米子军

(太钢集团岚县矿业有限公司)

·安全·环保·

切割诱导爆破处理群布采空区的实践

米子军

(太钢集团岚县矿业有限公司)

针对如何一次性安全有效地消除复杂、多层群布采空区对矿山生产的制约，根据空25群的地质赋存及特点，确定了安全顶板厚度，采用切割孔爆破，诱导上下层采空区间的隔板塌落，运用Shotplus软件进行爆破设计及处理效果模拟。通过实践，取得了预期的效果，对群布采空区的处理具有一定的参考价值。

群布采空区 切割孔 诱导爆破 安全顶板厚度

太钢袁家村铁矿位于山西省岚县梁家庄乡，矿山设计规模为2 200万t/a，目前是我国规模最大的冶金矿山，现处于山坡露天开采阶段，采用自上而下逐水平缓帮开采方法、横向采剥工艺。

由于铁矿石细度较细，以往因为技术原因，未获得较佳的选矿指标，因此一直未能实现规模开采，但区内有数十家民营企业进行地下开采，以开采高炉富矿和深部原生矿为主。开采富矿是沿矿体走向方向开采，开采原生矿是沿深度方向下掘，加之这些小矿山批准的矿区面积狭小，普遍存在水平方向和垂直方向的越界开采，往往是几个矿山在同一位置、不同深度多阶段掠夺性开采，形成很多地下采空区。

采空区的存在给生产带来严重影响。采空区一旦失稳，将会引起地表沉陷，对机械设备和人员的生命安全造成威胁。近年来随着对采空区的研究日趋深入，在采空区的安全处理方面取得了不少成果[1]。本文采用切割诱导爆破、单次处理空25群采空区，为后续处理工作提供参考依据。

1 空25群地质条件及概况

通过超深孔发现空23和空25，潜孔钻反循环钻机发现了空25-2。因空23、空25、空25-2在空间分布上互相毗邻、重叠，通过巷道互相连通，形成群布采空区，简称空25群。

1.1 地质条件

空25群位于采场1 710 m水平中部，南1.05～南1.15勘探线。矿石主要为闪石型假象赤铁矿，易爆；围岩主要为辉绿岩，无明显破碎带，空区群稳定性较好。

空25群西侧距离设备停放平台450 m，北部距采场2#道路380 m，距半移动式破碎站540 m；该群布采空区50 m范围内无其他空区。

1.2 概 况

激光三维扫描结果显示，空25群包含的3个采空区规模大小不等，顶底板水平不一，形态较复杂。空23、空25在高程上近似为1 710 m，为第一层；空25-2在1 690 m水平，为第二层。水平投影上，第一层和第二层相互重叠。用Surpac软件进行模型复合，得到了空25群的三维模型及参数，见图1及表1。

图1 空25群三维模型

表1 空25群参数

1.3 特点

(1)采空区群位于1 710 m水平中部，只有上部和空25-2空腔2个自由面，需保证顶板向空腔崩落。

(2)穿孔设备不具备穿透多层空区能力，空25与空25-2之间隔板部位不能穿孔；爆破设计时需考虑隔板的处理。

(3)空25-2内部有保安矿柱，顶板崩落前需先爆破该矿柱。

(4)3个采空区呈上下重叠分布，考虑到最小顶板安全厚度，不能先后处理，需一次性处理。

2 处理方法的选择

处理采空区的方法主要有崩、充、撑、封及联合法[2]。崩落顶板法和充填法技术成熟，应用广泛。

根据矿山现有设备及施工技术条件，初选了硐室崩落法、尾砂充填法、深孔分层爆破崩落法、深孔切割诱导爆破崩落法4种方案。

2.1 硐室崩落法

该方法在空区内部施工，一次崩落至地表，使采空区塌落。该采空区与地表无连通巷道，且空区内部复杂、工程量大、安全施工条件差。因此，该方法不宜采用。

2.2 尾砂充填

尾砂充填系统建设投资大、充填量大、运营成本高、工艺复杂，最重要的是充填物充填至采空区后难以和矿石区分，回采时矿石贫化。因此，此方法不宜采用。

2.3 深孔分层爆破崩落法

该方法在保证空区安全顶板厚度的前提下，利用台阶坡面及空区空腔为自由面，深孔分层爆破处理空区[3]。

采用该思路处理完上部的空23和空25后，隔板厚度小于安全顶板厚度，铲装设备及穿孔设备作业安全不能得到保证。因此，该方案不宜采用。

2.4 深孔切割爆破崩落法

该方法第一层采空区采用深孔爆破崩落法处理，沿着上下2层重叠部位的外沿布置2排加密切割孔，通过切割孔爆破和空区群塌落矿石的冲击诱导隔板崩落，一次性处理该群布采空区[4]。

