扇形布孔爆破技術在采空區隱患治理工程中的應用

賈 宏 宇

(阜新市產業技術研究院，遼寧 阜新 123000)

采空區的穩定性是礦山企業安全開采的重要難題[1]，為了提高生產作業的安全系數[2]，降低爆破振動的影響，需要對采空區進行控制與治理。針對地表有重要結構，地下有生產采場的采空區隱患治理問題，國內外學者進行了大量研究[3-5]。李偉等[6]分析了軟巖地層中采空區隱患對高鐵路堤沉降的影響；周宗紅等[7]應用分段空場崩落采礦法并對其護頂礦層和隔離礦柱的穩定性進行分析；胡靜云等[8]采用無底柱分段崩落法開采形成的采空區進行了多通道振動監測試驗；賈海波等[9]利用FLAC3D軟件對采空區隱患治理的方案和施工順序進行了數值模擬分析；耿智園等[10]基于CDEM模擬了爆破崩落法治理露天礦地下采空區的過程。

1 工程概況

1.1 采空區現狀

1 020 m標高以上為露天開采；950 m～990 m標高之間為民采空區；900 m～950 m標高之間為17號采場(73線～89線)和18號采場(89線～101線)。民采空區長約為250 m，其中75線～89線較寬，約55 m；89線～101線較窄，約12 m；民采空區頂板暴露面積約3 468 m2，采空區體積約13.87×104m3。

1.2 周邊環境

采空區周邊環境比較復雜，東偏北140 m處有一變壓器，正北面218 m處為新建副井，東偏北231 m處有混合井井塔辦公區，西偏南498 m處為3號井口辦公生活區，正南面285 m處有礦井風機房和通風機入口，東偏南455 m處為礦區生產加工廠房、庫房、生活區和辦公區。具體周邊環境如圖1所示。

2 爆破方案設計

由于露天坑底隔離礦柱下方民采空區暴露面積大，隔離礦柱在75～75 A線發生塌陷；另外礦山在991 m上下盤、1 000 m下盤、1 005 m上盤巷道出現不同程度的錯動而無法進入。因此，采用在空區下盤1 005 m標高施工鑿巖巷道，對露天坑底礦體實施深孔鑿巖爆破治理采空區。根據采空區的位置可將采空區分為采空一區和采空二區，具體位置如圖2所示。

2.1 扇形排列布孔

采空一區每排炮孔自南向北依次編號，起始排為13排，終止排為70排；采空二區每排炮孔自東向西依次編號，南側第一個橫穿巷道炮孔排數為77排～90排，第二個橫穿巷道炮孔排數為93排～104排；透孔后加字母“T”以示區分。由于篇幅有限，僅給出部分鉆孔角度和炮孔深度布置，如圖3所示。

2.2 爆破參數選取

1)炮孔直徑。

根據巖石特性，鑿巖設備選用YT-27和KQG-100潛孔鉆機，炮孔直徑為90 mm。

2)最小抵抗線W、孔底距a和鄰近系數m。

結合巖石的物理力學性質指標，確定最小抵抗線W=2 m，孔底距a=2.5 m，由此根據m=a/W得出鄰近系數m=1.25。

3)充填長度。

若炮孔沒有透孔現象，則不需要孔底充填；若炮孔存在透孔現象或超深過長，需要設置孔底充填長度為2 m～3 m；孔口充填長度根據裝藥長度控制在2 m～5 m范圍內。

4)藥量計算。

為滿足施工質量，裝藥量采用如下公式確定：

Q=π(d/2)2L0ρ

(1)

其中，Q為裝藥量，kg；d為炮孔直徑，0.09 m；L0為裝藥長度，m；ρ為炸藥密度，由于工作面有水，所以采用粉狀乳化炸藥，因此ρ=850 kg/m3。

2.3 裝藥結構說明

采用BQF-100Ⅱ型裝藥機進行連續耦合裝藥；當裝藥長度大于16 m時，需在裝藥的頂部、底部以及中部分別設置起爆具；當裝藥長度小于16 m時，僅需在裝藥的頂部和底部分別設置起爆具；具體裝藥結構示意圖如圖4所示。

2.4 起爆網絡設計

通過數值模擬方案對比[11]，確定采用間隔時間為100 ms的孔內微差起爆網絡，且采空一區與采空二區間隔6 s，具體起爆順序如圖5所示。

3 爆破振動控制

采空區隱患爆破治理工程中采空一區使用炸藥量為118 240 kg，采空二區使用炸藥量為51 300 kg，單段最大藥量為1.8 t，且爆破總延期時間為15 130 ms。

為了避免爆破振動對地表建筑結構的損傷以及塌落振動對采空區下部采場的影響，采用TC-4850測振儀對其進行監測，具體測點布置如圖6所示。測點1,3為井下圍巖巷道，測點4為混合井，測點6為辦公樓，測點8為新建副井，具體監測數據見表1。

表1 爆破振動監測數據

根據GB 6722—2014爆破安全規程各類建(構)筑物的振動安全允許標準值可以得出：地下巷道(測點1和3)最大振速僅為0.7 cm/s，遠小于規定的允許下限值15 cm/s；新建副井(測點8)最大振速為垂直方向，振速值為3.27 cm/s，主振頻率為24.4 Hz，混合井(測點4)最大振速為水平徑向，振速值為0.95 cm/s，主振頻率為19.2 Hz，均小于振速安全允許值3.5 cm/s～4.5 cm/s(主振頻率10 Hz～50 Hz)；辦公樓(測點6)最大振速為垂直方向，振速值為0.42 cm/s，主振頻率為6.9 Hz，小于振速安全允許值2.5 cm/s～3.5 cm/s(主振頻率小于10 Hz)。

4 結論

1)采用扇形布孔爆破技術治理采空區隱患工程，通過爆破參數計算、裝藥結構布置以及起爆網絡設計，消除了隔離礦柱坍塌的風險，保證了地表建筑結構的安全穩定以及下部采場的順利生產。

2)在總裝藥量為169 540 kg，單段最大藥量為1.8 t，總延期時間為15 130 ms的采空區隱患治理爆破工程中，地下巷道最大振速為0.7 cm/s，地表建筑物最大振速為3.27 cm/s，均小于規范的安全閾值。