白马铁矿1#溜井区域盲空区崩落爆破实践

杨 超，高文远，胡方强，夏祥生，高 帆，徐 斌

（攀钢集团矿业公司，四川攀枝花 617200）

白马铁矿为国内特大型露天钒钛磁铁矿，有及及坪和田家村2 个采场，共设计原矿1 500 万t/a，分一、二期建设，原设计矿石采用卡车-溜井-平峒铁路联合开拓运输方式。由于井筒地质等原因导致井壁垮塌，及及坪采场一期设计的1#溜井和2#溜井一直处于堵塞未能疏通，同时受前期探测技术限制，仅通过底部放氢气球探测判断了堵塞位置，没有其他盲空区资料。经过多年露天开采活动，采场开采水平下降，溜井垮塌区是否扩大不得而知，严重威胁了上部采场作业设备及人员的安全。以及及坪采场1 990～1 975 m 水平台阶1#溜井附近的爆区为例，介绍正常穿孔过程中出现了疑似盲空区，为消除生产安全隐患，介绍采取的垮塌空区范围确认和爆破方式新实践。

1 盲空区概况

根据生产推进计划的要求，及及坪采场1 990～1 975 m 水平台阶北部需要穿孔爆破，该部位环境较为复杂，西侧部分有1#溜井及施工平巷穿过，平巷底板标高为1 969.835～1 971.640 m。考虑安全因素，爆区设计由φ250 mmYZ-35 型牙轮钻和φ160 mm 液压钻机共同穿凿，施工平巷及溜井区域交由自质量较轻的液压小钻负责，φ250 mm 爆孔为32个，φ160 mm 爆孔为54 个，1 990 m 水平爆区布置与1#溜井垮塌区域平面图如图1。

图1 1 990 m 水平爆区布置与1#溜井垮塌区域平面图

液压钻机穿孔过程中突遇异常情况，主要表现在浮碴过厚穿凿困难以及穿过硬岩（块）后钻杆快速下坠现象，据钻机司机描述，异常孔共有9 个，在1#溜井井口往东25 m 范围左右，打穿位置在距孔口以下8～17 m 距离不等，经现场实际测孔，异常孔孔深最浅为2 m（实际孔深18 m，在2 m 位置堵塞），最深为24.2 m。采用钻探加三维激光扫描的方法确定了空区的准确范围和形态[1]，长29.38 m、宽17.87 m、最大高度11.98 m；并在东南方向发现有新增空区：小孔有8 个，大孔有5 个，空区高度在2～4 m 不等；空区总体积约2 200 m3。爆区为混合爆区，大部分为清碴状态，西侧边排位置压碴较厚，爆破体为辉绿岩脉和三、四品级（Fe3、Fe4）的矿岩体。距离最近2 035～2 020 m 水平台阶终了边坡距离约171 m，同台阶东侧有6#电铲，西侧有8#牙轮钻。

2 空区爆破方案

目前，露天矿山采空区处理主要采用崩落法和充填法，境界内的生产台阶处理空区还是采用强制崩落法。林谋金等针对大宝山矿空区采用边界局部爆破法进行强制崩落处理，效果达到预期[2]。崔伟根据大量的现场试验数据可知采用拟定爆破方案对平朔东露天矿采空区进行塌陷爆破的效果基本满足预期的要求塌陷率、塌陷深度相比优化前有很大改善，为后续的生产作业消除了安全隐患[3]。贾宝珊采用逐孔微差起爆一次爆破的方式，在三道庄钼钨矿成功的以多层一次处理法，在露天爆破的同时对地下空区进行了爆破处理，爆破效果良好[4]。

借鉴相关矿山处理空区的经验，结合1#溜井区域空区分布特征情况，采场现状、现场条件、矿岩性质、节理构造等因素，本次爆破区域采用中深孔分区爆破处理的方法，将其分为A、B、C、D 4 个区域。A区域为重点区域，炮孔已穿透空区，每个孔装药量及装药结构等需单独设计，方案主要考虑以A 区为首爆区域，空腔作为自有面，两侧向中间抛掷挤压的多排孔微差爆破。

