柴衡山，張晨潔，劉 濤,2，張 亭，嚴(yán)文炳

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

空?qǐng)龇ㄓ捎诘貕汗芾砗?jiǎn)單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，采用空?qǐng)龇ú傻V，同時(shí)劃分礦房礦柱，礦房回采結(jié)束后，采場(chǎng)內(nèi)被留下一定數(shù)量的礦柱，若不及時(shí)回收礦柱，將造成資源浪費(fèi)。根據(jù)空?qǐng)龇ǖ牟贾锰攸c(diǎn)，一般情況下，礦柱的礦量約占到礦塊礦量的30%，若能夠?qū)υ摬糠仲Y源進(jìn)行安全有效回收，將會(huì)對(duì)礦山的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生較大影響[1-2]。如何安全有效地回收礦柱，涉及應(yīng)力狀態(tài)分析、合理回收順序、安全性、回收成本等一系列問(wèn)題，一直以來(lái)是采礦領(lǐng)域的熱門(mén)研究話題。以往關(guān)于礦柱通常是在礦柱內(nèi)布置分層鑿巖巷道，在鑿巖巷道內(nèi)布置扇形中深孔進(jìn)行逐排爆破回收[3-7]，這種礦柱回收方式不僅效率低下，而且回收成本相對(duì)較高，同時(shí)，由于礦柱回收時(shí)間長(zhǎng)，造成空區(qū)滯留時(shí)間較長(zhǎng)，易發(fā)生上盤(pán)圍巖垮塌等安全事故，對(duì)礦山的正常生產(chǎn)造成影響。因此，采用大爆破一次性回收礦柱成為礦柱回收領(lǐng)域的研究方向[8-9]。

本文以?xún)?nèi)蒙古東升廟鉛鋅礦850 m遺留礦柱群為研究對(duì)象，采用中深孔、深孔聯(lián)合爆破回收頂柱和間柱，一次性成功爆破回收2個(gè)頂柱和1個(gè)間柱，取得了較好的礦柱回收效果。

1 多向組合雙線異徑微差爆破技術(shù)

1.1 立體分區(qū)控制爆破技術(shù)

由于頂柱平行于中段平面，間柱垂直于中段平面，首爆區(qū)的切槽也平行于中段平面；頂柱位于空區(qū)之上，間柱位于兩個(gè)獨(dú)立的空區(qū)之間，因此，頂柱、間柱和空區(qū)之間在空間上構(gòu)成了三維立體關(guān)系。爆破方案根據(jù)三者的關(guān)系，充分考慮爆破自由面、爆破順序和出礦效果，爆破分區(qū)水平方向由內(nèi)向外、垂直方向自下而上劃分，通過(guò)微差控制實(shí)現(xiàn)一次性爆破。具體為：間柱先爆切槽再爆正排，首爆區(qū)以空區(qū)為補(bǔ)償空間，后續(xù)爆破區(qū)域以相鄰空區(qū)和先爆區(qū)為補(bǔ)償空間；頂柱下部空區(qū)及已爆區(qū)域?yàn)檠a(bǔ)償空間。通過(guò)立體分區(qū)控制爆破技術(shù)，可以保證間柱、頂柱的爆破順序，同時(shí)也可以保證廢石緩沖墊層在礦石崩落后落在礦石上方，從而減少爆破過(guò)程中廢石的混入。

1.2 多面臨空拉槽擠壓崩礦技術(shù)

利用間柱、頂柱與空區(qū)的相對(duì)位置的不同，充分利用爆破自由面，在間柱的中部拉槽，以?xún)蓚?cè)臨空面為自由面，拉槽又為后續(xù)爆破區(qū)提供新的臨空面，頂柱下部的臨空面為自由面，為此，爆破最終形成以多臨空面為自由面的格局。同時(shí)，本次爆破過(guò)程中分區(qū)內(nèi)排與外排之間、水平方向上各分區(qū)之間、垂直方向上上下分區(qū)之間、各分區(qū)崩落礦石之間都存在著相互擠壓碰撞的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了大量礦石的充分破碎，提高了爆破質(zhì)量。

