梅 斌
(平朔工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司露天采礦工程事業(yè)部,山西 朔州 036006)
21 世紀(jì)初建設(shè)的小型井工礦,大多也采用先進(jìn)的機(jī)械化開(kāi)采方法,煤層采高大,井下工作面回收率高,從有些地區(qū)露天礦揭露的情況看,采空區(qū)面積和高度與過(guò)去小煤窯相比要大出很多。由于這些采空區(qū)范圍廣跨度大,給露天開(kāi)采造成了極大的安全隱患。特別是隨著露天礦開(kāi)采規(guī)模的增加,大型露天礦重達(dá)100 t~200 t 的大型設(shè)備投入使用,對(duì)煤層上覆巖層的壓力增加。在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)電鏟、卡車(chē)或輔助設(shè)備陷入采空區(qū),造成不必要的麻煩或安全生產(chǎn)事故,嚴(yán)重影響露天礦的正常生產(chǎn)組織。因此,在生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)采空區(qū)治理現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),總結(jié)形成露天礦過(guò)采空區(qū)安全開(kāi)采技術(shù)是十分必要的。
過(guò)采空區(qū)安全開(kāi)采技術(shù)前提是需要詳細(xì)的采空區(qū)情況,了解采空區(qū)分布及實(shí)際開(kāi)采區(qū)情況,由于采空區(qū)多為十幾年前開(kāi)采小煤窯或地方煤礦,資料缺失和失真情況非常普遍,只能通過(guò)資料了解采空區(qū)分布大概范圍,很難通過(guò)存檔資料來(lái)掌握采空區(qū)的真實(shí)情況。為了能夠?qū)Σ煽諈^(qū)進(jìn)行有效的探測(cè),在實(shí)際采礦工作中往往會(huì)通過(guò)物理勘探(電磁勘探)或鉆探的方法來(lái)獲得采空區(qū)情況。
利用采空區(qū)與巖石之間的電阻率差異,一般可以通過(guò)瞬變電磁法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的探測(cè),瞬變電磁法作為電阻率參數(shù)勘探的地球物理方法,通過(guò)對(duì)大地測(cè)量的不同的導(dǎo)電性反映,來(lái)區(qū)分識(shí)別采空區(qū),其工程應(yīng)用是通過(guò)瞬變電磁勘探儀按設(shè)計(jì)測(cè)網(wǎng)布置勘探線路來(lái)搜集地下電磁信號(hào)。采空區(qū)的劃分與圈定是基于地面瞬變電磁法勘探的解釋成果,通過(guò)專(zhuān)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,形成各勘探線電阻率斷面圖[1],如圖1 所示。再通過(guò)三維處理技術(shù),將斷面圖組合生成三維電阻率圖像,以此來(lái)反映采空區(qū)存在狀況。但由于該方法在地表進(jìn)行,測(cè)區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜以及外部環(huán)境的影響,都會(huì)對(duì)瞬變電磁數(shù)據(jù)的采集產(chǎn)生影響。
圖1 生成的地下電阻率斷面圖
鉆探法是在掌握的采空區(qū)資料和物探分析基礎(chǔ)上,在保證采空區(qū)上覆巖層厚度安全的前提下,利用爆破鉆機(jī)按設(shè)計(jì)的孔網(wǎng)參數(shù)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)穿孔探測(cè)。
2.2.1 采空區(qū)上覆巖層安全厚度
采空區(qū)上覆巖層安全厚度是保證露天礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵,安全厚度不夠會(huì)造成采空區(qū)上部頂板巖石支撐力不足,在上部設(shè)備動(dòng)荷載、靜荷載作用下都有造成頂板巖石垮塌的可能。由于采空區(qū)高度、跨度、上覆巖層性質(zhì)和設(shè)備載重情況等都會(huì)對(duì)穩(wěn)定性造成影響,因此采空區(qū)安全厚度計(jì)算需要針對(duì)不同情況進(jìn)行測(cè)算,一般通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件數(shù)值模擬、利用厚跨比計(jì)算法、長(zhǎng)寬比梁板法等數(shù)值計(jì)算方法綜合確定上覆巖層厚度[2]。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),考慮露天礦實(shí)際臺(tái)階參數(shù),一般選擇采空區(qū)上覆2~3 個(gè)臺(tái)階高度進(jìn)行探測(cè)。
2.2.2 采空區(qū)鉆探孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)
采空區(qū)鉆探孔網(wǎng)參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制,孔網(wǎng)參數(shù)過(guò)大將無(wú)法達(dá)到對(duì)采空區(qū)實(shí)際控制,影響探測(cè)效果。孔網(wǎng)參數(shù)過(guò)小將增加鉆孔成本,同時(shí)影響施工進(jìn)度和整體作業(yè)效率。一般情況下進(jìn)行分級(jí)布控,首先根據(jù)掌握的資料和采空區(qū)預(yù)測(cè)情況沿采空巷道走向進(jìn)行一級(jí)布孔(大多情況按實(shí)際爆破孔網(wǎng)參數(shù)L),對(duì)探測(cè)到存在采空區(qū)鉆孔周?chē)M(jìn)行二級(jí)布孔(孔距為L(zhǎng)/2),如圖2 所示。通過(guò)兩級(jí)鉆探可以基本上圈定采空區(qū)范圍,并明確采空區(qū)大小、分布范圍,以及采空區(qū)是否有火區(qū)或積水情況,為下一步采空區(qū)治理提供必要依據(jù)。二級(jí)布孔若仍無(wú)法完全明確區(qū)域的可以進(jìn)一步加密探孔。
