼合。

2.3 空區數據處理

分別從3個鉆孔下放探頭進行數據采集，采用水平掃描方式(如圖5所示)，掃描步長增量為1°，共采集到2 659 000個三維點云數據，對原始數據進行拼合后，形成1個點云包裹的空腔結構，在空間坐標內進行三維可視化展示，如圖7所示。圖7所示方位，x軸為激光停駐方向，y軸為磁北極方向，z軸為高程方向。

圖7 空區點云數據三維可視化展示Fig.7 3D visualization presentation of goaf point cloud data

由于測量系統采集的數據為點云數據，需對其進行處理方可對空區空間形態進一步分析。數據處理的主要工作：首先對采集點數據進行過濾，刪除干擾數據，然后補充細節不夠和系統無法采集到的盲區數據，最后利用建模軟件，逆向構建塌方空區三維模型。

空區最終模型如圖8所示，進一步獲得的空區幾何信息見表2，空區沿x軸長度25.4 m，沿y軸長度32.2 m，沿z軸長度24.3 m。空區頂部最高點距地表僅有8 m，空腔面積為1 710 m2，體積為2 011 m3。通過三維激光掃描可以獲得空區表面的精確三維信息，相比之下，常規鉆探僅在豎直方向上探測結果較穩定，在水平方向上則無法直接測量，根據有限鉆孔點位推測的空區水平分布范圍及空間幾何形態與實際情況往往存在較大誤差。

圖8 空區三維模型Fig.8 3D model of goaf

表2 三維掃描探測結果Table 2 3D scanning detection results

2.4 激光數據與鉆探數據對比

在激光精確測量之前，先進行了鉆孔粗探，2種探測結果顯示：2種方法所測數據基本吻合。鉆探時，遇到局部巖體破碎陷落，導致快速掉鉆，因此鉆探方法對此點頂板估計不準確，此外，利用導線測量的底板高度同樣準確性較差。激光測量精度更好，達到毫米級，而鉆探的測量精度只能達到米級，導線測量易受底板碎石形狀影響。總體而言，激光測量方法更為準確，探測結果是空區形態的真實表現，而僅靠鉆探經常出現漏探的情況，且根據有限鉆孔點位推測的空區水平分布范圍往往與實際情況相差較遠。

3 溜井盲空區形成分析

本研究區內的1號溜井盲空區，不同于一般金屬礦山地下采空區。常規的金屬礦山采空區主要是由于正常開采作業或掠奪式開采的民采而形成，而本溜井盲空區是由于地下溜井和地質異常體共同影響形成，在時空上呈現如下危害特征：

1)盲空區在廢棄溜井附近，生產臺階之下，沒有相關可參考資料，比常規采空區隱伏性更強。

2)原生盲空區不斷演化，隨時間推移會向上發展，形成次生空區。原生空區與次生空區構成新的采空區，其邊界異常復雜，是時間的函數。

3)盲空區距現階段地表很近，埋藏非常淺，極易受爆破、工程機械荷載等因素影響，對地表人員和設備危害極大。

主溜井是礦山生產的咽喉工程，結合1號溜井周圍的井巷工程分布情況以及該區域地質條件特征和實測的空區形態數據，將盲空區形成分為4個階段：

第1階段：溜井井壁局部沖刷破壞。

溜井破壞都是從上開始逐漸發展形成的，溜井服役初期，由于礦石溜放過程對溜井井壁產生不同程度的沖刷，沖刷作用使得溜井井壁發生不同程度的偏幫、塌落，尤其在圍巖破碎、巖石整體性差的階段，溜井破壞更為嚴重。

第2階段：溜井快速大范圍破壞。

受溜井附近區域巖層的地質構造、節理裂隙、動力擾動和附近巷道等綜合影響，在某一時段，溜井內部側壁發生大體積的塌方，溜井附近主要空區形成。

第3階段：溜井井筒大粒徑塊石堵塞。

由于溜放礦石粒徑很難控制在規范要求之內，溜井內部存在很多大粒徑的礦石，加之溜井存在多段塌方，塌落下來的不規則大塊巖體，在溜井內部相互擠壓，堵塞溜井。據礦方資料顯示，歷史上，該溜井確實發生多次堵塞。后期溜井廢棄后，溜井內部未完全放出的礦石和局部塌方的巨石，共同作用，在溜井內部形成多處堵塞段。

第4階段：盲空區頂板二次冒落。

隨著礦山開采的深入，采場臺階逐漸降低，降低到1 990 m附近后，對該區域的擾動和影響更為明顯，加之該區域存在軟弱結構面，在綜合擾動影響下，盲空區內部發生二次冒落。

溜井垮塌本身是一個很復雜的問題，是多種因素共同作用的結果。經綜合分析，該盲空區最初由溜井引起，盲空區邊緣和原1號溜井聯通，空區并非一次坍塌成型，而是隨著時間和外界條件的變化逐漸發展，最終形成了目前的特殊空間形態。

