郭　瑞

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

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中深孔爆破處理淺埋采空區(qū)的實(shí)踐

郭瑞

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

摘要基于九江礦業(yè)北林場(chǎng)采區(qū)4#采空區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查和圍巖特征，提出以中深孔爆破崩落法誘導(dǎo)上部圍巖冒落充填采空區(qū)的方法，采用理論分析采空區(qū)失穩(wěn)原因，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬分析采空區(qū)爆破后位移變化，結(jié)果表明，中深孔爆破崩落上部圍巖，導(dǎo)致采空區(qū)暴露面積增大，水平、豎直方向位移增大，采空區(qū)頂板和礦柱失穩(wěn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)誘導(dǎo)采空區(qū)上覆巖層充填采空區(qū)實(shí)踐，驗(yàn)證了中深孔爆破崩落法處理淺埋采空區(qū)的可行性。

關(guān)鍵詞中深孔爆破采空區(qū)誘導(dǎo)冒落FLAC3D

九江礦業(yè)北林場(chǎng)采區(qū)自2007年開始用小井大采高淺孔留礦法開采上部分散盲礦體，至今已將0 m 水平以上盲礦體基本回采完畢，形成了十幾個(gè)大小不等、形態(tài)各異的采空區(qū)，多數(shù)采空區(qū)相對(duì)較為穩(wěn)定，現(xiàn)已采用人工堆渣和人工封閉法處理了部分小空區(qū)，但4#空區(qū)平面暴露面積大，高度較大，圍巖穩(wěn)定，至今沒(méi)有形成有效的塌陷。隨著主礦體開拓工程下延，護(hù)國(guó)寺鐵礦逐步進(jìn)入正軌開采，由于主礦體開采深度大，上部盲礦體開采形成的采空區(qū)穩(wěn)定性將影響到地表攤鋪、干堆尾礦工程，由采空區(qū)頂板垮落誘發(fā)的礦震和空氣沖擊波造成的破壞已成為礦山面對(duì)的重大問(wèn)題。為了防止現(xiàn)有未處理的較大采空區(qū)突然垮塌對(duì)地下開采人員、設(shè)施造成安全威脅，有必要在現(xiàn)有條件下選擇合理的方法，對(duì)較大采空區(qū)采取主動(dòng)的工程處置措施。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)爆破崩落法誘導(dǎo)冒落技術(shù)進(jìn)行了大量研究。米子軍對(duì)太鋼袁家村鐵礦空25群采用切割孔爆破，誘導(dǎo)上下層采空區(qū)的隔板塌落，取得了預(yù)期的效果[1]；張建文等人對(duì)壽王墳銅礦6#采空區(qū)采用了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、封閉、預(yù)留足夠厚度的緩沖墊層及崩落處理措施，取得了良好的效果[2]；葛虎勝、聶永祥等人采用中深孔爆破崩落法處理南泥湖露天采場(chǎng)不同形態(tài)采空區(qū)，創(chuàng)造了良好的安全效益及經(jīng)濟(jì)效益[3]；胡建軍、余斌等人針對(duì)承德銅業(yè)公司南六號(hào)采空區(qū)滑坡體現(xiàn)狀，提出誘導(dǎo)減震崩落技術(shù)處理特大型采空區(qū)的方法，并對(duì)硐室誘導(dǎo)崩落爆破的有害效應(yīng)制定了有效措施[4]；昝紅建對(duì)黑箐銅礦采空區(qū)采用硐室爆破和中深孔爆破相結(jié)合的方法，強(qiáng)制崩落礦柱和部分圍巖，取得了很好的效果[5]。本文根據(jù)4#空區(qū)條件，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用中深孔爆破法誘導(dǎo)冒落采空區(qū)，以驗(yàn)證方法的可行性。

1采空區(qū)失穩(wěn)的原因

1.1巖體結(jié)構(gòu)面及其組合

圍巖的強(qiáng)度取決于巖體結(jié)構(gòu)，巖體結(jié)構(gòu)面及裂隙分布狀況是圍巖穩(wěn)定與否的控制因素[6]。各種構(gòu)造所形成的軟弱結(jié)構(gòu)面使采空區(qū)巖體強(qiáng)度降低，導(dǎo)致其應(yīng)力重新分布，重新分布的圍巖應(yīng)力又加劇軟弱面的應(yīng)力集中，從而加劇圍巖的變形。當(dāng)采空區(qū)暴露面積達(dá)到一定值時(shí)，巖體會(huì)沿著構(gòu)造弱面移動(dòng)，造成采空區(qū)上部巖體崩落，導(dǎo)致空區(qū)失穩(wěn)破壞。