该方法对切割孔施工要求严格，特别是保安矿柱、深孔上下分层之间延期时间的选择必须精确，起爆网路较复杂，且爆后大块率较高。但此方法作业安全性较好，能与采场台阶推进有效结合，因此，最终选择该方法。

3 切割诱导爆破崩落法方案设计

3.1 空区顶板安全厚度

根据《太钢袁家村铁矿采空区上部露天开采稳定性及采空区处理技术研究总结报告》中的关于2#矿体镜铁矿顶板安全厚度计算公式[5-6]：

h=0.695b-0.183 ,

(1)

式中，h为保安层厚度，m；b为采空区最大跨度，空23的最大跨度为22.6 m。

计算得出保安层厚度为15.5 m。从主视图上可以看出空区顶板到1 710 m水平的最小垂直距离为16 m，基本接近顶板安全厚度，因此选在1 710 m水平处理空25群。

3.2 爆破设计

3.2.1 孔网参数

采用三角形布孔，孔距为3.5 m,排距为3.5 m，切割孔布置在空23、空25与空25-2 的水平投影轮廓线位置，双排布置，孔距为3.5 m，空区顶板上方的炮孔深度为钻机穿透顶板的自然深度。

3.2.2 炸药单耗

根据以往空区处理的经验，炸药单耗取相同部位正常台阶深孔爆破炸药单耗的1.3倍，因此，本次爆破处理空25群的炸药单耗取0.8 kg/m3。

3.2.3 药量计算

在进行单孔药量计算时，前排孔采用

Q=qaW1H，

(2)

后排孔采用

Q=kqabH,

(3)

式中，q为单位炸药消耗量,kg/m3;a为孔距,m;b为排距,m;W1为底盘抵抗线,m;H为台阶高度,m;k为考虑受前面各排孔的矿岩阻力作用的增加系数,1.1～1.2。

3.2.4 装药结构

采用多孔粒状铵油炸药，空25-2及切割孔间隔装药，分上下2段，下段孔底部回填3m，为了保证装药充填系数大于75%，上下分段选在中部进行间隔，上部回填7m。装药结构见图2。

透孔采用铁丝吊孔后，逐孔底部回填长度为 3m的岩渣，防止炸药漏入空腔；孔深大于30m的间隔装药，中部间隔3m；孔深小于30m的连续装药，顶部均留4m回填段。

3.3 穿 孔

采用JK580潜孔钻机，孔径为140mm。按设计顶板上部孔全部穿透；沿着上层空23、空25与下层空25-2的重叠部位的外延布置2排加密切割孔；保安矿柱上部布置2个深孔，打到空25-2底板标高。见图3、图4。

图2 切割孔装药结构

图3 孔位布置

图4 垂直孔剖面(单位：m)

3.4 起爆网路

采用澳瑞凯高精度雷管、山东银光起爆具，地表选用17，25，65 ms延期雷管，孔内微差选用375，400 ms延期雷管。

保安矿柱上的2个孔采用孔内微差，下部选用36 m脚线的375 ms雷管，上部选用22 m脚线的400 ms雷管，间隔装药。

选择在空25中部为起爆位置，以下部空区为自由面，中间掏槽起爆，开创自由面后，倒VCR法逆向掏槽，为周边深孔爆破创造充足的侧向自由面。

空25-2深孔采用孔内微差，下部选用36 m脚线的375 ms雷管，上部选用22 m脚线的400 ms雷管，间隔装药。

空25与空25-2重叠部位的外延布置双排加密切割孔，孔内选用375 ms雷管，保证与空25-2深孔同响。

地表网路延期时间为孔间25 ms，排间65 ms，孔内400 ms。保安矿柱与中部起爆有65 ms的间隔时间。

采用澳瑞凯公司的Shotplus软件进行爆破设计。见图5～图7。

图5 孔内微差起爆模拟

图6 网路等时线

图7 顶板位移示意

4 施工组织及安全措施

由于该空区地质条件复杂，孔数多，多台潜孔钻机同时施工，特别是顶板上部孔全部按设计要求穿透，必须保证施工安全，采取了如下措施[7]：

(1)临时组织了群布采空区处理小组，设测量、施工、安全3个小组，分别负责GPS逐孔布置孔位，穿孔爆破作业，穿孔过程监督及安全检测，如发现异常，及时组织撤离。

(2)穿孔过程中实时验收采空区成孔，详细记录并与炮孔所在垂直剖面对比，判断孔深不符合原始设计要求的异常孔是否补打，并在所有的孔穿完后形成验孔总结，为逐孔药量的设计提供依据。