1.3 深孔、中深孔聯(lián)合爆破

間柱采用YGZ-90鑿巖機(jī)施工中深孔，孔徑60 mm，有效深度20 m左右，頂柱跨度大，YGZ-90鑿巖機(jī)施工深度達(dá)不到設(shè)計(jì)孔深，采用潛孔鉆機(jī)K1121A施工深孔，孔徑90 mm，最大鉆鑿深度50 m。間柱爆破方向以間柱左右的空區(qū)為自由面，頂柱下部空區(qū)為自由面，間柱崩落礦石與頂部崩落礦石在空區(qū)內(nèi)相互碰撞，提高了礦石的破碎效果。

1.4 微差爆破技術(shù)

從爆破理論可知，存在既能達(dá)到良好的礦巖破碎效果又能有效降低爆破振動(dòng)的最合理微差時(shí)間。合理微差時(shí)間的確定，一般考慮以下幾個(gè)方面。

1) 新自由面的形成，前排爆落的碎石向前移動(dòng)一定距離以后，下一段爆破孔才能起爆，這符合爆破作用空間補(bǔ)償原理。

2) 充分考慮利用應(yīng)力波之間相互作用，加強(qiáng)炮孔之間的破碎。

3) 選擇微差間隔時(shí)間要考慮地震波和空氣沖擊波對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

4) 保證前排孔爆破以后不破壞后排的起爆網(wǎng)絡(luò)，即要求微差間隔時(shí)間的選取要滿(mǎn)足整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳爆的要求。

按照上述的觀點(diǎn)，研究學(xué)者提出了很多計(jì)算合理微差間隔時(shí)間τ的公式[10]。設(shè)計(jì)本次大爆破合理微差間隔時(shí)間，按形成后一排炮孔爆破自由面的所需時(shí)間而定。先爆炮孔剛好形成破裂漏斗，且與圍巖已明顯脫離的瞬間，后一組中深孔起爆。其合適的時(shí)間計(jì)算公式見(jiàn)下式。

τ=(k1+k2)Q1/3+S/Vp

式中：τ為微差時(shí)間，ms；k1為正波歷時(shí)系數(shù)，一般取值為1.25～1.8，本次計(jì)算取1.5；k2為負(fù)波歷時(shí)系數(shù)，k2=9(α-0.18)，α為炸藥與巖石的波阻抗比值，取0.85；Q為炮孔裝藥量，本次計(jì)算取50 kg；S為爆破后巖塊與巖體脫開(kāi)的距離，取0.01 m；Vp為巖塊平均移動(dòng)速度，本次計(jì)算取5 m/s。

將取值代入上式，得τ=30 ms。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合爆區(qū)巖體裂隙多的實(shí)際情況，負(fù)波歷時(shí)應(yīng)長(zhǎng)些，所需微差時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些，采用高精度微差雷管時(shí)，單數(shù)或雙數(shù)排段位的最小時(shí)間間隔為50 ms，能滿(mǎn)足微差時(shí)間的要求，所以本次大爆破段位微差均控制在50 ms以上。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

內(nèi)蒙古東升廟礦業(yè)有限責(zé)任公司年采選生產(chǎn)能力80萬(wàn)t，現(xiàn)階段850 m中段礦房已經(jīng)回采結(jié)束，900 m以上的礦柱也已經(jīng)全部回采，在850 m中段頂柱上部，形成了厚度約為15 m的緩沖墊層，以防止900 m中段上部采空區(qū)垮塌，對(duì)850 m中段礦房回采產(chǎn)生影響。850 m中段礦體使用的采礦方法為分段鑿巖階段礦房法，分段標(biāo)高為864 m、879 m、894 m。在900 m中段以上礦柱群回收工作完成后，850 m中段礦柱群回收成為礦山的新工作。針對(duì)850 m中段礦體賦存變化情況，以及地壓變化情況，提出850 m中段礦柱群回收的總體方案。850 m中段礦柱與空區(qū)的相互關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 850 m中段礦柱與空區(qū)的相互關(guān)系Fig.1 Correlation between the pillars and goaf of 850 m

