大型空間受限盲采空區深孔爆破處理技術

牛小明，潘 懿

(長沙礦山研究院有限責任公司，長沙 410012)

近年來，由于露天開采所具備的大型機械化以及高效資源回收率等諸多優點，許多金屬礦山都利用地采轉露采的開采方法對隱患資源進行回收復采[1]。同時，原來地采所遺留采空區便成了巨大隱患，尤其是有過民采、偷采現象以及整合多家小礦山的大型露天礦山，由于之前沒有統一的開采規劃設計，也沒有詳細的地下采空區資料，造成了露天開采境界下有大量盲采空區[1]。由于這些采空區空間及形態的復雜性，使得處理采空區成了保證礦山安全生產的難題。目前，采空區處理方法主要有爆破崩落法、充填法和封閉法。由于大多數需要處理的采空區均在露天開采設計范圍之內，必須對其進行處理，而充填法則存在二次裝運等問題，因此往往只能采用爆破崩落法[2]。

1 采空區概況

廣東省大寶山礦是大型多金屬礦，由于開采方式的轉變(地下開采轉為露天開采)，民采、偷采猖獗等問題形成眾多采空區。其中露天采場49線590采空區是其中典型的大型復雜采空區，該采空區的爆破處理也是大寶山礦歷來處理過的最大單一采空區，49線590采空區主要特點是：平面面積和體積大，頂板厚度大，四周無可利用的爆破自由面，空間任何方向上爆破夾制性都很大。

1.1 采空區探測

為了清楚掌握49線590采空區位置、形態和三維尺寸，給合理處理采空區提供可靠數據，利用了先進的三維激光掃描儀C-ALS分別于不同位置對其進行了四次掃描[3]，并將四次掃描結果進行復合，得到了該采空區較為準確的參數及三維實體模型[4]，見表1、圖1。

表1 49線590采空區參數表Table 1 Parameters of the 49-590 goaf

圖 1 49線590采空區三維實體模型Fig. 1 The 3D solid model of the 49-590 goaf

1.2 采空區頂板穩定性計算

保證采空區穩定的前提條件是其實際頂板厚度大于理論計算的最小安全頂板厚度。因此，確定采空區最小安全頂板厚度具有重大意義[5]。目前用于采空區頂板厚度的理論計算方法有很多種，主要有傳統采空區頂板厚度分析方法[6]、極限分析法及彈性小變形薄板理論方法，其中傳統方法又包括厚跨比法、荷載傳遞線交匯法、破裂拱理論估算法、空場長寬比梁板理論計算法等[7]。

根據現場實際調查，49線590采空區頂板為灰巖，采用以上各方法計算，得出不同采空區跨度相對應的采空區最小安全頂板厚度，計算結果見表2所示。

表2 采空區最小安全頂板厚度計算結果Table 2 Calculation results of minimum safe roof thickness

對以上采空區最小安全頂板厚度與采空區跨度相互關系計算結果進行統計得到以下結果如圖2所示。

圖 2 采空區最小安全頂板厚度與跨度關系統計Fig. 2 Statistics of the relationship between minimum safe roof thickness and width

根據以上統計結果，擬合出采空區最小安全頂板厚度與采空區跨度關系計算公式

h=0.71b-1.02

(1)

式中：h為采空區頂板安全厚度，m；B為采空區跨度，m。

結合49線590采空區探測所得參數，根據上式計算得采空區頂板安全厚度h=34.48 m。根據采空區掃描參數及頂板厚度理論計算，在649 m平臺處理該采空區最為合適。

2 采空區處理

2.1 爆破方案

爆破采用孔外微差分段延時爆破。

采空區處理設計在+649 m平臺進行垂直穿孔，由于采空區四周無可利用自由面，采空區頂板較厚，空間范圍內夾制性均很大，根據采空區三維激光掃描探測資料，在采空區頂板最薄的位置布置加強孔掏槽以求形成補償空間，并在加強孔區域內設計三個底部裝藥鉆孔，如圖3所示。

圖 3 采空區平面位置及雷管分段圖Fig. 3 The plan position and blasting network of the goaf

1)爆破時先爆底部裝藥的三個鉆孔，目的是向下拉開一定空間，使采空區頂板失穩、變薄，同時由于只有底部裝藥也可以為鄰近炮孔提供補償空間。

2)然后再爆掏槽區域內的其它炮孔，此時各炮孔橫向和縱向均有一定活動空間可以形成較好的掏槽效果。

3)最后依次分段延時爆破其它炮孔。

2.2 爆破參數

1)布孔。根據采空區所在區域的巖體條件及長時間實踐經驗，爆破采用的炸藥單耗為0.5 kg/m3，炮孔直徑140 mm，單位長度炸藥量約14 kg/m，爆破孔網參數采用4.0 m×4.0 m。中部掏槽區域加密孔距提高炸藥單耗以確保掏槽效果，該區域鉆孔布在直徑為3.5 m的圓形范圍之內，炸藥單耗為0.69 kg/m3。

