牛小明，潘 懿

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙 410012)

近年來，由于露天開采所具備的大型機(jī)械化以及高效資源回收率等諸多優(yōu)點(diǎn)，許多金屬礦山都利用地采轉(zhuǎn)露采的開采方法對(duì)隱患資源進(jìn)行回收復(fù)采[1]。同時(shí)，原來地采所遺留采空區(qū)便成了巨大隱患，尤其是有過民采、偷采現(xiàn)象以及整合多家小礦山的大型露天礦山，由于之前沒有統(tǒng)一的開采規(guī)劃設(shè)計(jì)，也沒有詳細(xì)的地下采空區(qū)資料，造成了露天開采境界下有大量盲采空區(qū)[1]。由于這些采空區(qū)空間及形態(tài)的復(fù)雜性，使得處理采空區(qū)成了保證礦山安全生產(chǎn)的難題。目前，采空區(qū)處理方法主要有爆破崩落法、充填法和封閉法。由于大多數(shù)需要處理的采空區(qū)均在露天開采設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，必須對(duì)其進(jìn)行處理，而充填法則存在二次裝運(yùn)等問題，因此往往只能采用爆破崩落法[2]。

1 采空區(qū)概況

廣東省大寶山礦是大型多金屬礦，由于開采方式的轉(zhuǎn)變(地下開采轉(zhuǎn)為露天開采)，民采、偷采猖獗等問題形成眾多采空區(qū)。其中露天采場(chǎng)49線590采空區(qū)是其中典型的大型復(fù)雜采空區(qū)，該采空區(qū)的爆破處理也是大寶山礦歷來處理過的最大單一采空區(qū)，49線590采空區(qū)主要特點(diǎn)是：平面面積和體積大，頂板厚度大，四周無可利用的爆破自由面，空間任何方向上爆破夾制性都很大。

1.1 采空區(qū)探測(cè)

為了清楚掌握49線590采空區(qū)位置、形態(tài)和三維尺寸，給合理處理采空區(qū)提供可靠數(shù)據(jù)，利用了先進(jìn)的三維激光掃描儀C-ALS分別于不同位置對(duì)其進(jìn)行了四次掃描[3]，并將四次掃描結(jié)果進(jìn)行復(fù)合，得到了該采空區(qū)較為準(zhǔn)確的參數(shù)及三維實(shí)體模型[4]，見表1、圖1。

表1 49線590采空區(qū)參數(shù)表Table 1 Parameters of the 49-590 goaf

圖 1 49線590采空區(qū)三維實(shí)體模型Fig. 1 The 3D solid model of the 49-590 goaf

1.2 采空區(qū)頂板穩(wěn)定性計(jì)算

保證采空區(qū)穩(wěn)定的前提條件是其實(shí)際頂板厚度大于理論計(jì)算的最小安全頂板厚度。因此，確定采空區(qū)最小安全頂板厚度具有重大意義[5]。目前用于采空區(qū)頂板厚度的理論計(jì)算方法有很多種，主要有傳統(tǒng)采空區(qū)頂板厚度分析方法[6]、極限分析法及彈性小變形薄板理論方法，其中傳統(tǒng)方法又包括厚跨比法、荷載傳遞線交匯法、破裂拱理論估算法、空?qǐng)鲩L寬比梁板理論計(jì)算法等[7]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，49線590采空區(qū)頂板為灰?guī)r，采用以上各方法計(jì)算，得出不同采空區(qū)跨度相對(duì)應(yīng)的采空區(qū)最小安全頂板厚度，計(jì)算結(jié)果見表2所示。

表2 采空區(qū)最小安全頂板厚度計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of minimum safe roof thickness

對(duì)以上采空區(qū)最小安全頂板厚度與采空區(qū)跨度相互關(guān)系計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到以下結(jié)果如圖2所示。

圖 2 采空區(qū)最小安全頂板厚度與跨度關(guān)系統(tǒng)計(jì)Fig. 2 Statistics of the relationship between minimum safe roof thickness and width