(3)对圈定的采空区范围所有穿透的炮孔进行吊孔，用编织袋扎成球状体或圆柱体，用铁丝吊至空区顶板上方约0.3 m处固定好，先用较大石块填充，后用岩粉充填，不断探测充填长度，直至达到设计回填高度。装药过程中按照逐孔设计药量装药，所有孔装药结束后，统计装药量。

(4)计算最小安全距离。

根据硐室爆破个别飞石安全距离计算公式：

Rf=20Kfn2W,

(4)

式中，Rf为爆破飞石安全距离，m；Kf为安全系数，取1.5；n为爆破作用指数，取1；W为最小抵抗线，取5.5 m。

计算得到爆破飞石最小安全允许距离165 m。

根据爆破冲击波的安全允许距离经验公式：

(5)

式中，Q为最大一响药量，本次爆破有7个孔同响，药量合计为1 820 kg。

计算得到爆破冲击波的安全允许距离为305 m。

综合考虑爆破飞石安全允许距离及爆破冲击波安全允许距离，确定本次爆破警戒距离为400 m。

5 采空区处理效果

根据爆破方案认真组织施工，成功实施了爆破，本次爆破共使用炸药58 t，单耗约0.81 kg/m3。采空区爆破体积指标见表2。

表2 采空区爆破体积指标 m3

工程名称空腔体积顶板体积爆前爆后1740-2-空23630913626.9194401740-2-空25185412173.914260.9空25-212319.329188.338782.5空25-2与空23间隔板5353.35353.3空25-2与空25间隔板5817.45817.4合计20482.366159.883654.1

采用体积平衡原理(空区顶板体积×松散系数=空腔体积+爆破后空腔上部爆堆体积)验证空区爆破处理效果,得出爆前计算体积为99 239.7m3(松散系数为1.5)，爆后总体积为104 136.4m3，体积差为4 896.7m3，占比为4.9%，取得了很好的效果。

6 结 论

(1)在空区资料不明地段及塌陷区内作业，必须先做超前钻孔设计和探测施工，核实空区状况，确定空区内有无保安矿柱及隔板等，为爆破设计提供技术支持，根据安全顶板厚度选择处理位置。

(2)采用澳瑞凯公司的shotplus软件进行爆破设计，准确快捷，特别是对上下分层孔内微差、多个起爆点起爆时起爆网络的安全及起爆顺序能否满足设计要求，具有直观、有效的作用。

(3)采用体积平衡原理对采空区处理情况进行定性分析，可判断采空区是否充填完全，对采空区上部设备、人员安全具有指导意义。

(4)实践证明，采用切割诱导爆破崩落法处理群布空区效果明显，是一种经济有效的方法，保障矿山正常生产的同时，消除了安全隐患，为今后处理类似空区积累了经验。

[1] 刘玲平.大型复杂采空区处理方法的研究和应用[J].采矿技术,2008,8(1):75-77.

[2] 刘敦文，古德生，徐国元，地下矿山采空区处理方法的评价与优选[J].中国矿业，2004(8)：52-55.

[3] 臧 龙,贾传鹏,张士磊.露天深孔爆破崩落法处理地下采空区实践[J].现代矿业,2014,30(4):10-14.

[4] 周宗红，马钢桃，马维富，诱导冒落技术在空区处理中的应用[J].金属矿山，2005(11)：73-74.

[5] 蓝 宇，张小良，潘 懿.复杂群采空区稳定性计算与评价[J].采矿技术，2013(3)：71-73．

[6] 柳小波,彭建宁.采空区顶板破坏机理研究及安全厚度确定[J].金属矿山，2012(11)：5-8.

[7] 中国工程爆破协会.工程爆破理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2004.

Practice on Disposing the Goafs Distributed in Groups by Cutting Blasting Induced Method

Mi Zijun

(Lanxian Mining Co., Ltd., Taiyuan Iron & Steel(Group)Co., Ltd.)

Aiming at eliminating the restriction of complex and multilayer goafs distributed in groups to mine production safety and effectively at once, according to the geological occurrence and characteristics, the thickness of safety roof is determined. The clapboard caving between the upper and lower goafs is induced by the cutting hole blasting method. The Shotplus software is used to conduct blasting design and simulate the blasting effects. The application results show that the desired effects is obtained, therefore, it can provide some references for dealing with the goafs distributed in groups.

Goafs distributed in groups, Cutting holes, Blasting induced, Thickness of safety roof

2015-03-19)

米子军(1964—)，男，总经理，高级工程师，033599 山西省岚县。