王湖鑫，熊代余，陳 何

(1.東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

我國(guó)金屬非金屬礦山存在大量未經(jīng)處理的采空區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，全國(guó)金屬非金屬地下礦山共有采空區(qū)12.8億m3[1]。采空區(qū)使礦山開采條件惡化，給礦山生產(chǎn)和安全帶來(lái)嚴(yán)重影響，同時(shí)造成嚴(yán)重的礦產(chǎn)資源破壞和浪費(fèi)。采空區(qū)已成為影響我國(guó)金屬非金屬礦山安全生產(chǎn)最主要的危害源之一。近年來(lái)，我國(guó)礦山企業(yè)已認(rèn)識(shí)到采空區(qū)的危害并積極開展治理工作。在處理采空區(qū)的同時(shí)，應(yīng)盡可能回收采空區(qū)周邊的殘礦資源，使采空區(qū)治理由單純的投入變?yōu)樯a(chǎn)行為，不僅有利于提高資源利用率，而且也有利于提高企業(yè)處理采空區(qū)的積極性。

在處理采空區(qū)過(guò)程中，經(jīng)常面對(duì)大抵抗線、變抵抗線爆破條件，爆破效果難以控制的技術(shù)難題。本文以我國(guó)某錫礦采空區(qū)治理與殘礦回采為例，集束孔精細(xì)爆破實(shí)現(xiàn)大抵抗線、變抵抗線條件下的爆破，為類似礦山開采提供參考。

1 項(xiàng)目背景

某錫礦山原來(lái)采用空?qǐng)龇?，?jīng)過(guò)多年開采，形成了大量的采空區(qū)。采空區(qū)的上下盤以及間柱存有大量的高品位殘礦資源。近年來(lái)，采空區(qū)地壓活動(dòng)日漸頻繁，成為礦山安全生產(chǎn)隱患，亟需開展治理。同時(shí)，對(duì)采空區(qū)周邊的殘礦資源盡可能進(jìn)行回收，避免資源的浪費(fèi)。

2 開采技術(shù)條件及存在問(wèn)題

該礦采空區(qū)主要位于570～635 m水平，635～650 m為頂柱，頂柱以上為垮落體覆蓋層，如圖1所示。

由于長(zhǎng)期受應(yīng)力集中影響，采空區(qū)周邊巖體及巷道受到破壞，原有工程恢復(fù)難度大、投入高。破碎的礦巖中形成作業(yè)空間困難。在采空區(qū)處理過(guò)程中，只能盡量在保存較為完好或者恢復(fù)難度小的巷道以及在部分相對(duì)較完好的礦巖中形成鑿巖硐室，進(jìn)行鑿巖作業(yè)。在爆破時(shí)，經(jīng)常面對(duì)大抵抗線的情況。目前，地下礦山最大孔徑165 mm，最小抵抗線3.5～5 m，采用常規(guī)的方式無(wú)法進(jìn)行有效爆破。

由于暴露時(shí)間長(zhǎng)，采空區(qū)上下盤發(fā)生垮落，采空區(qū)形狀不規(guī)整，從而導(dǎo)致采用崩落回收殘礦時(shí)，抵抗線復(fù)雜多變。如果以大抵抗線進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，則會(huì)導(dǎo)致小抵抗線部分藥量過(guò)大，過(guò)度破碎，浪費(fèi)炸藥；如果以較小抵抗線進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，則導(dǎo)致大抵抗線部分無(wú)法崩落或者形成大塊，造成資源的浪費(fèi)。針對(duì)不同的抵抗線情況，進(jìn)行布孔方式與裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)行精細(xì)化爆破，能夠有效地解決這個(gè)問(wèn)題。

3 技術(shù)方案的選擇

為避免對(duì)采空區(qū)多次擾動(dòng)，惡化處理環(huán)境，宜采用整體崩落方式對(duì)采空區(qū)周邊殘留礦石資源進(jìn)行回收，該方法效率高、安全性好。經(jīng)過(guò)對(duì)該礦開采技術(shù)條件進(jìn)行研究，決定采用以集束孔為主、局部輔以中深孔和小硐室一次起爆的區(qū)域整體崩落采礦法處理隱患區(qū)域，同時(shí)回收殘礦資源[2]。該方案以區(qū)域內(nèi)采空區(qū)群為補(bǔ)償空間，把殘留礦體崩落至采空區(qū)，再在底部集中出礦。

根據(jù)礦山礦巖穩(wěn)固性以及現(xiàn)有工程的完整可利用程度，確定在635 m水平集中布置鑿巖硐室，在鑿巖硐室打下向大直徑集束孔，炮孔直徑165 mm。底部結(jié)構(gòu)布置在550 m水平，采用塹溝出礦，區(qū)域整體崩落法方案見圖2。

下面以集束孔JS1為例，對(duì)大抵抗線、變抵抗線集束孔精細(xì)化爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.1 大抵抗線集束孔爆破

圖1 部分采空區(qū)剖面圖Fig.1 Profile of partially goaf

圖2 集束孔區(qū)域整體崩落方案圖 Fig.2 Regional overall caving plan with bundle-hole blasting

圖3 不同形式的集束孔布孔方式Fig.3 Different forms of hole arrangement for bundle-hole

如圖4所示，炮孔直徑d=0.165 m，炮孔深度H=60 m，從上到下，抵抗線可以大致分為四個(gè)部分。第Ⅰ部分，W1=12 m，H1=10 m；第Ⅱ部分，W2=10 m，H2=7 m；第Ⅲ部分，W3=6 m，H3=26 m；第Ⅳ部分，W4=11.5 m，H4=17 m。

