中深孔爆破处理浅埋采空区的实践

郭　瑞

(北京科技大学土木与环境工程学院)



中深孔爆破处理浅埋采空区的实践

郭瑞

(北京科技大学土木与环境工程学院)

摘要基于九江矿业北林场采区4#采空区现状调查和围岩特征，提出以中深孔爆破崩落法诱导上部围岩冒落充填采空区的方法，采用理论分析采空区失稳原因，运用FLAC3D数值模拟分析采空区爆破后位移变化，结果表明，中深孔爆破崩落上部围岩，导致采空区暴露面积增大，水平、竖直方向位移增大，采空区顶板和矿柱失稳。通过现场诱导采空区上覆岩层充填采空区实践，验证了中深孔爆破崩落法处理浅埋采空区的可行性。

关键词中深孔爆破采空区诱导冒落FLAC3D

九江矿业北林场采区自2007年开始用小井大采高浅孔留矿法开采上部分散盲矿体，至今已将0 m 水平以上盲矿体基本回采完毕，形成了十几个大小不等、形态各异的采空区，多数采空区相对较为稳定，现已采用人工堆渣和人工封闭法处理了部分小空区，但4#空区平面暴露面积大，高度较大，围岩稳定，至今没有形成有效的塌陷。随着主矿体开拓工程下延，护国寺铁矿逐步进入正轨开采，由于主矿体开采深度大，上部盲矿体开采形成的采空区稳定性将影响到地表摊铺、干堆尾矿工程，由采空区顶板垮落诱发的矿震和空气冲击波造成的破坏已成为矿山面对的重大问题。为了防止现有未处理的较大采空区突然垮塌对地下开采人员、设施造成安全威胁，有必要在现有条件下选择合理的方法，对较大采空区采取主动的工程处置措施。

国内学者对爆破崩落法诱导冒落技术进行了大量研究。米子军对太钢袁家村铁矿空25群采用切割孔爆破，诱导上下层采空区的隔板塌落，取得了预期的效果[1]；张建文等人对寿王坟铜矿6#采空区采用了远程实时监测、封闭、预留足够厚度的缓冲垫层及崩落处理措施，取得了良好的效果[2]；葛虎胜、聂永祥等人采用中深孔爆破崩落法处理南泥湖露天采场不同形态采空区，创造了良好的安全效益及经济效益[3]；胡建军、余斌等人针对承德铜业公司南六号采空区滑坡体现状，提出诱导减震崩落技术处理特大型采空区的方法，并对硐室诱导崩落爆破的有害效应制定了有效措施[4]；昝红建对黑箐铜矿采空区采用硐室爆破和中深孔爆破相结合的方法，强制崩落矿柱和部分围岩，取得了很好的效果[5]。本文根据4#空区条件，结合以往经验，运用中深孔爆破法诱导冒落采空区，以验证方法的可行性。

1采空区失稳的原因

1.1岩体结构面及其组合

围岩的强度取决于岩体结构，岩体结构面及裂隙分布状况是围岩稳定与否的控制因素[6]。各种构造所形成的软弱结构面使采空区岩体强度降低，导致其应力重新分布，重新分布的围岩应力又加剧软弱面的应力集中，从而加剧围岩的变形。当采空区暴露面积达到一定值时，岩体会沿着构造弱面移动，造成采空区上部岩体崩落，导致空区失稳破坏。

1.2矿体倾角和厚度

矿体倾角和厚度决定了采空区的特征，从而影响顶底板岩石的受力状态和变形破坏过程。急倾斜矿体采空区上盘棱柱岩体向下滑动多为剪切力作用，容易成柱塞式垂直剪断破坏，较大的急倾斜矿体采空区不易保持稳定。矿体厚度愈大，采空区岩体移动过程越剧烈，岩层下沉和其他变形也随着采空区增大而增大。

1.3开采深度及采空区规模

埋藏浅厚矿体的采空区容易发展至地表，导致地表塌陷和破坏。随着采深增大，采空区两帮岩体移动发展到地表所需时间增长，对地表的影响面积也随之增大。采空区规模大小直接影响岩体稳定性和岩体移动范围，大面积连续采空区较容易垮落，岩体移动范围大，相邻采空区距离较近时，相互影响加剧危害，因而空区稳定性越差，顶板越容易垮落。

1.4爆破冲击和振动

爆破振动对岩体稳定性的影响主要表现在2个方面，即爆炸应力波和冲击波。爆炸形成的应力波使爆破漏斗外的岩体产生张开的环向裂隙或延伸到远处的径向裂隙，这2种裂隙相交后，会把岩体切割成块体，岩体不仅产生了新的爆破裂隙，而且还会导致原有的裂隙扩展。随着时间的积累，导致岩体失稳破坏。爆破振动使原有裂隙进一步扩展，降低了岩体结构面的抗剪力和摩擦力，爆破荷载的反复作用使得采空区失稳破坏[7]。