A 区炮孔因穿透空区，根据邱海涛基于极限分析法与弹性力学小变形薄板理论分析法得到的硫铁矿采空区跨度和顶板安全厚度进行拟合得到的表达式为[2]：

式中：h 为顶板厚度，m；b 为采空区的跨度，m。

该空区最大跨度为9.54 m，根据式（1）计算得h=10.78 m，根据三维激光扫描结果可知，A 区炮孔除6-6 号孔底板厚度仅有8.97 m 外，其它孔顶板厚度都大于最小顶板安全厚度10.78 m。考虑原设计孔网参数过大，炮孔可装药长度仅余3.5～10 m 不等，对A 区炮孔进行间隔梅花形补孔加密，选用液压小钻孔径160 mm，孔网参数缩小至2.5 m× 5 m，设计孔深8 m，补孔8 个。主要目的是保证爆破效果，减少空区上部大块，防止大块群悬于空区顶部，一次彻底崩落空区顶板，消除后序铲装设备作业隐患。另外，将孔深只有12 m 左右的5-6、5-7 2 个孔做回填处理。

穿透A 区炮孔，为防止炮孔底部漏药与空区泄能，采用底部间隔装药结构，即底部采用BJQ 气体间隔器与岩渣为充填物，原则按照上部填塞长度略大于下部填塞长度，以助于空区顶板塌落；另外，考虑孔壁裂隙破碎严重，防止孔壁渗药，采用套袋装药方式。B、C 区虽位于空区上方，但离顶板距离较远，采用现场混装炸药连续装药结构，在2 种不同孔径炮孔混合交接区根据实际孔网参数调整药量；D 区为正常区域，同样采用现场混装炸药连续装药结构。

3 爆破技术设计

混合爆区东侧部分为品级Fe3、Fe4的矿石区域，可爆性好，孔径φ250 mm，孔网参数5 m×10 m；西侧部分由辉绿岩与辉长岩脉构成的岩体，可爆性较差，孔径φ160 mm，孔网参数5 m×5 m。台阶实际段高16 m，超深2 m，孔深18 m，炸药总体单耗q 选取0.70 kg/m3；A 区补孔参数2.5 m×5 m，孔深8 m，炸药单耗选取不宜过大，控制在0.65 kg/m3左右，防止A 区整体炸药偏大，产生冲孔。

对于A 区（孔口与空区顶板距离≤17.5 m）来说：对应孔位5-5、5-7、5-9、6-5、6-6、6-7、6-8、7-6、7-7），以及8 个补孔，其中F 号孔为废孔，共16个孔。A 区炮孔填塞高度根据经验公式[5]：

式中：L1为炮孔填塞高度，m；D 为孔径，m。

式（2）可得L1=3.2～4.8 m。

结合以往工程实践经验，根据每个炮孔孔深差异，考虑到2 个自有面的影响，底部填塞高度设计2.5 m，选用φ250 mmBJQ 气体间隔器与岩渣共同填塞，间隔器在φ160 mm 的炮孔撑开长度1.5～2.0 m，填渣高度0.5～1.0 m；上部填塞全部用岩渣填塞，填塞高度3.5～5.5 m。5-7、6-6、7-6 号炮孔装药结构示意图如图2。

图2 5-7、6-6、7-6 号炮孔装药结构示意图

该气体间隔器首次在采场使用，考虑炮孔炸药雷管因下部填塞体质量不佳滑落至空区的装药风险，采用现场混装乳化炸药套袋装药，单孔分次少量装药，每次装药对药柱高度进行测算，保证设计装药量及填塞高度。对部分填塞高度过大的炮孔进行加药处理。A 区总面积约225 m2，总爆破体积约2 921.81 m3（扣除分层计算空区体积678.19 m3），设计总药量1 960 kg，炸药单耗0.66 kg/m3。

对于B 区（17.5 m＜孔口与空区顶板距离≤20 m）来说：对应孔位7-5、8-1；共2 个孔。B 区炮孔虽未穿透空区，但孔底距离空区顶板小于设计填塞厚度3.5 m，为防止底部空区泄能，先回填岩渣2 m（即保证炮孔深度15.5 m）后装药，采用连续装药结构，单孔装药量260～280 kg。

对于C 区（20 m＜孔口与空区顶板距离）来说：对应φ160 mm 孔位6 个3-4、3-5、4-5、4-6、4-7、5-10；φ250 mm 5 个2-5、2-6、3-6、3-7、4-8；共11个孔。C 区炮孔虽处于空区的正上方，但与空区顶板距离较远，视为正常炮孔与D 区合并设计，采用连续装药结构，保证填塞长度。φ250 mm 炮孔单孔装药量设计550～630 kg，φ160 mm 炮孔单孔装药量设计250～280 kg。

4 起爆网路

爆区为混合穿孔，设计排数6 排，设计孔数86个，局部有不规则补孔（牙轮钻区域2 个补孔并入第1 排，易钻A-D 号补孔并入第4 排，E-H 号补孔并入第5 排，2 个探孔并入第6 排）。为保证爆破效果，网路选用地表逐孔网路实现排间微差V 型爆破效果，爆破网路图如图3。

