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(太原西山石膏礦，山西 太原 030027)

引言

太原西山石膏礦開采的是以湖泊相沉積的石膏礦床，開采層位厚度大、穩(wěn)定性好，圍巖以白云巖、白云質(zhì)泥灰?guī)r為主，巖性強(qiáng)度中等，開采方法采用房柱式開采，規(guī)格為：礦房10 m×10 m，礦柱8 m×8 m，開采區(qū)每采5個礦房，留設(shè)10 m左右的連續(xù)礦柱，確?；夭善诤涂諈^(qū)放頂以及其他開采區(qū)的安全。開采石膏礦體位于海拔1 050～1 250 m之間。

西山石膏礦人工放頂可追朔到20世紀(jì)80年代初期，當(dāng)時西山石膏礦接管了日本在侵華戰(zhàn)爭時期開采過的礦山。為消除采空區(qū)對生產(chǎn)安全的威脅，提高礦產(chǎn)資源開采回收率，同時為采空區(qū)下部礦組資源的開發(fā)創(chuàng)造條件，西山石膏礦對采空區(qū)進(jìn)行了人工放頂處理。經(jīng)過幾十年來的研究、試驗(yàn)、實(shí)施，獲得了對采空區(qū)人工放頂處理的基本數(shù)據(jù)，并付諸實(shí)施于大的采空區(qū)人工放頂處理。

上莊采空區(qū)位于西山石膏礦新礦區(qū)的西南部，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民于20世紀(jì)80年代初亂采濫挖遺留下的無規(guī)劃的采空區(qū)，面積約4.8萬m2，嚴(yán)重威脅到新建礦山的開采安全。為了消除采空區(qū)的威脅和盡可能多地提高采空區(qū)的礦石回收量，西山石膏礦對其進(jìn)行了人工放頂處理和資源回收。本文對該采空區(qū)人工放頂處理方法、施工技術(shù)與安全措施進(jìn)行介紹。

1 采空區(qū)處理方案

1.1 采空區(qū)處理的一般方法

采空區(qū)處理(含礦石回收)采用后退式，南北擠壓式，即從采空區(qū)西南部開始將采空區(qū)分成10個片區(qū)(見圖1)，按片區(qū)的具體位置合理安排處理順序。

圖1 采空區(qū)的片區(qū)劃分

片區(qū)劃分原則為：

(1)放頂跨距大于直接頂板的最小跨距。

(2)采空區(qū)內(nèi)有斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造時，充分利用構(gòu)造弱面作為放頂邊界。

(3)選擇有足夠支撐能力的礦柱作為放頂界的隔離帶，其支撐能力應(yīng)滿足放頂前原巖壓力的3～4倍(進(jìn)行原巖壓力計(jì)算)。

(4)考慮放頂所產(chǎn)生的沖擊氣流及巖層垮落振動對相鄰采空區(qū)的影響，一次放頂面積不宜過大。

(5)放頂采空區(qū)的幾何形狀與頂板垮落有密切關(guān)系，方形和矩形有利于崩落，應(yīng)充分加以利用。

1.2 采空區(qū)的處理順序

采空區(qū)處理本著縮短工期、合理配備設(shè)備、連續(xù)作業(yè)、保證施工安全的原則，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，片區(qū)劃分的順序?yàn)椋孩?、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ，按從里到外、從兩端到中間的順序進(jìn)行。

1.3 施工工藝

在所劃分的片區(qū)中，逐個片區(qū)按從里向外的順序先爆破底板礦石，然后縮采礦柱。礦柱最好以3 m×3 m為限，最小應(yīng)≮2 m×2 m，再利用底板和縮采礦柱爆破的炸堆挑落頂板護(hù)頂?shù)V石，并布設(shè)強(qiáng)制崩落的炮孔于整個片區(qū)，最后進(jìn)行礦石的回收。底板回采爆破與礦山采礦方法相同，這里不再贅述。

2 礦柱縮采爆破

縮采礦柱時采用淺眼爆破，根據(jù)現(xiàn)場具體情況，有關(guān)的鑿爆參數(shù)，參照現(xiàn)場回采的爆破參數(shù)確定。并控制好一次裝藥量，防止整個礦柱被破壞。一次裝藥量按(1)式計(jì)算：

Q={[f(n)1/3v/K]2/3r}3/a

(1)

式中：K——隨巖石物理力學(xué)性質(zhì)變化系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場情況取K=70；r——震動點(diǎn)到爆破點(diǎn)的距離，m；v——巖石顆粒破壞時的震動速度，取v=12 cm/s；f(n)——爆破作用指數(shù)函數(shù)，f(n)=1；a——安全系數(shù)，取a=1.5。