2采空区处理

2.1方案制定

北一采区4#空区长约76 m,宽约16 m，高约40 m，暴露面积为1 262.07 m2,体积为27 200 m2，空区上部基岩覆盖层厚60～100 m，围岩稳固。利用现有遗留的采准巷道工程，采用中深孔爆破崩落空区周围的岩石充填空区，由于现存巷道高4～5 m，架设钻机困难，需要人工垫渣，使巷道顶板施工部位垫层距离2.8 m左右，平整后用YGZ-90潜孔钻向空区方向打上向扇形孔，依次向采空区强制崩落空区壁侧的围岩层，充填采空区。采用中深孔爆破诱导上盘围岩冒落和崩落矿柱相结合的方法处理采空区，崩落围岩充填空区，形成一定厚度(原则上不低于20 m)松散岩石垫层，封堵现有巷道的出口。

2.2模拟分析

利用诱导工程对顶板围岩实施人工干扰，导致采空区顶板围岩力学性质弱化，塑性区扩展，裂隙发育。根据上述对采空区处理的要求及采空区的围岩条件(表1)，利用FLAC3D建立模型，对上部诱导围岩冒落情况进行数值模拟计算，结果见图1。

表1　围岩特理力学参数

由图1可以看出，采空区下部经过中深孔爆破后，空区上部水平、竖直位移均较大，采空区处于失稳状态，上部围岩大量冒落充填了采空区。数值计算分析表明，下部用中深孔爆破后，能够实现上部围岩的诱导冒落。

2.3爆破参数设计

在采场上盘围岩施工巷道及凿岩硐室，利用YGZ90型钻机钻凿扇形中深孔，孔径为65 mm，孔深15 m左右，每个凿岩硐室钻凿3～4排，每排炮孔孔底距为1.8 m，排距为1.8 m，每排为一个段别，设计13个段别。排间采用微差分段爆破，炮孔线装药密度为4.5kg/m左右，装药量约9762kg。中深孔布置见图2，扇形炮孔布置及参数见图3。

图1　爆破诱导顶板冒落空区围岩位移变化云图

图2　采空区上盘中深孔布置方式(单位：m)

2.4装药和填塞

根据岩石坚硬系数和工人的装药熟练程度，实际装药量为2.3 kg/m，多孔粒铵油和粉粒乳化炸药按9∶1拌合而成，采用连续柱状装药结构，风压装药器装药,上部孔底安装起爆弹[8]，孔口用棉纱填好。

2.5起爆网络

采用导爆管单线复合闭合起爆网络,孔内按设计要求装毫秒微差塑料导爆管雷管，每个排面的炮孔用“大把抓”连成一簇，用电工胶布捆扎在2条传爆导爆管上，起爆雷管牵出井口50 m外，选择安全地段起爆。起爆段别见图4。

3爆破效果

2015年9月30日10点57分爆破，形成直径120 m、平均深20 m的V形坑；崩落的基岩从剖面上呈矩形，空间为长方体；崩落基岩高度为15 m 左右，厚4～20 m，体积约13 670 m3，松散岩体积为10 580 m3；采空区完全被塌陷的土方充填(图5)。

4结论

本文通过数值模拟和现场实践，验证了中深孔

图3　扇形炮孔布置及参数

图4　起爆段别

图5　地表塌陷回填采空区

爆破崩落法诱导上部围岩冒落处理浅埋采空区方案的可行性，方案经济合理，消除了安全隐患，取得了良好的效果，为类似条件的采空区处理提供了经验。

参考文献

[1]米子军.切割诱导爆破处理群布采空区的实践[J].现代矿业，2015(8)：130-133.

[2]张建文，龚克兵，曲志清.寿王坟铜矿采空区处理技术实践[J].中国矿山工程，2010,39(5)：30-32.

[3]葛虎胜，聂永祥，王文军.中深孔崩落法处理采空区在南泥湖钼矿中的应用[J].采矿技术，2010(1)：33-36.

[4]胡建军，余斌，刘建东，等.诱导减震崩落技术处理特大型采空区研究与应用[J].工程爆破，2012,18(3)：41-43.

[5]昝红建,陈星明,杨再高.硐室和中深孔爆破相结合的采空区处理实践[J].现代矿业,2014(1):165-167.

[6]王力庆.柿竹园矿采空区冒落破坏规律研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[7]郑怀吕，李明.地下采空区危险性及其分布[J].矿山压力与顶板管理，2005，22(4)：127-129.

[8]刘殿中.工程爆破实用手册[M].北京：冶金工业出版社，2003.

(收稿日期2016-01-24)

郭瑞(1989—) 男,硕士研究生,100083 北京市海淀区。