露天開采地下采空區穿爆技術研究與應用

摘 要：通過對露天開采地下采空區對穿爆工作的影響原因研究，發現影響生產的關鍵問題。采用空區探測技術首先確定空區的空間狀態，然后根據空區的幾何形態對不同部位采用各異的穿孔方案，經過精細的單孔藥量計算，形成精密的起爆網絡圖，進而解決制約露天生產的技術難題。

關鍵詞：采空區 空區探測 牙輪穿孔 單孔裝藥量 起爆順序

中圖分類號：TD325 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0063-04

由于歷史原因，露天采場存在大量未知的地下采空區。當采空區開采現狀（包括開采高度、開采面積等）沒有詳細資料，并且采空區不具備人工進入探查的條件時，嚴重影響露天開采效果。尤其當露天開采中遇到地下不明采空區時，不僅給作業人員和設備帶來安全隱患，而且由于穿爆環節組織難度大，影響爆破效果，也進一步增加了鏟裝、運輸工序的工作難度，造成生產成本大幅升高。如何解決穿孔爆破問題是克服地下采空區給生產安全帶來影響的關鍵問題。（見圖1、2）

1 前期處理辦法及存在問題

在各個露天礦山發展過程中，都不同程度受開采規模、周邊土地條件、擴采深采等問題的困擾，尤其是部分擴采礦山更受前期非正常開采帶來的遺留問題限制，不得不解決前期遺留問題，例如地下采空區的問題。目前，國內各露天礦山擴建速度均處于高速發展狀態，合理的開采空間、合格的爆破在產品是擴建工程進度的有力保障，穿爆工序在擴建工程中位置已經舉足輕重。但是，由于地下采空區的不確定性，該生產帶來了很大影響。

（1）由于采空區未知，原來在空區部位作業需要摸索進行，即在空區部位按照正常孔網進行穿孔，所有爆區設計孔作業結束后，對所有穿透的空區孔進行實際測量，并對空區部位重新作業適當加密孔網。

（2）對設計爆區進行施工爆破作業時，首先將氣體間隔器或適當長度的木電柱裝到孔底或適當高度，然后回填適當巖渣，確保裝藥時火藥不漏到采空區內，之后爆區連線起爆。

這樣做之后，由于穿孔、爆破施工處于被動、補救狀態，使穿爆效果難以滿足下道工序的需要，存在諸多問題。

（1）由于穿透孔較多，加之孔壁粗糙，尖銳凸出，間隔期和木電柱下到孔底非常困難，需要浪費大量的間隔器和木電柱。

（2）穿透地下采空區的炮孔裝藥時部分炸藥漏入空區，裝藥高度難以控制，難以實現漏入空區的炸藥的爆轟甚至無法起爆，對后續開采帶來重大隱患，增加了爆破成本。

（3）爆破后產生大面積的根底和大塊，降低電鏟鏟裝效率和提高鏟裝成本。

（4）牙輪鉆機穿孔產生更多的廢孔，并且在空區部位穿孔容易產生夾桿現象，造成鉆桿折斷或鉆頭和穩桿器掉在空區內的現象，為選礦廠過鐵埋下隱患。

2 方案研究及技術實施

要解決空區的不確定性給穿爆帶來的巨大影響，首先應該解決確定空區形態的問題。根據目前礦山比較常用的空區探測方法，選擇淺層地震影像法、高密度電阻率法和瞬變電磁法的空區探測技術，初步探測出采空區的空間形態，之后利用牙輪鉆機進行進一步探測驗證（有限地幾個孔），按照結果有針對性的分區進行鉆機穿孔作業，對牙輪鉆機作業的所有孔（包括驗證孔）進行有針對性的裝藥計算，選擇合理的起爆網絡，進而實現良好的爆破效果，具體做法如下。

2.1 應用淺層地震影像法、高密度電阻率法和瞬變電磁法的空區探測技術探測爆破區域的空區狀態

目前，淺層地震影像法、高密度電阻率法和瞬變電磁法的空區探測技術已經廣泛應用于探測露天礦山存在的地下采空區。該方法經過結合現場生產實際情況和前期發現的問題，可以基本掌握地下采空區的空區存在形態。同時，由于該方法實施靈活，解譯軟件可以隨時根據實際情況進行修正，優化，可以滿足指導牙輪穿孔作業的需要。（見圖3）

2.2 牙輪鉆機穿孔作業

（1）在空區頂板穿孔時，用牙輪鉆機穿第一個孔時必須穿透，驗證用空區探測方法探測的空區是否準確，如果有誤差，根據穿孔情況對空區深度、范圍進行修訂，然后對修訂完的結果進行重新驗證。如果通過驗證能夠確定空區的位置后，對其它位置的穿孔不穿透，預留厚度為整個頂板厚度的1/4，空區的孔網按照能夠穿孔的孔深要求來布置。