圖2 采空區(qū)區(qū)域爆破孔網(wǎng)布置圖
通過(guò)綜合應(yīng)用上述物探發(fā)、鉆探發(fā)2 種方式,基本可以在采空區(qū)上部2~3 個(gè)臺(tái)階距離將采空區(qū)標(biāo)定并設(shè)置警戒,可以降低設(shè)備、人員陷入采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)。有些露天礦還引入了三維激光掃描技術(shù),通過(guò)探頭進(jìn)入作業(yè)條件允許的鉆孔進(jìn)行激光掃描,形成采空區(qū)空腔三維圖像[3],可以在空間上更全面的了解采空區(qū)寬度、空腔高度和形成等情況。
目前露天礦過(guò)采空區(qū)施工技術(shù),考慮露天礦施工設(shè)備特點(diǎn),最常用的方法就是爆破冒落法,通過(guò)實(shí)施專(zhuān)項(xiàng)爆破實(shí)現(xiàn)采空區(qū)上部垮塌,達(dá)到垮塌后巖石能夠充填采空區(qū),進(jìn)而消除采空區(qū)的作用。對(duì)采空區(qū)實(shí)施專(zhuān)項(xiàng)爆破技術(shù),有相對(duì)的針對(duì)性,爆破效果好,能快速處理探測(cè)出的采空區(qū)[4],達(dá)到預(yù)定的過(guò)采空區(qū)施工效果。爆破冒落法關(guān)鍵技術(shù)包括。
由于采空區(qū)探測(cè)孔已經(jīng)將打穿至空腔,在實(shí)施裝藥前首先要將鉆孔底部進(jìn)行間隔充填,達(dá)到可以承受上部裝藥和炮孔充填的重量。底部間隔充填常見(jiàn)的情況是使用空氣間隔器或木質(zhì)間隔期與鉆孔巖粉分多層充填的方法[5],對(duì)于20 m 以上的臺(tái)階一般充填高度需要達(dá)到3 m~5 m 才能保證上部正常裝藥作業(yè)。某些露天礦也采用過(guò)在鉆孔附近打平行孔,控制孔深的方法,但該方法增加工程量,影響整體施工效率。
爆破孔網(wǎng)參數(shù)一般直接采用采空區(qū)鉆探時(shí)參數(shù)L/2×L×2,裝藥只選擇采空區(qū)范圍內(nèi)一級(jí)炮孔和鉆探存在采空區(qū)的二級(jí)炮孔。由于底部采空區(qū)的存在,間接提供了局部自由面,為了實(shí)現(xiàn)炸藥分布均勻,裝藥采用孔內(nèi)分段裝藥結(jié)構(gòu),一般分兩段裝藥,中間用鉆孔巖粉充填,間隔高度要小于下段裝藥高度,需要逐孔進(jìn)行裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為保證爆破后巖石足夠破碎,以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)上部巖石垮落,與正常炮區(qū)采用松動(dòng)爆破的炸藥單耗不同,采空區(qū)爆破屬于加強(qiáng)拋擲爆破,一般炸藥單耗選擇要到達(dá)常規(guī)爆破的1.3~1.5 倍。起爆順序按照炮孔深度相對(duì)較淺且位于采空區(qū)中部的炮孔先起爆,并向四周傳爆。
采空區(qū)探測(cè)一般在工作面以上2~3 個(gè)臺(tái)階,鉆孔深度在20 m 以上。因此無(wú)法直接對(duì)爆破效果進(jìn)行評(píng)估,通常情況下采空區(qū)爆破效果評(píng)價(jià)一般通過(guò)分析爆破塌陷深度和塌陷范圍進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)塌陷深度達(dá)到采空區(qū)空腔高度0.4~0.6,塌陷范圍基本與探測(cè)采空區(qū)范圍一致時(shí),就可以評(píng)價(jià)為爆破質(zhì)量達(dá)到預(yù)期效果[4]。塌陷深度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:
Ht=h+Hp(1+Ksα-Ks)
式中:Ht—爆堆的塌落深度,m。
h —采空區(qū)空腔平均高度,m。
Hp—采空區(qū)頂板平均厚度,m。
Ks—巖石松散系數(shù),一般取1.2。
α—周邊孔引起土巖凈拋出系數(shù),一般取5%。
通過(guò)以上爆破控制程序,可以實(shí)現(xiàn)過(guò)采空區(qū)爆破冒落法安全施工,使治理后采空區(qū)達(dá)到安全狀態(tài),對(duì)爆破后的塌陷區(qū)域進(jìn)行回填后就可以恢復(fù)該區(qū)域設(shè)備正常通行。
露天礦采空區(qū)可通過(guò)物理勘探法和鉆探法實(shí)現(xiàn)分布情況分析和采空區(qū)范圍的確定,為了后期實(shí)現(xiàn)采空區(qū)治理提供了準(zhǔn)確的地點(diǎn)和真實(shí)采空區(qū)情況。利用露天礦爆破方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)有設(shè)備條件,通過(guò)爆破冒落法實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的垮落控制爆破,并通過(guò)爆破效果評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)露天礦過(guò)采空區(qū)施工技術(shù)。為露天礦過(guò)采空區(qū)生產(chǎn)提供安全技術(shù)保障。