图3 爆破网路图

起爆点选在1-1、1-2 号孔并同时起爆，中间A、B、C 区炮孔先于周边D 区起爆，实现爆破掏槽作用，矿岩抛掷方向由两边向掏槽区A、B、C 区及爆区前方挤压。避免A 区炮孔受相邻炮孔爆破震动影响，使其同排炮孔地表延时时间一致，达到排间分组同时起爆目的。地表雷管用高精度毫秒导爆管雷管25、42、65 ms 搭接，按照一孔双发，分别为64、42、62发；孔内雷管用16 段别400 ms 抗水导爆管雷管。

5 爆破准备及施工过程

1）爆破准备。爆破前需要做的准备工作有：①前期推测塌陷区域探补孔须由1 台液压钻机配1 名司机在白班作业并派专人监护，禁止夜班钻孔。尤其6-6 号孔周边补孔时，轻型液压小钻钻孔位置远离6-6 号孔方向停靠；②爆破前对所有炮孔重新测孔验收1 遍，对不合格孔进行补透；保证深孔填堵质量，水孔只需1 人填孔；③爆破前在坡角处堆积岩渣，防止爆炸冲击波从工作面与施工平巷交接处冲出产生飞石。

2）爆破施工。爆破施工程序为：①A、B、C 区为塌陷区域，圈定安全警示范围，所有车辆禁止进入。混装炸药车应停放在安全区域作业，施工过程中A、B、C 区装药、填孔、联网最多2 人施工，并派专职安全员现场监护，如有异常立即撤离；②A 区采用空气间隔器底部间隔装药结构，施工中分次少量装药，每次装药后必须对药柱高度进行测算，中途发现漏药及时采取措施处理，另外，1#溜井及施工平巷周边孔装药时也应采取防止漏药措施，采用套袋装药，套袋长度超孔口30～40 cm，装药过程专人负责，具体孔位：2-1、3-2、4-1、4-2、4-3、5-4、6-3、6-4、7-3，若发生底部填塞不牢出现滑落，采用传统底部吊袋填塞，施工组准备好吊绳及编织口袋等工具；③此次爆破网路较复杂，严格按照网路设计要求连接，认真仔细检查网络，防止错联、漏联；④本次爆破警戒范围800 m，炮区正前方向下增加50%距离，清除警戒区域内所有人员，确保人员安全；⑤为防止垮塌区域出现漏药，施工结束后，应立即组织起爆。

3）爆堆挖装。挖机作业应从东向西分步推进，先挖装一采再依次向内挖掘。爆堆其它部位挖掘均应安排在白班进行并设置现场监护人员，禁止夜班作业，车辆应在挖掘方向另一侧的最大装车半径处装车；每班作业结束后，必须将设备撤至安全位置。

6 爆破效果评价

采空区处理的效果用塌落深度来衡量[6-8]，即：

式中：H0为爆堆塌落深度，m；H 为采空区空腔平均高度，m；h 为采空区顶板平均厚度，m；k 为岩石松散系数，取1.2；α 为周边孔引起土岩净抛出系数，取5%。

根据炮孔设计相关参数（表略）计算得空区平均厚度H=14.93 m，空区平均高度H=6.43 m，代入式（3），得H0=4.34 m。经过一系列精心组织、设计、施工，于2019 年5 月13 日11 时对该区域实施爆破。

通过观察起爆后空区上方粉尘圈有明显被空区吸入下降的迹象。爆堆整体表面无明显大块，粒度均匀，平均隆起高度在1.5 m 左右；A 区四周隆起，中心区域有明显塌陷，塌落高度现场实测3.5 m 左右，与理论计算值相接近，无大块，初步判断空区已被填满，达到了预期效果。后续挖装爆堆松散度好，空区位置未出现悬顶大块和根底，说明本次爆破取得了成功，消除了安全隐患。

7 结语

通过钻探加三维激光扫描手段探清了盲空区范围以及顶底板高度，为空区崩落爆破方案设计提供依据，实现科学合理处理空区。以空区范围及形态与炮孔孔深的关系，将混合爆区划分为A、B、C、D 4 个区，将A 区炮孔在填塞物选择、装药结构及填塞高度等关键参数上单独做设计，为安全、高效、有序爆破施工提供保障。通过装药记录表也可以看出实际上下段填塞高度以及单孔装药量等都与设计几乎一致。在逐孔微差起爆的基础上，A 区采用局部分组同时起爆的方式，实现V 型爆破效果，使得两侧矿岩充分向空区抛掷挤压，爆破效果达到了预期。