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果，擬合出采空區(qū)最小安全頂板厚度與采空區(qū)跨度關(guān)系計(jì)算公式

h=0.71b-1.02

(1)

式中：h為采空區(qū)頂板安全厚度，m；B為采空區(qū)跨度，m。

結(jié)合49線590采空區(qū)探測(cè)所得參數(shù)，根據(jù)上式計(jì)算得采空區(qū)頂板安全厚度h=34.48 m。根據(jù)采空區(qū)掃描參數(shù)及頂板厚度理論計(jì)算，在649 m平臺(tái)處理該采空區(qū)最為合適。

2 采空區(qū)處理

2.1 爆破方案

爆破采用孔外微差分段延時(shí)爆破。

采空區(qū)處理設(shè)計(jì)在+649 m平臺(tái)進(jìn)行垂直穿孔，由于采空區(qū)四周無可利用自由面，采空區(qū)頂板較厚，空間范圍內(nèi)夾制性均很大，根據(jù)采空區(qū)三維激光掃描探測(cè)資料，在采空區(qū)頂板最薄的位置布置加強(qiáng)孔掏槽以求形成補(bǔ)償空間，并在加強(qiáng)孔區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)三個(gè)底部裝藥鉆孔，如圖3所示。

圖 3 采空區(qū)平面位置及雷管分段圖Fig. 3 The plan position and blasting network of the goaf

1)爆破時(shí)先爆底部裝藥的三個(gè)鉆孔，目的是向下拉開一定空間，使采空區(qū)頂板失穩(wěn)、變薄，同時(shí)由于只有底部裝藥也可以為鄰近炮孔提供補(bǔ)償空間。

2)然后再爆掏槽區(qū)域內(nèi)的其它炮孔，此時(shí)各炮孔橫向和縱向均有一定活動(dòng)空間可以形成較好的掏槽效果。

3)最后依次分段延時(shí)爆破其它炮孔。

2.2 爆破參數(shù)

1)布孔。根據(jù)采空區(qū)所在區(qū)域的巖體條件及長時(shí)間實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，爆破采用的炸藥單耗為0.5 kg/m3，炮孔直徑140 mm，單位長度炸藥量約14 kg/m，爆破孔網(wǎng)參數(shù)采用4.0 m×4.0 m。中部掏槽區(qū)域加密孔距提高炸藥單耗以確保掏槽效果，該區(qū)域鉆孔布在直徑為3.5 m的圓形范圍之內(nèi)，炸藥單耗為0.69 kg/m3。

2)裝藥結(jié)構(gòu)。為了準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)孔深以防止炮孔底部因抵抗線過小而引起炸藥能量的損失，所有鉆孔均需要穿透采空區(qū)后再進(jìn)行吊孔填塞，這樣也可利于鉆孔排水，方便裝藥。爆破采用兩種裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥結(jié)構(gòu)如圖4。

圖 4 裝藥結(jié)構(gòu)圖(單位：m)Fig. 4 The charge structure of holes(unit:m)

① 吊孔填塞，采空區(qū)內(nèi)鉆孔均須穿透采空區(qū)頂板，裝藥前采用空氣間隔器進(jìn)行吊孔，并在間隔器上回填3 m巖粉。

② 間隔裝藥，其中吊孔3 m，上部填塞4 m，中間間隔3 m，在鉆孔上下部分裝藥段各放一個(gè)起爆藥包，每個(gè)起爆藥包雙發(fā)雷管，即每孔4發(fā)。

③ 底部裝藥，其中吊孔3 m，中間連續(xù)裝藥4 m，上部填塞4 m，雙發(fā)雷管起爆。

2.3 爆破網(wǎng)路

非電毫秒延期起爆網(wǎng)路，孔外微差，共采用10個(gè)段別，即2段～11段，其中底部裝藥孔與其他鉆孔間隔一段。從掏槽區(qū)域向外圍依次起爆，如圖3所示。底部裝藥孔先于其它炮孔50 ms起爆，以保證采空區(qū)頂板充分崩落。