3 崩柱切頂爆破

崩柱切頂爆破是采空區(qū)處理中的主要爆破工作，關(guān)系到放頂?shù)男ЧＦ淠康氖峭ㄟ^該爆破，按預(yù)定的范圍安全而有效地將支撐礦柱崩倒，將頂板切割槽爆破出來，實(shí)現(xiàn)頂板的自然塌落并充滿采空區(qū)，同時又不能對鄰近采空區(qū)產(chǎn)生影響，因此，鑿爆參數(shù)的計(jì)算與選取非常重要。

3.1 鑿巖參數(shù)選取

3.1.1 最小抵抗線w

(1)切頂眼：其最小抵抗線按(2)式計(jì)算：

w=Lm+1/2Lz

(2)

式中：Lm——炮孔裝藥深度，m；Lz——炮孔堵塞長度，m。 炮孔的深度一般為護(hù)頂?shù)V的厚度+10%的超深，但必須通過下面的(3)式進(jìn)行校驗(yàn)。

n=2/3×(πΔd2/L2·q)1/3

(3)

式中：L——炮孔深度，m；Δ——裝藥密度，1 kg/m3；q——單位炸藥消耗量，0.5～0.7 kg/m3；d——炮孔直徑，dm。 如果n<0.8，則適當(dāng)調(diào)整炮孔裝藥的深度，使n≥0.8。

(2)礦柱深孔：其最小抵抗線按(4)式計(jì)算：

w=d(7.85ΔI/m·q)1/2

(4)

式中：Δ——裝藥密度，1 kg/m3；I——深孔裝藥系數(shù)，取I=0.8；d——深孔直徑，m；m——炮孔系數(shù)，對于扇形孔，孔底取m=1.2，孔口取m=0.4；q——單位炸藥消耗量，1～1.1 kg/m3。3.1.2 孔間距(a)與排距(b)

(1)切頂眼：根據(jù)藥包齊發(fā)爆破理論，兩個藥包間距等于最小抵抗線時，拉槽效果最佳。即：

a=b=w

(5)

(2)礦柱線眼：平行布置炮孔，一排上下布置2個炮孔。孔間距與排距取值為：

a=1.5w

(6)

b=w

(7)

(3)礦柱深孔：

a=b=mw

(8)

3.1.3 堵塞長度

(1)頂板眼：

Lm=L/2

(9)

(2)礦柱淺眼：Lm=(L-L2)/2

(10)

(3)礦柱深度：

Lw=0.8w

(11)

3.2 爆破藥量的計(jì)算

根據(jù)切頂面積和礦柱大小不同，分別確定其爆破藥量。

3.2.1 單位炸藥量取值范圍

(1)切頂眼：0.5～0.7 kg/m3。

(2)礦柱淺眼：0.45～0.55 kg/m3。

(3)礦柱深眼：1～1.11 kg/m3。

3.2.2 單位炸藥量計(jì)算

(1)切頂眼、礦柱深孔的爆破藥量按(12)式計(jì)算：

Q=LzπΔd2/4

(12)

(2)礦柱線眼的爆破藥量按(13)式計(jì)算：

Q=qw2L

(13)

式中：L——礦柱寬度，m。3.2.3 總裝藥量

總裝藥量按(14)式計(jì)算：

Q總=∑Qi

(14)

式中：n——炮眼(孔)總數(shù)；Qi——單個孔裝藥量，kg/m3。

3.3 爆破震動范圍控制

相對來講，崩柱和切頂爆破的點(diǎn)多，一次爆破藥量大。為確保頂區(qū)周圍采空區(qū)的安全，每次起爆的最大藥量按(15)式進(jìn)行控制。

V=k/f(n)1/3(Q1/3r)1.5

(15)

式中：r——實(shí)際保護(hù)點(diǎn)到爆破點(diǎn)的距離，m。 要求爆破點(diǎn)爆破時的震動速度<14 cm/s。

3.4 爆破網(wǎng)絡(luò)

為了保證爆破工作安全可靠，便于對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢查，減少爆破震動，一般采用高能起爆毫秒微差爆破。為了保證安全準(zhǔn)爆，每個孔內(nèi)安放兩個并聯(lián)電雷管，孔向?qū)嵭写?lián)。起爆順序?yàn)椋旱V柱→片區(qū)四周頂板→片區(qū)中部頂板。

4 結(jié)語

西山石膏礦經(jīng)過多年來數(shù)次的采空區(qū)人工放頂實(shí)踐，使得采空區(qū)達(dá)到了人工放頂?shù)念A(yù)期效果，不僅消除了礦山的不安全隱患，同時對采空區(qū)遺棄的資源進(jìn)行了回收，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，同時為下一礦組的開發(fā)利用打下了基礎(chǔ)。