地下轉(zhuǎn)露天開采的采空區(qū)處理工藝分析

潘衛(wèi)紅

（甕福（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 福泉 550508）

與礦產(chǎn)資源地下開采方式相比，露天開采資源回采率比較高，并且工作環(huán)境好，生產(chǎn)成本低。現(xiàn)如今，很多礦山已從地下開采轉(zhuǎn)為露天開采，因此，在資源條件允許的情況下，地下轉(zhuǎn)露天開采是礦產(chǎn)行業(yè)發(fā)展的重要趨勢。在地下轉(zhuǎn)露天開采中，由于原地下開采可造成采空區(qū)，因此可能會對露天開采安全性造成不良影響，因此，亟需對地下轉(zhuǎn)露天開采中采空區(qū)處理方式進(jìn)行深入研究[1]。

1 采空區(qū)類型

1.1 計劃性開采形成的采空區(qū)

在對開礦山進(jìn)行計劃開采時可形成采空區(qū)，由于在礦山開采中已制定完善的開采設(shè)計方案，因此，對于采空區(qū)，可在平剖面圖上進(jìn)行圈定。

1.2 民采或古代開采形成的采空區(qū)

采礦行業(yè)歷史悠久，對于古代開采以及沒有經(jīng)過規(guī)劃的民采所形成的采空區(qū)，一般沒有勘查設(shè)計資料可查。對于這類復(fù)雜采空區(qū)，要求采用專業(yè)的采空區(qū)探測技術(shù)進(jìn)行探測。

1.3 頂板巖層移動形成的采空區(qū)

在頂板處理時，如果采用垮落法，強(qiáng)制崩落、自然垮落均無法有效填充采空區(qū)，在頂板巖層移動影響下，采空區(qū)逐漸擴(kuò)大。隨著巖層理論技術(shù)研究不斷深入，對于這類采空區(qū)，可根據(jù)開采過程進(jìn)行預(yù)測分析。

1.4 次生災(zāi)害形成的采空區(qū)

在地下開采過程中以及地下開采完成后，采空區(qū)中可產(chǎn)生次生災(zāi)害，進(jìn)而對采空區(qū)以及周邊巖體造成侵蝕作用，導(dǎo)致采空區(qū)擴(kuò)大。比如，在煤礦開采完成后可形成火區(qū)，一般是由人為失誤或者煤自然所造成的，可造成采空區(qū)擴(kuò)大。

2 地下轉(zhuǎn)露天開采的采空區(qū)危害

2.1 經(jīng)濟(jì)效益降低

在地下礦產(chǎn)資源開采完成后，即可形成采空區(qū)，在地下轉(zhuǎn)露天開采后，礦產(chǎn)資源數(shù)量不斷減少，礦產(chǎn)資源開采經(jīng)濟(jì)收益降低。通過地下開采，能夠開發(fā)出部分礦產(chǎn)資源，在露天開采中，礦山開采所需成本增加，并且礦石品味也會有所降低[2]。

2.2 威脅生產(chǎn)安全

地下轉(zhuǎn)露天所形成的采空區(qū)危險性比較高，其是由圍巖惡化所造成的。在時間、外力震動以及水化作用的影響下，采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度不斷降低，并且破壞傳導(dǎo)至露天采場，進(jìn)而對礦區(qū)生產(chǎn)安全性造成嚴(yán)重威脅，并引發(fā)各類地質(zhì)問題，包括地面塌陷、邊坡失穩(wěn)等。

對于地面塌陷，可分為兩種類型，即預(yù)見性塌陷以及非預(yù)見性塌陷。其中，預(yù)見性塌陷由人為因素所造成的，在礦區(qū)生產(chǎn)性破壞影響下，導(dǎo)致采空區(qū)頂板塌陷，雖然危害性比較小，但是會造成礦石開采難度增加。非預(yù)見性塌陷指的是未知采空區(qū)或者采空區(qū)已知的情況下，突發(fā)發(fā)生塌陷，可對礦區(qū)生產(chǎn)工作人員以及設(shè)備運(yùn)行安全構(gòu)成威脅。