2.2 礦柱回收整體方案

850 m中段除預(yù)留的保安礦柱外，從左向右共有8個(gè)間柱，根據(jù)極限跨度計(jì)算結(jié)果，回收應(yīng)遵循“間隔抽采”的原則。最左端的25號(hào)間柱處于采礦權(quán)范圍隔離帶處，最右端的32號(hào)間柱右側(cè)是無(wú)礦帶，均可以安全回收，最終將留下9號(hào)間柱、8號(hào)間柱、24號(hào)間柱三個(gè)間柱作為永久間柱，將850 m中段采空區(qū)分成相對(duì)獨(dú)立的四個(gè)部分，使得采空區(qū)在平面位置上不相連續(xù)，這樣，預(yù)留的3個(gè)間柱支撐采空區(qū)上盤(pán)、下盤(pán)，可避免大規(guī)模地壓活動(dòng)的發(fā)生。為此，850 m中段礦柱群回收的總體思路為“間隔抽采”，保留9號(hào)間柱、8號(hào)間柱、24號(hào)間柱，其余回收。本文主要論述礦柱回收的技術(shù)問(wèn)題，其他問(wèn)題不做詳細(xì)闡述。頂柱的回收順序與間柱回收順序相同，每次回收間柱時(shí)，對(duì)間柱兩側(cè)的頂柱同時(shí)進(jìn)行回收。

2.3 深孔中深孔聯(lián)合爆破回收頂柱和間柱

由于16號(hào)間柱的礦石品位較高，且8號(hào)間柱一側(cè)為保安礦柱，一定程度上增加了8號(hào)礦柱的穩(wěn)定性，因此，首先回采16號(hào)間柱以及兩側(cè)的頂柱。

采用中深孔、深孔聯(lián)合爆破回收16號(hào)間柱及兩側(cè)頂柱，具體見(jiàn)圖2。利用中段分層巷道，862 m分層和876 m分層在16號(hào)間柱中間位置沿著礦柱長(zhǎng)度方向掘進(jìn)鑿巖巷道，然后在鑿巖巷道內(nèi)，垂直鑿巖巷道向間柱兩側(cè)掘進(jìn)鑿巖短穿，在鑿巖短穿內(nèi)向上施工垂直中深孔，這樣布置鑿巖工程的好處在于可以充分利用16號(hào)間柱兩側(cè)的空區(qū)作為爆破自由面及補(bǔ)償空間。在894 m分層間柱中部施工深孔鑿巖硐室，在鑿巖硐室內(nèi)施工深孔，在16號(hào)間柱頂部的鑿巖硐室內(nèi)向兩側(cè)施工平行扇形深孔，在8號(hào)間柱和24號(hào)間柱內(nèi)向頂柱一側(cè)施工平行扇形深孔。布置在間柱內(nèi)的中深孔采用YGZ-90型鑿巖機(jī)，孔徑60 mm，K112-A鑿巖設(shè)備進(jìn)行施工，孔徑90 mm，孔深20～40 m。炮孔采用最小抵抗線與孔底距參數(shù)互換，以提高鑿巖效率，改善爆破效果。

中深孔、深孔聯(lián)合爆破，充分利用中深孔孔底起爆和深孔孔中起爆，實(shí)現(xiàn)了深孔條形藥包與中深孔爆炸時(shí)爆轟波的有效干涉疊加，改善了爆破效果，降低礦石大塊率。由于頂柱上部有大約15 m厚度的覆蓋層，為了最大限度地降低覆蓋層廢石的混入，降低貧化率，采用微差爆破技術(shù)，使間柱中深孔先于頂柱深孔起爆，即間柱先于頂柱落入礦房，頂柱崩落同時(shí)，頂柱上方的廢石緩沖墊層一并向下運(yùn)動(dòng)，由于上部礦巖重力勢(shì)能，在下落與底部間柱崩落礦石接觸的過(guò)程中，再次發(fā)生碰撞，促進(jìn)了礦巖進(jìn)一步破碎，改善了礦石和緩沖墊層質(zhì)量。

