白馬鐵礦1#溜井區域盲空區崩落爆破實踐

楊 超，高文遠，胡方強，夏祥生，高 帆，徐 斌

（攀鋼集團礦業公司，四川攀枝花 617200）

白馬鐵礦為國內特大型露天釩鈦磁鐵礦，有及及坪和田家村2 個采場，共設計原礦1 500 萬t/a，分一、二期建設，原設計礦石采用卡車-溜井-平峒鐵路聯合開拓運輸方式。由于井筒地質等原因導致井壁垮塌，及及坪采場一期設計的1#溜井和2#溜井一直處于堵塞未能疏通，同時受前期探測技術限制，僅通過底部放氫氣球探測判斷了堵塞位置，沒有其他盲空區資料。經過多年露天開采活動，采場開采水平下降，溜井垮塌區是否擴大不得而知，嚴重威脅了上部采場作業設備及人員的安全。以及及坪采場1 990～1 975 m 水平臺階1#溜井附近的爆區為例，介紹正常穿孔過程中出現了疑似盲空區，為消除生產安全隱患，介紹采取的垮塌空區范圍確認和爆破方式新實踐。

1 盲空區概況

根據生產推進計劃的要求，及及坪采場1 990～1 975 m 水平臺階北部需要穿孔爆破，該部位環境較為復雜，西側部分有1#溜井及施工平巷穿過，平巷底板標高為1 969.835～1 971.640 m。考慮安全因素，爆區設計由φ250 mmYZ-35 型牙輪鉆和φ160 mm 液壓鉆機共同穿鑿，施工平巷及溜井區域交由自質量較輕的液壓小鉆負責，φ250 mm 爆孔為32個，φ160 mm 爆孔為54 個，1 990 m 水平爆區布置與1#溜井垮塌區域平面圖如圖1。

圖1 1 990 m 水平爆區布置與1#溜井垮塌區域平面圖

液壓鉆機穿孔過程中突遇異常情況，主要表現在浮碴過厚穿鑿困難以及穿過硬巖（塊）后鉆桿快速下墜現象，據鉆機司機描述，異常孔共有9 個，在1#溜井井口往東25 m 范圍左右，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24.2 m。采用鉆探加三維激光掃描的方法確定了空區的準確范圍和形態[1]，長29.38 m、寬17.87 m、最大高度11.98 m；并在東南方向發現有新增空區：小孔有8 個，大孔有5 個，空區高度在2～4 m 不等；空區總體積約2 200 m3。爆區為混合爆區，大部分為清碴狀態，西側邊排位置壓碴較厚，爆破體為輝綠巖脈和三、四品級（Fe3、Fe4）的礦巖體。距離最近2 035～2 020 m 水平臺階終了邊坡距離約171 m，同臺階東側有6#電鏟，西側有8#牙輪鉆。

2 空區爆破方案

目前，露天礦山采空區處理主要采用崩落法和充填法，境界內的生產臺階處理空區還是采用強制崩落法。林謀金等針對大寶山礦空區采用邊界局部爆破法進行強制崩落處理，效果達到預期[2]。崔偉根據大量的現場試驗數據可知采用擬定爆破方案對平朔東露天礦采空區進行塌陷爆破的效果基本滿足預期的要求塌陷率、塌陷深度相比優化前有很大改善，為后續的生產作業消除了安全隱患[3]。賈寶珊采用逐孔微差起爆一次爆破的方式，在三道莊鉬鎢礦成功的以多層一次處理法，在露天爆破的同時對地下空區進行了爆破處理，爆破效果良好[4]。

借鑒相關礦山處理空區的經驗，結合1#溜井區域空區分布特征情況，采場現狀、現場條件、礦巖性質、節理構造等因素，本次爆破區域采用中深孔分區爆破處理的方法，將其分為A、B、C、D 4 個區域。A區域為重點區域，炮孔已穿透空區，每個孔裝藥量及裝藥結構等需單獨設計，方案主要考慮以A 區為首爆區域，空腔作為自有面，兩側向中間拋擲擠壓的多排孔微差爆破。

