大型空间受限盲采空区深孔爆破处理技术

2021-06-24牛小明

爆破 2021年2期

牛小明，潘懿

(长沙矿山研究院有限责任公司，长沙 410012)

近年来，由于露天开采所具备的大型机械化以及高效资源回收率等诸多优点，许多金属矿山都利用地采转露采的开采方法对隐患资源进行回收复采[1]。同时，原来地采所遗留采空区便成了巨大隐患，尤其是有过民采、偷采现象以及整合多家小矿山的大型露天矿山，由于之前没有统一的开采规划设计，也没有详细的地下采空区资料，造成了露天开采境界下有大量盲采空区[1]。由于这些采空区空间及形态的复杂性，使得处理采空区成了保证矿山安全生产的难题。目前，采空区处理方法主要有爆破崩落法、充填法和封闭法。由于大多数需要处理的采空区均在露天开采设计范围之内，必须对其进行处理，而充填法则存在二次装运等问题，因此往往只能采用爆破崩落法[2]。

1 采空区概况

广东省大宝山矿是大型多金属矿，由于开采方式的转变(地下开采转为露天开采)，民采、偷采猖獗等问题形成众多采空区。其中露天采场49线590采空区是其中典型的大型复杂采空区，该采空区的爆破处理也是大宝山矿历来处理过的最大单一采空区，49线590采空区主要特点是：平面面积和体积大，顶板厚度大，四周无可利用的爆破自由面，空间任何方向上爆破夹制性都很大。

1.1 采空区探测

为了清楚掌握49线590采空区位置、形态和三维尺寸，给合理处理采空区提供可靠数据，利用了先进的三维激光扫描仪C-ALS分别于不同位置对其进行了四次扫描[3]，并将四次扫描结果进行复合，得到了该采空区较为准确的参数及三维实体模型[4]，见表1、图1。

表1 49线590采空区参数表Table 1 Parameters of the 49-590 goaf

图 1 49线590采空区三维实体模型Fig. 1 The 3D solid model of the 49-590 goaf

1.2 采空区顶板稳定性计算

保证采空区稳定的前提条件是其实际顶板厚度大于理论计算的最小安全顶板厚度。因此，确定采空区最小安全顶板厚度具有重大意义[5]。目前用于采空区顶板厚度的理论计算方法有很多种，主要有传统采空区顶板厚度分析方法[6]、极限分析法及弹性小变形薄板理论方法，其中传统方法又包括厚跨比法、荷载传递线交汇法、破裂拱理论估算法、空场长宽比梁板理论计算法等[7]。

根据现场实际调查，49线590采空区顶板为灰岩，采用以上各方法计算，得出不同采空区跨度相对应的采空区最小安全顶板厚度，计算结果见表2所示。

表2 采空区最小安全顶板厚度计算结果Table 2 Calculation results of minimum safe roof thickness

对以上采空区最小安全顶板厚度与采空区跨度相互关系计算结果进行统计得到以下结果如图2所示。

图 2 采空区最小安全顶板厚度与跨度关系统计Fig. 2 Statistics of the relationship between minimum safe roof thickness and width

根据以上统计结果，拟合出采空区最小安全顶板厚度与采空区跨度关系计算公式

h=0.71b-1.02

(1)

式中：h为采空区顶板安全厚度，m；B为采空区跨度，m。

结合49线590采空区探测所得参数，根据上式计算得采空区顶板安全厚度h=34.48 m。根据采空区扫描参数及顶板厚度理论计算，在649 m平台处理该采空区最为合适。

2 采空区处理

2.1 爆破方案

爆破采用孔外微差分段延时爆破。

采空区处理设计在+649 m平台进行垂直穿孔，由于采空区四周无可利用自由面，采空区顶板较厚，空间范围内夹制性均很大，根据采空区三维激光扫描探测资料，在采空区顶板最薄的位置布置加强孔掏槽以求形成补偿空间，并在加强孔区域内设计三个底部装药钻孔，如图3所示。