1.2礦體傾角和厚度

礦體傾角和厚度決定了采空區(qū)的特征，從而影響頂?shù)装鍘r石的受力狀態(tài)和變形破壞過(guò)程。急傾斜礦體采空區(qū)上盤棱柱巖體向下滑動(dòng)多為剪切力作用，容易成柱塞式垂直剪斷破壞，較大的急傾斜礦體采空區(qū)不易保持穩(wěn)定。礦體厚度愈大，采空區(qū)巖體移動(dòng)過(guò)程越劇烈，巖層下沉和其他變形也隨著采空區(qū)增大而增大。

1.3開采深度及采空區(qū)規(guī)模

埋藏淺厚礦體的采空區(qū)容易發(fā)展至地表，導(dǎo)致地表塌陷和破壞。隨著采深增大，采空區(qū)兩幫巖體移動(dòng)發(fā)展到地表所需時(shí)間增長(zhǎng)，對(duì)地表的影響面積也隨之增大。采空區(qū)規(guī)模大小直接影響巖體穩(wěn)定性和巖體移動(dòng)范圍，大面積連續(xù)采空區(qū)較容易垮落，巖體移動(dòng)范圍大，相鄰采空區(qū)距離較近時(shí)，相互影響加劇危害，因而空區(qū)穩(wěn)定性越差，頂板越容易垮落。

1.4爆破沖擊和振動(dòng)

爆破振動(dòng)對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面，即爆炸應(yīng)力波和沖擊波。爆炸形成的應(yīng)力波使爆破漏斗外的巖體產(chǎn)生張開的環(huán)向裂隙或延伸到遠(yuǎn)處的徑向裂隙，這2種裂隙相交后，會(huì)把巖體切割成塊體，巖體不僅產(chǎn)生了新的爆破裂隙，而且還會(huì)導(dǎo)致原有的裂隙擴(kuò)展。隨著時(shí)間的積累，導(dǎo)致巖體失穩(wěn)破壞。爆破振動(dòng)使原有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，降低了巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪力和摩擦力，爆破荷載的反復(fù)作用使得采空區(qū)失穩(wěn)破壞[7]。

2采空區(qū)處理

2.1方案制定

北一采區(qū)4#空區(qū)長(zhǎng)約76 m,寬約16 m，高約40 m，暴露面積為1 262.07 m2,體積為27 200 m2，空區(qū)上部基巖覆蓋層厚60～100 m，圍巖穩(wěn)固。利用現(xiàn)有遺留的采準(zhǔn)巷道工程，采用中深孔爆破崩落空區(qū)周圍的巖石充填空區(qū)，由于現(xiàn)存巷道高4～5 m，架設(shè)鉆機(jī)困難，需要人工墊渣，使巷道頂板施工部位墊層距離2.8 m左右，平整后用YGZ-90潛孔鉆向空區(qū)方向打上向扇形孔，依次向采空區(qū)強(qiáng)制崩落空區(qū)壁側(cè)的圍巖層，充填采空區(qū)。采用中深孔爆破誘導(dǎo)上盤圍巖冒落和崩落礦柱相結(jié)合的方法處理采空區(qū)，崩落圍巖充填空區(qū)，形成一定厚度(原則上不低于20 m)松散巖石墊層，封堵現(xiàn)有巷道的出口。

2.2模擬分析

利用誘導(dǎo)工程對(duì)頂板圍巖實(shí)施人工干擾，導(dǎo)致采空區(qū)頂板圍巖力學(xué)性質(zhì)弱化，塑性區(qū)擴(kuò)展，裂隙發(fā)育。根據(jù)上述對(duì)采空區(qū)處理的要求及采空區(qū)的圍巖條件(表1)，利用FLAC3D建立模型，對(duì)上部誘導(dǎo)圍巖冒落情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果見圖1。