A 區炮孔因穿透空區，根據邱海濤基于極限分析法與彈性力學小變形薄板理論分析法得到的硫鐵礦采空區跨度和頂板安全厚度進行擬合得到的表達式為[2]：

式中：h 為頂板厚度，m；b 為采空區的跨度，m。

該空區最大跨度為9.54 m，根據式（1）計算得h=10.78 m，根據三維激光掃描結果可知，A 區炮孔除6-6 號孔底板厚度僅有8.97 m 外，其它孔頂板厚度都大于最小頂板安全厚度10.78 m。考慮原設計孔網參數過大，炮孔可裝藥長度僅余3.5～10 m 不等，對A 區炮孔進行間隔梅花形補孔加密，選用液壓小鉆孔徑160 mm，孔網參數縮小至2.5 m× 5 m，設計孔深8 m，補孔8 個。主要目的是保證爆破效果，減少空區上部大塊，防止大塊群懸于空區頂部，一次徹底崩落空區頂板，消除后序鏟裝設備作業隱患。另外，將孔深只有12 m 左右的5-6、5-7 2 個孔做回填處理。

穿透A 區炮孔，為防止炮孔底部漏藥與空區泄能，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，原則按照上部填塞長度略大于下部填塞長度，以助于空區頂板塌落；另外，考慮孔壁裂隙破碎嚴重，防止孔壁滲藥，采用套袋裝藥方式。B、C 區雖位于空區上方，但離頂板距離較遠，采用現場混裝炸藥連續裝藥結構，在2 種不同孔徑炮孔混合交接區根據實際孔網參數調整藥量；D 區為正常區域，同樣采用現場混裝炸藥連續裝藥結構。

3 爆破技術設計

混合爆區東側部分為品級Fe3、Fe4的礦石區域，可爆性好，孔徑φ250 mm，孔網參數5 m×10 m；西側部分由輝綠巖與輝長巖脈構成的巖體，可爆性較差，孔徑φ160 mm，孔網參數5 m×5 m。臺階實際段高16 m，超深2 m，孔深18 m，炸藥總體單耗q 選取0.70 kg/m3；A 區補孔參數2.5 m×5 m，孔深8 m，炸藥單耗選取不宜過大，控制在0.65 kg/m3左右，防止A 區整體炸藥偏大，產生沖孔。

對于A 區（孔口與空區頂板距離≤17.5 m）來說：對應孔位5-5、5-7、5-9、6-5、6-6、6-7、6-8、7-6、7-7），以及8 個補孔，其中F 號孔為廢孔，共16個孔。A 區炮孔填塞高度根據經驗公式[5]：

式中：L1為炮孔填塞高度，m；D 為孔徑，m。

式（2）可得L1=3.2～4.8 m。

結合以往工程實踐經驗，根據每個炮孔孔深差異，考慮到2 個自有面的影響，底部填塞高度設計2.5 m，選用φ250 mmBJQ 氣體間隔器與巖渣共同填塞，間隔器在φ160 mm 的炮孔撐開長度1.5～2.0 m，填渣高度0.5～1.0 m；上部填塞全部用巖渣填塞，填塞高度3.5～5.5 m。5-7、6-6、7-6 號炮孔裝藥結構示意圖如圖2。

圖2 5-7、6-6、7-6 號炮孔裝藥結構示意圖

該氣體間隔器首次在采場使用，考慮炮孔炸藥雷管因下部填塞體質量不佳滑落至空區的裝藥風險，采用現場混裝乳化炸藥套袋裝藥，單孔分次少量裝藥，每次裝藥對藥柱高度進行測算，保證設計裝藥量及填塞高度。對部分填塞高度過大的炮孔進行加藥處理。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），設計總藥量1 960 kg，炸藥單耗0.66 kg/m3。

對于B 區（17.5 m＜孔口與空區頂板距離≤20 m）來說：對應孔位7-5、8-1；共2 個孔。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2 m（即保證炮孔深度15.5 m）后裝藥，采用連續裝藥結構，單孔裝藥量260～280 kg。

對于C 區（20 m＜孔口與空區頂板距離）來說：對應φ160 mm 孔位6 個3-4、3-5、4-5、4-6、4-7、5-10；φ250 mm 5 個2-5、2-6、3-6、3-7、4-8；共11個孔。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，保證填塞長度。φ250 mm 炮孔單孔裝藥量設計550～630 kg，φ160 mm 炮孔單孔裝藥量設計250～280 kg。

4 起爆網路

爆區為混合穿孔，設計排數6 排，設計孔數86個，局部有不規則補孔（牙輪鉆區域2 個補孔并入第1 排，易鉆A-D 號補孔并入第4 排，E-H 號補孔并入第5 排，2 個探孔并入第6 排）。為保證爆破效果，網路選用地表逐孔網路實現排間微差V 型爆破效果，爆破網路圖如圖3。