2)裝藥結構。為了準確統計孔深以防止炮孔底部因抵抗線過小而引起炸藥能量的損失，所有鉆孔均需要穿透采空區后再進行吊孔填塞，這樣也可利于鉆孔排水，方便裝藥。爆破采用兩種裝藥結構，裝藥結構如圖4。

圖 4 裝藥結構圖(單位：m)Fig. 4 The charge structure of holes(unit:m)

① 吊孔填塞，采空區內鉆孔均須穿透采空區頂板，裝藥前采用空氣間隔器進行吊孔，并在間隔器上回填3 m巖粉。

② 間隔裝藥，其中吊孔3 m，上部填塞4 m，中間間隔3 m，在鉆孔上下部分裝藥段各放一個起爆藥包，每個起爆藥包雙發雷管，即每孔4發。

③ 底部裝藥，其中吊孔3 m，中間連續裝藥4 m，上部填塞4 m，雙發雷管起爆。

2.3 爆破網路

非電毫秒延期起爆網路，孔外微差，共采用10個段別，即2段～11段，其中底部裝藥孔與其他鉆孔間隔一段。從掏槽區域向外圍依次起爆，如圖3所示。底部裝藥孔先于其它炮孔50 ms起爆，以保證采空區頂板充分崩落。

2.4 爆破安全

由于距爆區166 m處有一正在施工的鎢選廠，爆破必須考慮爆破震動對該廠房的影響，為保證安全，需控制單段最大爆破藥量，根據薩道夫斯基經驗公式對其進行計算[8]

(2)

式中：V為質點最大允許速度，cm/s；R為測點到爆源中心距離，m；Q為裝藥量，即最大一段裝藥量，kg；K為與炸藥性質、爆破方式、地形地質條件有關的系數；α為衰減系數。

根據《爆破安全規程》及現場實際情況[9]，取K=150，α=1.5，由于鎢選廠為在建廠房，規定不同混凝土齡期取不同質點震動速度，最大允許質點震動速度與單段最大藥量關系見表3。

表3 不同混凝土齡期質點震動速度與單段最大藥量Table 3 The relationship of particle velocity of blasting seismic in different age and maximum charge quantity

由于本次爆破的單段最大藥量為1591.8 kg，根據上表計算，須在爆破前確認在建鎢選廠混凝土澆筑齡期大于3 d。

3 爆破效果

采空區爆破后如果采空區頂板完全垮塌并充滿采空區則爆破效果較好能夠達到預期目標，因此利用體積平衡原理來評估采空區處理效果[10]，即爆破前采空區頂板體積與采空區體積總和理論上應該等于爆破后爆堆體積與塌陷坑體積之和，如式(3)所示

vdk+vt=vd+vk

(3)

式中：vd為空區頂板體積，m3；k為松散系數；vk為采空區體積，m3；vt為爆破后形成的塌陷坑體積，m3。

根據采空區三維實體模型和爆破前、后現場測量數據得到計算參數，巖石松散系數由以往經驗取1.5，計算結果見表4。

爆破后采空區范圍內地表出現明顯的塌陷，根據GPS測量結果塌陷坑深度約15 m，塌陷范圍接近2700 m2，結果與表4理論計算結果相近，同時存在一定誤差是由于松散系數取值以及采空區探測存在誤差等原因導致，但是此誤差在容許范圍之內。由此說明該采空區頂板已經完全塌陷，爆破處理后的填充效果達到預期，爆破前后對比如圖5所示。

表4 采空區體積平衡計算Table 4 Volume balance calculation of the goaf

圖 5 爆破前后對比圖Fig. 5 The comparison between before and after blasting

4 結論

(1)通過三維激光掃描及三維實體建模技術準確、高效的獲取采空區參數，可以為采空區頂板穩定性計算及采空區處理方案提供可靠依據。

(2)確定采空區最小安全頂板厚度具有重大意義，能夠及時、準確的掌握處理采空區的最佳時機。

(3)對于四周無自由面可用，采空區頂板較厚，空間范圍內夾制性很大的采空區可以在采空區頂板最薄的地方設置掏槽區，并通過改變該區域內的孔網參數以提高局部爆破單耗，同時在該區域內合適的位置設計底部裝藥鉆孔并使其先于其它鉆孔至少50 ms起爆以提供一定的補償空間。

(4)利用體積平衡法可以比較準確的判斷采空區頂板塌陷程度和充填效果，從而有效的評價采空區處理結果。