表1　圍巖特理力學(xué)參數(shù)

由圖1可以看出，采空區(qū)下部經(jīng)過(guò)中深孔爆破后，空區(qū)上部水平、豎直位移均較大，采空區(qū)處于失穩(wěn)狀態(tài)，上部圍巖大量冒落充填了采空區(qū)。數(shù)值計(jì)算分析表明，下部用中深孔爆破后，能夠?qū)崿F(xiàn)上部圍巖的誘導(dǎo)冒落。

2.3爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

在采場(chǎng)上盤圍巖施工巷道及鑿巖硐室，利用YGZ90型鉆機(jī)鉆鑿扇形中深孔，孔徑為65 mm，孔深15 m左右，每個(gè)鑿巖硐室鉆鑿3～4排，每排炮孔孔底距為1.8 m，排距為1.8 m，每排為一個(gè)段別，設(shè)計(jì)13個(gè)段別。排間采用微差分段爆破，炮孔線裝藥密度為4.5kg/m左右，裝藥量約9762kg。中深孔布置見圖2，扇形炮孔布置及參數(shù)見圖3。

圖1　爆破誘導(dǎo)頂板冒落空區(qū)圍巖位移變化云圖

圖2　采空區(qū)上盤中深孔布置方式(單位：m)

2.4裝藥和填塞

根據(jù)巖石堅(jiān)硬系數(shù)和工人的裝藥熟練程度，實(shí)際裝藥量為2.3 kg/m，多孔粒銨油和粉粒乳化炸藥按9∶1拌合而成，采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，風(fēng)壓裝藥器裝藥,上部孔底安裝起爆彈[8]，孔口用棉紗填好。

2.5起爆網(wǎng)絡(luò)

采用導(dǎo)爆管單線復(fù)合閉合起爆網(wǎng)絡(luò),孔內(nèi)按設(shè)計(jì)要求裝毫秒微差塑料導(dǎo)爆管雷管，每個(gè)排面的炮孔用“大把抓”連成一簇，用電工膠布捆扎在2條傳爆導(dǎo)爆管上，起爆雷管牽出井口50 m外，選擇安全地段起爆。起爆段別見圖4。

3爆破效果

2015年9月30日10點(diǎn)57分爆破，形成直徑120 m、平均深20 m的V形坑；崩落的基巖從剖面上呈矩形，空間為長(zhǎng)方體；崩落基巖高度為15 m 左右，厚4～20 m，體積約13 670 m3，松散巖體積為10 580 m3；采空區(qū)完全被塌陷的土方充填(圖5)。

4結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，驗(yàn)證了中深孔

圖3　扇形炮孔布置及參數(shù)

圖4　起爆段別

圖5　地表塌陷回填采空區(qū)

爆破崩落法誘導(dǎo)上部圍巖冒落處理淺埋采空區(qū)方案的可行性，方案經(jīng)濟(jì)合理，消除了安全隱患，取得了良好的效果，為類似條件的采空區(qū)處理提供了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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[2]張建文，龔克兵，曲志清.壽王墳銅礦采空區(qū)處理技術(shù)實(shí)踐[J].中國(guó)礦山工程，2010,39(5)：30-32.

[3]葛虎勝，聶永祥，王文軍.中深孔崩落法處理采空區(qū)在南泥湖鉬礦中的應(yīng)用[J].采礦技術(shù)，2010(1)：33-36.

[4]胡建軍，余斌，劉建東，等.誘導(dǎo)減震崩落技術(shù)處理特大型采空區(qū)研究與應(yīng)用[J].工程爆破，2012,18(3)：41-43.

[5]昝紅建,陳星明,楊再高.硐室和中深孔爆破相結(jié)合的采空區(qū)處理實(shí)踐[J].現(xiàn)代礦業(yè),2014(1):165-167.

[6]王力慶.柿竹園礦采空區(qū)冒落破壞規(guī)律研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[7]鄭懷呂，李明.地下采空區(qū)危險(xiǎn)性及其分布[J].礦山壓力與頂板管理，2005，22(4)：127-129.

[8]劉殿中.工程爆破實(shí)用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

(收稿日期2016-01-24)

郭瑞(1989—) 男,碩士研究生,100083 北京市海淀區(qū)。