4 溜井盲空區爆破優化

為了消除盲空區給安全生產帶來的隱患，選用爆破方式對空區進行處理[12]。根據盲空區的賦存狀態(走向、傾向、體積大小、形狀和范圍)，對1 990 m臺階1號溜井空區域采用優化的分區爆破方案。

爆破區域包含空區及其周邊一定區域，為混合穿鑿爆區，基本為清渣狀態，爆破體為輝綠巖脈和品級Fe3，Fe4的礦巖體。根據裝藥結構，整個爆區優化為A，B，C，D共4個區域，其中空區范圍內分為A，B，C區，空區范圍以外為D區(見圖9)。圖9中爆區范圍內分布的小圓圈表示炮孔位置，A區孔口與空區頂板距離≤17.5 m，B區孔口與空區頂板距離17.5～20 m，C區孔口與空區頂板距離>20 m。

圖9 爆區與空區相對位置關系平面示意Fig.9 Plane schematic diagram of relative position between blasting zone and goaf

裝藥結構按A，B，C，D共4個區域進行分區設計，其中A區為重點區域，炮孔已穿透空區，每個炮孔均單獨進行設計，如圖10所示。A區炮孔因穿透空區，炮孔可裝藥長度僅余3.5～10 m不等，原設計孔網參數過大，為保證爆破效果，徹底崩落空區頂板，消除后續鏟裝設備空區作業隱患，對A區炮孔進行間隔加密優化。為防止炮孔底部漏藥與空區泄能，對A區采用底部間隔裝藥結構，即底部采用BJQ氣體間隔器與巖渣為充填物，上部填塞長度略大于下部填塞長度，以助于空區頂板塌落，根據經驗公式計算得填塞高度為3.2～4.8 m。A區總面積約225 m2，總爆破體積約2 921.81 m3(扣除分層計算空區體積678.19 m3后)，設計總藥量1 960 kg，炸藥單耗0.67 kg/m3。

圖10 A區炮孔與空區位置關系Fig.10 Position relationship between blasting holes and goaf in area A

B區炮孔雖未穿透空區，但孔底距離空區頂板小于設計填塞厚度3.5 m，為防止底部空區泄能，先回填巖渣1.5 m(即保證炮孔深度16 m)后再裝藥，采用連續裝藥結構。B區總面積約50 m2，總爆破體積約800 m3，設計總藥量536 kg，炸藥單耗0.67 kg/m3。

C區炮孔雖處于空區的正上方，但與空區頂板距離較遠，視為正常炮孔與D區合并設計，采用連續裝藥結構。C區總面積約400 m2，總爆破體積約6 400 m3，設計總藥量4 473.5 kg，炸藥單耗0.70 kg/m3。

D區炮孔為正常炮孔，位于空區范圍以外，采用連續裝藥結構。D區總爆破體積約31 878 m3，設計總藥量22 242 kg，炸藥單耗0.70 kg/m3。

最終的爆區炮孔布置與1號溜井垮塌區域的空間相對位置關系如圖11所示，空區總體積約2 200 m3，本次爆破區內的空區體積約678.19 m3，預計爆破后A，B區覆蓋范圍內空區應整體塌落，空區體積約1 300 m3，A，B區面積275 m2，爆后爆區松散系數按1.2計，預測爆后爆堆A，B區將形成1個深約1.5～2.7 m的凹陷區。

圖11 爆區布置與1號溜井垮塌區域三維示意Fig.11 3D schematic diagram of blasting zone layout and collapse area in 1# chute

5 結論

1)露天開采礦山因地下坍塌形成的盲空區，是影響礦山安全生產非常隱蔽的危險源。對于盲空區必須進行及時探查和處理。建立快速、精確的探測方法，確定合理、經濟的處置方法，對于礦山消除空區隱患，保證礦山安全生產至關重要。

2)對于已知基本影響區域的盲空區，可以選用鉆探和三維激光掃描相結合的方式進行綜合探測。鉆探不僅可以對歷史資料進行驗證，同時還可以給激光精確測量提供必要的探測環境。三維激光掃描是一種適用性很強的非接觸空區探測方法，最終可測得空區的真實三維形態和賦存條件。

3)空區處置最常用的處理方式是充填和崩落。對于露天開采礦山而言，消除空區的最佳選擇是爆破崩落，可以徹底消除盲空區，保證后續順利生產，因此空區影響下的爆破優化設計也非常重要，值得引起重視。

4)在獲得盲空區詳細空間信息的條件下，進行爆破設計，根據空區頂板條件和開采情況，分區制定爆破方案，優化爆區布置和裝藥方式，從而在保證安全和經濟的前提下，最大程度消除盲空區隱患，對保障礦山安全生產具有積極的現實作用，同時對類似空區的探測及處置方案選擇具有較好的借鑒意義。