大型叠层分布采空区爆破处理技术

白 俊 王彦飞

( 太钢集团岚县矿业有限公司，山西 吕梁033504)

关于采空区的探测，西方发达国家以物探为主、钻探为辅，而我国目前以钻探为主、物探为辅［1］。河南洛阳栾川三道庄钼矿、南泥湖钼矿均因分布大量井下采空区，采空区探测以有针对性钻探及三维激光扫描为主;广东大宝山多金属矿区经历过3 次大规模的塌陷和农民盗采，地质条件十分复杂，单一的物探和钻探方法很难取得较佳的探测效果，因此先采用综合物探手段锁定存在采空区( 包括盲空区) 的疑似区域［2-3］，再用钻探手段进行复核和确认，最后用空区自动激光扫描系统( C－ALS) 进行三维扫描探明采空区并获得采空区的准确形态。袁家村铁矿借鉴业内成功经验，结合自身实际情况，提出“全境界、多要素、交错网格”的采空区勘测方式，对大型、复杂、叠层分布的空区群采取全高度一次成孔，分区、分层爆破，并与长沙矿山研究院合作开展爆后效果评价，取得了良好的效果。

1 采空区勘测

袁家村铁矿位于山西省岚县梁家庄乡，是太钢集团公司“十二五”规划投资新建的特大型采、选、球团联合生产矿山。属于典型的多矿体、多类型、微细粒嵌布、复杂难选、红磁混合铁矿石。区内共有33 个小条富矿体，呈豆荚状断续分布，原生矿石为石英磁铁矿［4］。整合前矿区范围内分布有30 家地下矿山，以区内富矿及原生矿石为开采对象，导致区内产生大规模的采空区。2006 年，山西省第三地质工程勘察院测绘了袁家村铁矿区内部分采空区。由于采空区的复杂性，前期普查测绘工作所掌握的信息尚不能保障露天矿山安全生产，采空区处于边探、边采、边处理的模式。因此，需要作超前探测。

1.1 人工调查

聘请参与过该地区民采的技术员，通过走访调查，对有价值线索进行验证。以空25 群为人工调查疑似区域，后来得到了验证。

1.2 钻孔与三维激光扫描相结合

(1) 钻探。钻探主要是通过钻孔的方式寻找采空区，为了确保钻探效果，袁家村铁矿采用了“全境界、多要素( 综合考虑矿体性质、赋存条件等要素) 、交错网格( 分台阶沿矿体倾向、走向交错布置) 的钻探方式”。

(2) 三维激光扫描测定空间形态。为了获得空区的准确形态，制定合理可行的采空区处理方案，采用C－ALS 对采空区进行三维激光扫描，形成空区形态点云图，再利用SUPAC 软件对空区进行了三维形态还原，获取采空区参数，为采空区爆破设计提供依据。若存在扫描盲区，则多方位补孔扫描，获取空区准确形态。

(3) 还原采矿方法。结合矿体赋存及探明采空区形态关系，运用地下采矿方法推断可能存在的采空区，运用钻探及后续扫描予以验证。

2 采空区特点

(1) 分布范围广。探明的采空区遍布露天采场境界，呈由北向南、从上到下增多的趋势。与富矿体分布分散、深部为原生矿的矿区地质特点相吻合。

(2) 大型化、复杂化、层叠化。袁家村铁矿除少量再沉积成因砾岩铁矿外，矿体产状均为急倾斜，民采矿山主要采用空场法采矿，所以多见层叠分布的采空区，且空场法采矿因留有不规则矿柱，易形成较大规模采场，已探明的采空区空腔体积多大于1 000 m3。其中空25 群为典型的大型、叠层空区，其体积及形态分别见表1、图1。

表1 空25 群体积参数Table 1 Volume parameters of mined-out area group 25 m3

2.1 采空区顶板厚度

图1 采空区爆破处理技术Fig.1 Lateral view of mined-out area group 25

露天台阶安全生产的前提是采空区顶板实际厚度大于最小安全厚度。因此，确定采空区顶板最小全厚度值具有重要意义［5］。目前国内外顶板最小安全厚度计算方法主要有荷载传递线交汇法、厚跨比法、破裂拱理论估算法、空场长宽比梁板理论计算法以及三维有限元数值模拟法等［6］。为科学分析袁家村铁矿采空区顶板保安层厚度，根据矿区采空区分布和顶板岩层的力学特点，在考虑上覆设备载荷作用和一定的安全系数情况下，采用传统分析方法的同时，采用了极限分析法和弹性力学小变形薄板理论方法对采空区顶板安全厚度进行了复合分析。采取多种理论方法分析得出不同采空区跨度条件下各种岩性预留保安层厚度，并进一步回归分析得出预留保安层厚度与采空区跨度关系。

所研究的空25 群位于区内2#矿体氧化矿，其安全顶板厚度满足［7］

式中，h 为采空区安全顶板厚度，m;b 为采空区跨度，m。

各采空区安全顶板厚度见表2。

表2 空25 群参数Table 2 Parameters of mined-out area group 25 m

由表2 可知，空25 －2 不具备二次爆破崩落处理的顶板厚度条件。

2.2 爆破崩落法处理采空区方法

国内采空区处理主要为充填法与崩落法，由于袁家村铁矿整合前经过多年的地下无序开采，无论是充填法还是井下崩落法都不可行。实践中逐渐摸索出露天深孔爆破崩落法处理采空区的经验，即在露天台阶上钻凿下向炮孔，通过实施爆破作业强制崩落采空区顶板以充填采空区［8］。前已述及，袁家村铁矿采空区呈叠层分布，当重叠采空区间隔层厚度小于下层采空区的保安层厚度时，若采用普通中深孔崩落处理上层空区，上层空区崩落处理后，下层空区上部被爆破虚碴覆盖，下层采空区顶板与台阶面之间的厚度小于安全厚度，若挖机、汽车、潜孔钻机等重型设备进入台阶上部作业，会成为生产中的重大安全隐患，同时影响台阶推进，制约生产。空25 群属叠层空区，由图2 及表1 可知，其下层空区( 空25 －2) 与其上层空区隔板厚度远小于安全顶板厚度，此空区只能一次处理。