在地下轉(zhuǎn)露天開采中，由于受到地下采空區(qū)影響，多種空間可在露天作業(yè)臺階上發(fā)生交匯，進(jìn)而產(chǎn)生切割作用，影響臺階穩(wěn)定性，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低。另外，如果采空區(qū)頂板塌落，則會導(dǎo)致地面塌陷，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。除此以外，在礦山采空區(qū)中，可聚集大量水、火以及其他有毒氣體，在露天開采過程中，如果揭露采空區(qū)，則會導(dǎo)致上述聚集物大量釋放，進(jìn)而影響礦區(qū)人員生命安全[3]。

2.3 穿爆工作難度大

地下轉(zhuǎn)露天采空區(qū)不僅會影響現(xiàn)場作業(yè)安全，同時還會對礦山開采效率造成不良影響。在對采空區(qū)頂板裂隙斷裂帶進(jìn)行穿孔時，容易發(fā)生卡鉆故障。在礦區(qū)爆破施工中，在未預(yù)見自由面以及巖石破碎的影響下，可散發(fā)出爆轟氣體，影響爆破效果。

3 地下轉(zhuǎn)露天原采空區(qū)處理技術(shù)

3.1 巷內(nèi)強(qiáng)制崩落充填技術(shù)

當(dāng)頂板崩落后，可充填至采空區(qū)中，如果礦山地下巷道系統(tǒng)完整，并且人員進(jìn)出便捷，具有良好的通風(fēng)條件，則可采用巷內(nèi)強(qiáng)制崩落充填采空區(qū)處理方式。需要注意，巖石的松散程度差異較大，無法保證采空區(qū)充分填實(shí)，因此，在露天開采中，依然存在安全隱患。

3.2 露天深孔爆破強(qiáng)制放頂處理技術(shù)

在地表穿孔爆破施工中，爆破施工技術(shù)與露天開采爆破技術(shù)大致相同。在采空區(qū)上臺階穿孔爆破中，對于炮孔結(jié)構(gòu)，可分為上下兩個部分，對于炮孔上不，可采用柱狀裝藥方式，并采用側(cè)向爆破方式，而對于炮孔下部，可采用球狀藥包，爆破方式為下向漏斗爆破，在爆破完成后，頂板崩落，即可充填至采空區(qū)中。如果地下采空區(qū)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，人員進(jìn)出難度大，并且通風(fēng)條件比較差，則可采用露天深孔爆破強(qiáng)制放頂處理方式。為了保證地下轉(zhuǎn)露天開采安全性，防止在穿孔過程中頂板強(qiáng)度不足而發(fā)生垮塌，要求在頂板位置保留一定安全厚度，需要注意，如果安全厚度比較大，則會導(dǎo)致炸藥浪費(fèi)，而如果安全厚度比較小，則會造成頂板垮塌，因此，要求結(jié)合實(shí)際情況準(zhǔn)確計算頂板安全厚度。

3.3 頂板覆巖硐室爆破法強(qiáng)制處理技術(shù)

在該處理方法的應(yīng)用中，要求從地表位置向采空區(qū)頂板放下挖掘小豎井，在頂板上方即可形成藥室，即可應(yīng)用硐室爆破方式對采空區(qū)頂板進(jìn)行放頂。如果礦區(qū)上部覆巖厚度比較大，巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且采空區(qū)寬度較大，則可采用頂板覆巖硐室爆破法強(qiáng)制處理技術(shù)，能夠保證礦山開采現(xiàn)場安全性，但是與上述兩種處理工藝相比，炸藥用量比較大，所需成本高。

3.4 尾砂膠結(jié)充填處理技術(shù)

在尾砂膠結(jié)充填處理技術(shù)的應(yīng)用中，通過合理應(yīng)用充填系統(tǒng)，可將尾砂膠結(jié)充填料充填至地下采空區(qū)中，能夠有效保障現(xiàn)場人員和設(shè)備安全。但是需要注意，在這一處理工藝的應(yīng)用中，要求礦山具有充填系統(tǒng)，應(yīng)用方法比較高。