圖3 爆破網路圖

起爆點選在1-1、1-2 號孔并同時起爆，中間A、B、C 區炮孔先于周邊D 區起爆，實現爆破掏槽作用，礦巖拋擲方向由兩邊向掏槽區A、B、C 區及爆區前方擠壓。避免A 區炮孔受相鄰炮孔爆破震動影響，使其同排炮孔地表延時時間一致，達到排間分組同時起爆目的。地表雷管用高精度毫秒導爆管雷管25、42、65 ms 搭接，按照一孔雙發，分別為64、42、62發；孔內雷管用16 段別400 ms 抗水導爆管雷管。

5 爆破準備及施工過程

1）爆破準備。爆破前需要做的準備工作有：①前期推測塌陷區域探補孔須由1 臺液壓鉆機配1 名司機在白班作業并派專人監護，禁止夜班鉆孔。尤其6-6 號孔周邊補孔時，輕型液壓小鉆鉆孔位置遠離6-6 號孔方向停靠；②爆破前對所有炮孔重新測孔驗收1 遍，對不合格孔進行補透；保證深孔填堵質量，水孔只需1 人填孔；③爆破前在坡角處堆積巖渣，防止爆炸沖擊波從工作面與施工平巷交接處沖出產生飛石。

2）爆破施工。爆破施工程序為：①A、B、C 區為塌陷區域，圈定安全警示范圍，所有車輛禁止進入。混裝炸藥車應停放在安全區域作業，施工過程中A、B、C 區裝藥、填孔、聯網最多2 人施工，并派專職安全員現場監護，如有異常立即撤離；②A 區采用空氣間隔器底部間隔裝藥結構，施工中分次少量裝藥，每次裝藥后必須對藥柱高度進行測算，中途發現漏藥及時采取措施處理，另外，1#溜井及施工平巷周邊孔裝藥時也應采取防止漏藥措施，采用套袋裝藥，套袋長度超孔口30～40 cm，裝藥過程專人負責，具體孔位：2-1、3-2、4-1、4-2、4-3、5-4、6-3、6-4、7-3，若發生底部填塞不牢出現滑落，采用傳統底部吊袋填塞，施工組準備好吊繩及編織口袋等工具；③此次爆破網路較復雜，嚴格按照網路設計要求連接，認真仔細檢查網絡，防止錯聯、漏聯；④本次爆破警戒范圍800 m，炮區正前方向下增加50%距離，清除警戒區域內所有人員，確保人員安全；⑤為防止垮塌區域出現漏藥，施工結束后，應立即組織起爆。

3）爆堆挖裝。挖機作業應從東向西分步推進，先挖裝一采再依次向內挖掘。爆堆其它部位挖掘均應安排在白班進行并設置現場監護人員，禁止夜班作業，車輛應在挖掘方向另一側的最大裝車半徑處裝車；每班作業結束后，必須將設備撤至安全位置。

6 爆破效果評價

采空區處理的效果用塌落深度來衡量[6-8]，即：

式中：H0為爆堆塌落深度，m；H 為采空區空腔平均高度，m；h 為采空區頂板平均厚度，m；k 為巖石松散系數，取1.2；α 為周邊孔引起土巖凈拋出系數，取5%。

根據炮孔設計相關參數（表略）計算得空區平均厚度H=14.93 m，空區平均高度H=6.43 m，代入式（3），得H0=4.34 m。經過一系列精心組織、設計、施工，于2019 年5 月13 日11 時對該區域實施爆破。

通過觀察起爆后空區上方粉塵圈有明顯被空區吸入下降的跡象。爆堆整體表面無明顯大塊，粒度均勻，平均隆起高度在1.5 m 左右；A 區四周隆起，中心區域有明顯塌陷，塌落高度現場實測3.5 m 左右，與理論計算值相接近，無大塊，初步判斷空區已被填滿，達到了預期效果。后續挖裝爆堆松散度好，空區位置未出現懸頂大塊和根底，說明本次爆破取得了成功，消除了安全隱患。

7 結語

通過鉆探加三維激光掃描手段探清了盲空區范圍以及頂底板高度，為空區崩落爆破方案設計提供依據，實現科學合理處理空區。以空區范圍及形態與炮孔孔深的關系，將混合爆區劃分為A、B、C、D 4 個區，將A 區炮孔在填塞物選擇、裝藥結構及填塞高度等關鍵參數上單獨做設計，為安全、高效、有序爆破施工提供保障。通過裝藥記錄表也可以看出實際上下段填塞高度以及單孔裝藥量等都與設計幾乎一致。在逐孔微差起爆的基礎上，A 區采用局部分組同時起爆的方式，實現V 型爆破效果，使得兩側礦巖充分向空區拋擲擠壓，爆破效果達到了預期。