2.2.1 叠层空区爆破处理设计方案［9］

采用分区、分层、延时爆破。

(1) 分3 区:空31、空25( 空25 －2) 、空23( 空25－2) ，见图2。

图2 上爆层布孔联线Fig.2 Hole layout and nonel connection of the upper layer

(2) 分2 层: 上爆层1 725 ～1 700 m; 下爆层1 700 ～1 680 m。

从作业台阶1 725 m 水平至下层空区顶板高度超过45 m，首先以空区最大轮廓线为穿孔范围，空区周边孔设计孔深为45 m、下层空区25 －2 保安矿柱处设计孔深60 m，空区内的孔需全部穿透。

(3) 实行分层延时爆破: 首先起爆1 700 ～1 680 m 下爆层，主要为空25 －2 保安矿柱及空25 －2 周边孔下半段与顶板处孔，保安矿柱作为空区支撑首先爆破可以增加空区暴露面积、诱导下层空区失稳，且起爆孔可作为中间掏槽孔，为外围辅助孔提供侧向自由面，周边孔作为切割孔、空区顶板周围岩石爆破可使下层空区顶板形成崩落切割带，有利于空区顶板崩落;1 725 ～1 700 m 为上爆层，爆破崩落上层空区同时对下层空区顶板产生二次冲击，加剧下层空区失稳。爆破使用一套地表网络，层间岩渣回填4 m，下层孔内雷管采用36 m 长375 ms 延期雷管，上层孔内雷管采用18 m 长400 ms 延期雷管。

2.2.2 爆破参数设计

根据以往采空区处理经验，本次采空区爆破炸药单耗选取0.81 kg/m3，孔网参数为3.5 m×3.5 m，混装铵油炸药车装药，余高控制装药量。

填塞长度根据以往采空区处理经验，针对穿透孔用岩渣回填4.0 m，上爆层与下爆层岩渣回填4.0 m，孔口岩渣回填4.0 m。

2.2.3 爆破网络设计

非电毫秒延期起爆网络，采用澳瑞凯高精度非电毫秒延期雷管起爆。孔间采用65 ms、42 ms 延期雷管，排间采用25 ms 延期雷管;设3 处起爆点，采用孔内上下分层间隔起爆，孔内自下而上起爆，上下分层自中间起爆点向外传爆。

2.2.4 施工技术要求

(1) 布孔到位。依据设计，使用全站仪准确放出孔位，采用JK －590 潜孔钻机精细施工，对空25 －2矿柱上60 m 深的孔，偏斜率应控制在1.5%以内。

(2) 吊孔填塞、分层装药。依据吊孔填塞、分层装药设计方案，筛选细石料密实填塞穿透孔。然后放置下层孔内雷管，装药、填塞隔层后，放置上层孔内雷管，装药填塞，孔内雷管联入地表网络。

2.2.5 施工验收

空25 －2 矿柱上深孔测斜运用C －ALS 测出孔口、孔底坐标，计算炮孔偏斜率，均满足设计要求。

3 爆破效果评价

3.1 体积平衡原理定量计算［10］

空25 群于2014 年5 月29 日爆破，利用体积平衡原理:

式中，vd为空区顶板体积，m3;k 为松散系数，取1.5;vs为爆破后空腔上部爆堆体积，m3;vk为空区体积，m3。

根据采空区扫描资料和爆破前、后区域地形测量图计算出所需参数，计算过程见表3。

3.2 体积平衡原理定性分析

爆后爆堆中部出现明显的漏斗形凹陷区，由表3可知，爆后实测矿岩体积较理论值大2 142 m3，误差率为1.9%;考虑到爆区局部无台阶自由面，爆破夹制、挤压作用较强，松散系数设定值偏大; 另外，切割孔爆破后产生的大块岩渣可能形成充填盲区;采空区扫描及测量过程中亦存在一定误差。综上所述，误差在允许范围，爆破处理达到了预期效果，采空区顶板已完全塌落，空区得到了有效填充。鉴于后续铲装作业中出现的小范围的充填盲区，将爆堆松散系数修正为1.41，以提高今后爆破评价的准确性。

表3 空25 群爆后体积平衡计算Table 3 Volume balance calculation of the mined-out area group 25 after blasting m3

4 结 论

(1) 采空区作为露天矿山重大安全隐患，应采取人工调查、钻探、三维激光扫描等多种手段彻底弄清楚其分布形状，尤其是多层空区，要分析研究隔板的安全状况，对不满足分次爆破处理的空区群，则要一次性爆破崩落。

(2) 崩落法处理空区的关键是穿孔的精度，要对成孔进行偏斜度检测，确保能实现爆破效果，述及的多层空区需要的钻孔深度达到60 m，其垂直度很重要。

(3) 为了满足爆破网路中的层间延时和孔间延时，应选择误差小的高精度非电雷管。

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