圖4 集束孔JS1抵抗線變化情況Fig.4 Change of burden of bundle-hole JS1

集束孔抵抗線由式(1)確定[4]。

W=9d[(2.17N-1)Δ/q]1/2(1)

式中：W為抵抗線，m；d為炮孔直徑，m；N為炮孔個(gè)數(shù)；Δ為裝藥密度，t/m3；q為炸藥單耗，kg/t。

由式(1)可得式(2)。

(2)

式(2)中各參數(shù)意義與式(1)相同。采用2號(hào)巖石乳化炸藥，Δ取0.94 t/m3，該礦生產(chǎn)炸藥單耗q=0.37 kg/t，d=0.165 m。代入圖4中抵抗線最大的部分W1=12 m，得N1=12.3，取N1=12。

集束孔JS1孔數(shù)由抵抗線最大部分確定，因此N=12。

考慮到鑿巖硐室的穩(wěn)固性，硐室跨度不宜太大，集束孔JS1布置為如圖5所示的方形集束孔。單孔之間距離5～8倍的炮孔直徑[3]，取5倍的孔徑0.825 m。炮孔距離硐室邊壁最小距離1.5 m，鑿巖硐室寬度4.65 m。

3.2 變抵抗線集束孔裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

炮孔采用導(dǎo)爆索全長(zhǎng)起爆方式，裝藥結(jié)構(gòu)如圖6所示(圖中已略去導(dǎo)爆索、起爆藥包、雷管)。

圖5 集束孔JS1布置方式Fig.5 Arrangment of bound-hole JS1

圖6 集束孔JS1裝藥圖Fig.6 Charging structure diagram of boundle-hole JS1

根據(jù)式(2)計(jì)算結(jié)果，集束孔JS1從上到下，其抵抗線及對(duì)應(yīng)的孔數(shù)如下所述。

N1=12.3，取N1=12；N2=8.7，取N2=9；N3=3.4，取N3=4；N4=11.5，取N4=12。

具體裝藥結(jié)構(gòu)如下：①炮孔上部堵孔長(zhǎng)度3 m；②第Ⅰ部分：裝藥長(zhǎng)度L1=H1-2.5 m=7 m，N1=12，裝藥孔1#～12#；③第Ⅱ部分，裝藥長(zhǎng)度L2=H2=7 m，N2=9，裝藥孔4#～12#，1#～3#孔充填物間隔；④第Ⅲ部分，裝藥長(zhǎng)度L3=H3=26 m，N3=4，裝藥孔4#～5#、10#～11#，其他孔充填物間隔；⑤第Ⅳ部分，L4=H4-2.5=14 m，N4=12，裝藥孔1#～12#；⑥底部堵孔長(zhǎng)度3 m。

根據(jù)抵抗線長(zhǎng)度，對(duì)裝藥孔孔數(shù)進(jìn)行調(diào)整，既保證了崩落對(duì)象垮落，又使得爆破能量均勻分布，防止過(guò)度破碎，充分利用爆破能量。

4 實(shí)施效果

該礦共布置集束孔28組，總孔深8 523 m，輔以小硐室11個(gè)，中深孔1 918.3 m，總炸藥量150 t，成功進(jìn)行了采空區(qū)處理，崩落礦量77萬(wàn)t，炸藥單耗0.195 kg/t。

通過(guò)對(duì)進(jìn)路口崩落礦巖實(shí)地觀察，爆堆塊度<300 mm，塊度較好。從爆破過(guò)程和地表與井下觀察情況來(lái)看，地表產(chǎn)生了連通冒落區(qū)的崩落區(qū)。井下各水平通爆區(qū)進(jìn)路口均見爆堆，沒(méi)有產(chǎn)生局部拒爆和懸頂現(xiàn)象。礦山在區(qū)域整體大爆破崩落后，即開始放礦。安排2臺(tái)鏟運(yùn)機(jī)出礦，每天出礦2 500～3 000 t。該次爆破成功地處理了礦山安全隱患，并回收殘礦資源，緩解了礦山的生產(chǎn)壓力，給礦山創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)利益。

5 結(jié) 論

1) 在處理采空區(qū)的同時(shí)，應(yīng)兼顧殘留資源的回收；采用整體崩落方式對(duì)采空區(qū)周邊殘留礦石資源進(jìn)行回收，可以避免多次回采對(duì)采空區(qū)造成的擾動(dòng)，效率高，安全性好。

2) 采空區(qū)由于暴露時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)生垮落，周邊礦巖受應(yīng)力集中影響發(fā)生破壞，在殘礦回收中，常面臨大抵抗線、變抵抗線問(wèn)題。采用集束孔，通過(guò)對(duì)布孔方式及孔數(shù)的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)大抵抗線條件下的爆破。在裝藥設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)集束孔內(nèi)裝藥孔數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)變抵抗線爆破條件下的精確控制爆破，確保爆破能量均勻分布，既保證爆破效果，又充分利用炸藥能量。