4 地下轉(zhuǎn)露天開采的采空區(qū)處理實(shí)例

4.1 礦山開采現(xiàn)狀

在某磷礦開采中，首先采用露天采礦方式，然后轉(zhuǎn)為地下開采，并應(yīng)用空場開采方式，對于采空區(qū)沒有進(jìn)行及時處理，并且部分空區(qū)冒落。在該礦山開采中，由地下開采轉(zhuǎn)為露天開采，露天磷礦山臺階高度12m，穿孔直徑200mm，穿孔孔深13m，礦巖硬度系數(shù)f：10～14。綜合采空區(qū)特點(diǎn)以及礦山地質(zhì)環(huán)境條件，確定采用深孔爆破崩落治理方案，分別對采空區(qū)上盤、下盤圍巖進(jìn)行扇形孔爆破崩落，采用崩落的圍巖充填采空區(qū)，以平衡礦井地壓，消除采空區(qū)安全隱患，保證礦山生產(chǎn)安全。

4.2 爆破參數(shù)

（1）炮孔直徑。采用潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鑿孔，結(jié)合圍巖崩落范圍，綜合考慮空區(qū)規(guī)模、爆破塊度等，將鉆孔直徑確定為60mm。

（2）炮孔深度。炮孔深度L的選擇主要考慮鑿巖機(jī)類型、巖體性質(zhì)等因素，根據(jù)設(shè)計范圍進(jìn)行靈活控制。

（3）最小抵抗線。當(dāng)單位炸藥消耗量和深孔密集系數(shù)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。

（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，如圖1所示。在設(shè)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(shù)為1.0～1.3，孔口密集系數(shù)為0.4～0.7。巖石堅固性系數(shù)越大，要求的塊度越小，應(yīng)取較小值、反之，取大值。

圖1 扇形深孔的孔間距

（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(guān)，通常按照表1選取。

表1 地下深孔爆破單位炸藥消耗量

（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(yīng)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：

式中，QP為每排孔的總裝藥量，kg、Q為單位炸藥消耗量，kg/m3、W為最小抵抗線，m、S為每排孔的崩落面積，m2。

4.3 扇形炮孔爆破參數(shù)

根據(jù)采空區(qū)情況，確定每個鑿巖巷道布置4排扇形孔，左右兩側(cè)對稱布置，爆破參見表2。設(shè)計采用乳化炸藥，連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，炮孔堵塞長度≥1.5m。采空區(qū)上下盤炮孔布置如圖2所示，鑿巖巷道左側(cè)炮孔對稱布置。

表2 扇形炮孔爆破參數(shù)

圖2 采空區(qū)崩落炮孔布置

4.4 起爆網(wǎng)絡(luò)及起爆順序

為確保扇形孔安全起爆，每個炮孔配備2發(fā)同段別非電導(dǎo)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(jìn)行延期。首先按順序起爆上盤277、287m水平的炮孔，然后起爆下盤287m水平的炮孔。

4.5 治理效果

經(jīng)檢查，采空區(qū)崩落巖石充填較好，充填率達(dá)95%以上，鑿巖巷道口崩落的巖石塊度均勻，有效消除采空區(qū)安全隱患。

5 結(jié)語

綜上所述，本文主要結(jié)合實(shí)例，對地下轉(zhuǎn)露天開采中采空區(qū)處理工藝進(jìn)行了詳細(xì)探究。采空區(qū)處理工藝主要有四種，即巷內(nèi)強(qiáng)制崩落充填技術(shù)、露天深孔爆破強(qiáng)制放頂處理技術(shù)、頂板覆巖硐室爆破法強(qiáng)制處理技術(shù)以及尾砂膠結(jié)充填處理技術(shù)，在采空區(qū)處理中，應(yīng)對礦山開采資料進(jìn)行收集整理和分析，根據(jù)采空區(qū)實(shí)際情況選擇適宜的處理工藝，保證采空區(qū)處理效果。