牛小明，潘 懿

(長沙礦山研究院有限責任公司，長沙 410012)

近年來，由于露天開采所具備的大型機械化以及高效資源回收率等諸多優(yōu)點，許多金屬礦山都利用地采轉(zhuǎn)露采的開采方法對隱患資源進行回收復采[1]。同時，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)劃設計，也沒有詳細的地下采空區(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)均在露天開采設計范圍之內(nèi)，必須對其進行處理，而充填法則存在二次裝運等問題，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49線590采空區(qū)是其中典型的大型復雜采空區(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

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)，利用了先進的三維激光掃描儀C-ALS分別于不同位置對其進行了四次掃描[3]，并將四次掃描結果進行復合，得到了該采空區(qū)較為準確的參數(shù)及三維實體模型[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)定性計算

保證采空區(qū)穩(wěn)定的前提條件是其實際頂板厚度大于理論計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、空場長寬比梁板理論計算法等[7]。

根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)查，49線590采空區(qū)頂板為灰?guī)r，采用以上各方法計算，得出不同采空區(qū)跨度相對應的采空區(qū)最小安全頂板厚度，計算結果見表2所示。

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

對以上采空區(qū)最小安全頂板厚度與采空區(qū)跨度相互關系計算結果進行統(tǒng)計得到以下結果如圖2所示。

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

根據(jù)以上統(tǒng)計結果，擬合出采空區(qū)最小安全頂板厚度與采空區(qū)跨度關系計算公式

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。

結合49線590采空區(qū)探測所得參數(shù)，根據(jù)上式計算得采空區(qū)頂板安全厚度h=34.48 m。根據(jù)采空區(qū)掃描參數(shù)及頂板厚度理論計算，在649 m平臺處理該采空區(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爆破。

采空區(qū)處理設計在+649 m平臺進行垂直穿孔，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)三維激光掃描探測資料，在采空區(qū)頂板最薄的位置布置加強孔掏槽以求形成補償空間，并在加強孔區(qū)域內(nèi)設計三個底部裝藥鉆孔，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)爆破時先爆底部裝藥的三個鉆孔，目的是向下拉開一定空間，使采空區(qū)頂板失穩(wěn)、變薄，同時由于只有底部裝藥也可以為鄰近炮孔提供補償空間。

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

3)最后依次分段延時爆破其它炮孔。

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間實踐經(jīng)驗，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)裝藥結構。為了準確統(tǒng)計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構，裝藥結構如圖4。

圖 4 裝藥結構圖(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起爆藥包，每個起爆藥包雙發(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對該廠房的影響，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)驗公式對其進行計算[8]

(2)

式中：V為質(zhì)點最大允許速度，cm/s；R為測點到爆源中心距離，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)場實際情況[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)點震動速度，最大允許質(zhì)點震動速度與單段最大藥量關系見表3。

表3 不同混凝土齡期質(zhì)點震動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)上表計算，須在爆破前確認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到預期目標，因此利用體積平衡原理來評估采空區(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)三維實體模型和爆破前、后現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)得到計算參數(shù)，巖石松散系數(shù)由以往經(jīng)驗取1.5，計算結果見表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測量結果塌陷坑深度約15 m，塌陷范圍接近2700 m2，結果與表4理論計算結果相近，同時存在一定誤差是由于松散系數(shù)取值以及采空區(qū)探測存在誤差等原因?qū)е拢谴苏`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到預期，爆破前后對比如圖5所示。

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

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

4 結論

(1)通過三維激光掃描及三維實體建模技術準確、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、準確的掌握處理采空區(qū)的最佳時機。

(3)對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)頂板最薄的地方設置掏槽區(qū)，并通過改變該區(qū)域內(nèi)的孔網(wǎng)參數(shù)以提高局部爆破單耗，同時在該區(qū)域內(nèi)合適的位置設計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償空間。

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