2.4 爆破安全

由于距爆區(qū)166 m處有一正在施工的鎢選廠，爆破必須考慮爆破震動(dòng)對(duì)該廠房的影響，為保證安全，需控制單段最大爆破藥量，根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算[8]

(2)

式中：V為質(zhì)點(diǎn)最大允許速度，cm/s；R為測(cè)點(diǎn)到爆源中心距離，m；Q為裝藥量，即最大一段裝藥量，kg；K為與炸藥性質(zhì)、爆破方式、地形地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)；α為衰減系數(shù)。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況[9]，取K=150，α=1.5，由于鎢選廠為在建廠房，規(guī)定不同混凝土齡期取不同質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度，最大允許質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度與單段最大藥量關(guān)系見表3。

表3 不同混凝土齡期質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度與單段最大藥量Table 3 The relationship of particle velocity of blasting seismic in different age and maximum charge quantity

由于本次爆破的單段最大藥量為1591.8 kg，根據(jù)上表計(jì)算，須在爆破前確認(rèn)在建鎢選廠混凝土澆筑齡期大于3 d。

3 爆破效果

采空區(qū)爆破后如果采空區(qū)頂板完全垮塌并充滿采空區(qū)則爆破效果較好能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，因此利用體積平衡原理來評(píng)估采空區(qū)處理效果[10]，即爆破前采空區(qū)頂板體積與采空區(qū)體積總和理論上應(yīng)該等于爆破后爆堆體積與塌陷坑體積之和，如式(3)所示

vdk+vt=vd+vk

(3)

式中：vd為空區(qū)頂板體積，m3；k為松散系數(shù)；vk為采空區(qū)體積，m3；vt為爆破后形成的塌陷坑體積，m3。

根據(jù)采空區(qū)三維實(shí)體模型和爆破前、后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)得到計(jì)算參數(shù)，巖石松散系數(shù)由以往經(jīng)驗(yàn)取1.5，計(jì)算結(jié)果見表4。

爆破后采空區(qū)范圍內(nèi)地表出現(xiàn)明顯的塌陷，根據(jù)GPS測(cè)量結(jié)果塌陷坑深度約15 m，塌陷范圍接近2700 m2，結(jié)果與表4理論計(jì)算結(jié)果相近，同時(shí)存在一定誤差是由于松散系數(shù)取值以及采空區(qū)探測(cè)存在誤差等原因?qū)е?，但是此誤差在容許范圍之內(nèi)。由此說明該采空區(qū)頂板已經(jīng)完全塌陷，爆破處理后的填充效果達(dá)到預(yù)期，爆破前后對(duì)比如圖5所示。

表4 采空區(qū)體積平衡計(jì)算Table 4 Volume balance calculation of the goaf

圖 5 爆破前后對(duì)比圖Fig. 5 The comparison between before and after blasting

4 結(jié)論

(1)通過三維激光掃描及三維實(shí)體建模技術(shù)準(zhǔn)確、高效的獲取采空區(qū)參數(shù)，可以為采空區(qū)頂板穩(wěn)定性計(jì)算及采空區(qū)處理方案提供可靠依據(jù)。

(2)確定采空區(qū)最小安全頂板厚度具有重大意義，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的掌握處理采空區(qū)的最佳時(shí)機(jī)。

(3)對(duì)于四周無自由面可用，采空區(qū)頂板較厚，空間范圍內(nèi)夾制性很大的采空區(qū)可以在采空區(qū)頂板最薄的地方設(shè)置掏槽區(qū)，并通過改變?cè)搮^(qū)域內(nèi)的孔網(wǎng)參數(shù)以提高局部爆破單耗，同時(shí)在該區(qū)域內(nèi)合適的位置設(shè)計(jì)底部裝藥鉆孔并使其先于其它鉆孔至少50 ms起爆以提供一定的補(bǔ)償空間。

(4)利用體積平衡法可以比較準(zhǔn)確的判斷采空區(qū)頂板塌陷程度和充填效果，從而有效的評(píng)價(jià)采空區(qū)處理結(jié)果。