2.4 爆破方案

由于間柱先于頂柱起爆，且間柱回收過(guò)程中，利用兩側(cè)空區(qū)為自由面，爆破條件相對(duì)較好，而同時(shí)爆破兩個(gè)頂柱，工程量大，爆破技術(shù)要求相對(duì)較高。根據(jù)爆破安全規(guī)程和以往礦柱回收的爆破經(jīng)驗(yàn)，最終確定頂柱爆破方案為分區(qū)微差爆破，采用“孔底延伸起爆技術(shù)”，爆破網(wǎng)絡(luò)采用復(fù)式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。整個(gè)爆破利用毫秒導(dǎo)爆管雷管的微差時(shí)間間隔順序起爆，充分利用頂柱下部的采空區(qū)作為爆破補(bǔ)償空間，將16號(hào)間柱兩側(cè)的頂柱共劃分為5個(gè)分區(qū)，具體見(jiàn)圖3。起爆順序按爆破自由面和現(xiàn)場(chǎng)空間條件為依據(jù)確定，各分區(qū)起爆順序依次為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)。Ⅰ區(qū)為首爆區(qū)，因位于礦體上盤(pán)，以下部采空區(qū)為自由面和補(bǔ)償空間進(jìn)行崩落；其他各區(qū)均以下部采空區(qū)和先前爆破形成的自由面為補(bǔ)償空間進(jìn)行崩落。區(qū)內(nèi)起爆順序以各炮孔不同段位的毫秒導(dǎo)爆管雷管延期控制。

圖2 中深孔、深孔聯(lián)合爆破回收礦柱Fig.2 The pillar recovery by medium-length hole with deep hole

圖3 頂柱分區(qū)爆破回收示意圖Fig.3 Schematic diagram of blasting recovery of the top pillar

2.5 出礦

爆破后，采場(chǎng)空區(qū)將聯(lián)成一片，與上部空區(qū)相連通，在放礦過(guò)程中上部采空區(qū)內(nèi)大量的廢石緩沖墊層隨著采場(chǎng)內(nèi)礦石的放出而不斷下移。因此，整個(gè)采場(chǎng)的大量放礦過(guò)程必然要在覆巖下進(jìn)行，故采用了覆巖下平面放礦技術(shù)有序地放出采場(chǎng)內(nèi)礦石。爆破后先進(jìn)行全面松動(dòng)放礦，使全部出礦口之上的礦石松散，放出礦石量15%左右，然后進(jìn)行均勻放礦，按照平面放礦下降要求，確定漏斗、塹溝出礦口負(fù)擔(dān)的出礦量、下降高度和放礦順序，再進(jìn)行多輪循環(huán)的控制放礦?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中，每輪放出礦石下降高度控制在2.0 m左右，每個(gè)漏斗出礦口放礦量控制在400～500 t，每個(gè)塹溝出礦口放礦量控制在700～800 t，同時(shí)由內(nèi)向外放出控制的礦量，直至放出礦石鉛+鋅品位降至4%為止，后封堵出礦口。通過(guò)平面放礦控制貧化，貧化率降至31.5%。

2.6 指標(biāo)分析

本次爆破共消耗混合型炸藥30 591 kg，其中粉狀乳化炸藥6 118 kg，多孔粒狀銨油炸藥24 473 kg。礦柱回收主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 礦柱回收主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Table 1 Main technical and economic indicatorsof pillar recovery

3 結(jié) 論

1) 以東升廟鉛鋅礦850 m中段礦柱群為研究對(duì)象，通過(guò)分析礦柱群分布和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終確定間隔抽采的整體回收方案。

2) 采用中深孔、深孔聯(lián)合爆破技術(shù)對(duì)間柱、頂柱進(jìn)行一次性回收，解決了傳統(tǒng)的礦柱、頂柱分次回收效率低、安全性差的問(wèn)題，該方案具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

3) 本方案采用的大爆破回收頂柱、間柱，從回收結(jié)果來(lái)看，貧化損失還相對(duì)較高，需要進(jìn)一步優(yōu)化改善。