（2）如果采空區內有礦柱，礦柱的中央必須進行穿孔，如果礦柱的直徑大于6 m時，根據礦柱的巖石性質，按照正常孔網參數50%穿加密孔，這些炮孔都進行間隔裝藥，底部采用高威力的2#巖石炸藥用以克服根底，上部采用普通炸藥用以克服大塊。

（3）根據探測結果在采空區周圍邊界線3 m處穿一圈全段高的鉆孔，該部分鉆孔超深必須保證3 m以上，該部分炮孔孔距為正常孔距的70%，用于克服采空區的根底，該部分炮孔也采用間隔裝藥的方法，底部裝高威力的2#巖石炸藥，克服采空區的根底，鉆孔的上部裝普通炸藥用以克服大塊。

（4）在具備條件情況下，穿孔時一個空區（除單獨巷道外）盡可能的一次穿爆完成，否則爆破時剩余的空區位置都被震塌，影響穿孔，將形成大面積的大塊、根底。（見圖4）

2.3 爆破設計及計算

目前在空區作業過程中根據爆破施工要求有一部分孔必須穿透空區，一部分孔在底板保留空區底板厚度的1/4，以更好的裝藥。對于在空區部位的孔不能按傳統的藥量計算方法進行計算，根據在弓長嶺露天礦采場空區部位作業經驗對其炸藥計算方法總結如下。

（1）對于在空區部位需要穿透的炮孔，先從頂板開始1.5 m處安裝一個氣體間隔器，然后在間隔器上填上巖渣，保證巖渣和空氣間隔器的高度h2一般為空區頂板高度減去1.5后的1/4，處理完成后然后進行裝藥，具體的施工過程和藥量計算方法如下所示，裝藥結構圖如A所示。

①計算線裝藥密度：q1=1/4×π×d2×ρ

②根據礦巖性質、炸藥性質、鉆孔直徑、經驗選取炸藥單耗q。

③憑經驗和現場條件選取填塞高度，一般取處理完底部后剩余的鉆孔深度L的1/3。

④根據鉆孔深度和線裝藥密度計算單孔最大裝藥量：Qm=q1×L×2/3

⑤計算單孔負擔面積。

單孔爆破體積：V=a×b×H；由炸藥單耗q=Q/V=（q1×L×1/3）/（a×b×H）S1=a×b=（q1×L×1/3）/（q×H）

⑥根據單孔負擔爆破面積和炸藥單耗計算單孔裝藥量：Q=q1×S×H

⑦當Q>Qm時，調整單孔爆破面積使Q=Qm，重新計算計算單孔爆破負擔面積S=Qm/（q1×H）；當Q1<=Q時，取爆破負擔面積S=S1。

⑧爆破施工布孔時根據爆破負擔面積S和現場具體情況確定a、b。

⑨施工完成后根據Q=q1×a×b×H計算單孔裝藥量。

（2）對于在空區部位不需要穿透的炮孔，根據孔深、裝藥類型、炸藥單耗等參數計算孔網參數，具體計算方法同1，裝藥結構如圖B所示。

設：H為頂板高度L為鉆孔深度；a為孔距；b為排距；

S為單個炮孔負擔的爆破面積；q1為線裝藥密度；

Qm為根據線裝藥密度和最大的裝藥高度計算的單孔最大裝藥量；

Q為根據炸藥單耗和孔網參數計算的單孔裝藥量；q為炸藥單耗量；Ф為炮孔直徑；ρ為裝藥密度。（見圖5）

（3）采空區周圍邊界線處全段高的炮孔按正常爆破藥量進行裝藥。

（4）裝藥后進行爆破作業，爆破時根據穿孔和施工情況必須合理的確定起爆順序，確定起爆順序的原則是沒有空區的位置先行爆破，如果具備條件的情況下，礦柱上的穿孔采用同時起爆方法。（見圖6）

圖6：起爆網絡圖（圖中紅色區域為地下采空區，采空區中心處為兩個礦柱）

3 應用后效果與推廣意義

該研究于2010年在弓長嶺露天礦露天采區開始應用后，取得了明顯的效果。一方面牙輪鉆機作業實現了有目標、有計劃、有措施的作業，降低了廢孔率和設備備件消耗；另一方面極大地改善了爆破效果，使爆破在產品滿足下道工序的需要，根底率達到普通爆破的效果，爆破質量實現了質的飛躍，解決了制約露天生產的巨大難題。具體指標如下。

（1）通過在采區的地下采空區位置實施新的技術方案，空區位置的大塊率比實施前降低80%，根底減少50%。尤其是在牙輪鉆機施工組織過程中，基本沒有產生鉆桿、穩桿器、鉆頭掉在空區中的現象。

（2）在實施過程中沒有發現沖炮等容易發生安全事故的情況。

（3）通過實施，在空區位置的爆破炸藥單耗降低0.12 kg/t。

（4）通過實施，空區部位的電鏟效率比以前提高了30%。

考慮到采空區穿爆技術應用的普遍性，該研究與應用于2012年在附近礦山進行試驗應用。通過一年多的應用，也取得較好效果，說明，該方法適用于存在相同問題的其他礦山，具有推廣應用的意義。

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