图 3 采空区平面位置及雷管分段图Fig. 3 The plan position and blasting network of the goaf

1)爆破时先爆底部装药的三个钻孔，目的是向下拉开一定空间，使采空区顶板失稳、变薄，同时由于只有底部装药也可以为邻近炮孔提供补偿空间。

2)然后再爆掏槽区域内的其它炮孔，此时各炮孔横向和纵向均有一定活动空间可以形成较好的掏槽效果。

3)最后依次分段延时爆破其它炮孔。

2.2 爆破参数

1)布孔。根据采空区所在区域的岩体条件及长时间实践经验，爆破采用的炸药单耗为0.5 kg/m3，炮孔直径140 mm，单位长度炸药量约14 kg/m，爆破孔网参数采用4.0 m×4.0 m。中部掏槽区域加密孔距提高炸药单耗以确保掏槽效果，该区域钻孔布在直径为3.5 m的圆形范围之内，炸药单耗为0.69 kg/m3。

2)装药结构。为了准确统计孔深以防止炮孔底部因抵抗线过小而引起炸药能量的损失，所有钻孔均需要穿透采空区后再进行吊孔填塞，这样也可利于钻孔排水，方便装药。爆破采用两种装药结构，装药结构如图4。

图 4 装药结构图(单位：m)Fig. 4 The charge structure of holes(unit:m)

① 吊孔填塞，采空区内钻孔均须穿透采空区顶板，装药前采用空气间隔器进行吊孔，并在间隔器上回填3 m岩粉。

② 间隔装药，其中吊孔3 m，上部填塞4 m，中间间隔3 m，在钻孔上下部分装药段各放一个起爆药包，每个起爆药包双发雷管，即每孔4发。

③ 底部装药，其中吊孔3 m，中间连续装药4 m，上部填塞4 m，双发雷管起爆。

2.3 爆破网路

非电毫秒延期起爆网路，孔外微差，共采用10个段别，即2段～11段，其中底部装药孔与其他钻孔间隔一段。从掏槽区域向外围依次起爆，如图3所示。底部装药孔先于其它炮孔50 ms起爆，以保证采空区顶板充分崩落。

2.4 爆破安全

由于距爆区166 m处有一正在施工的钨选厂，爆破必须考虑爆破震动对该厂房的影响，为保证安全，需控制单段最大爆破药量，根据萨道夫斯基经验公式对其进行计算[8]

(2)

式中：V为质点最大允许速度，cm/s；R为测点到爆源中心距离，m；Q为装药量，即最大一段装药量，kg；K为与炸药性质、爆破方式、地形地质条件有关的系数；α为衰减系数。

根据《爆破安全规程》及现场实际情况[9]，取K=150，α=1.5，由于钨选厂为在建厂房，规定不同混凝土龄期取不同质点震动速度，最大允许质点震动速度与单段最大药量关系见表3。

表3 不同混凝土龄期质点震动速度与单段最大药量Table 3 The relationship of particle velocity of blasting seismic in different age and maximum charge quantity

由于本次爆破的单段最大药量为1591.8 kg，根据上表计算，须在爆破前确认在建钨选厂混凝土浇筑龄期大于3 d。

3 爆破效果

采空区爆破后如果采空区顶板完全垮塌并充满采空区则爆破效果较好能够达到预期目标，因此利用体积平衡原理来评估采空区处理效果[10]，即爆破前采空区顶板体积与采空区体积总和理论上应该等于爆破后爆堆体积与塌陷坑体积之和，如式(3)所示

vdk+vt=vd+vk

(3)

式中：vd为空区顶板体积，m3；k为松散系数；vk为采空区体积，m3；vt为爆破后形成的塌陷坑体积，m3。

根据采空区三维实体模型和爆破前、后现场测量数据得到计算参数，岩石松散系数由以往经验取1.5，计算结果见表4。

爆破后采空区范围内地表出现明显的塌陷，根据GPS测量结果塌陷坑深度约15 m，塌陷范围接近2700 m2，结果与表4理论计算结果相近，同时存在一定误差是由于松散系数取值以及采空区探测存在误差等原因导致，但是此误差在容许范围之内。由此说明该采空区顶板已经完全塌陷，爆破处理后的填充效果达到预期，爆破前后对比如图5所示。