某地下采空區(qū)深孔爆破崩落治理工程實踐

張家斌 金 科

(1.廣德縣安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

采空區(qū)是影響礦山安全開采的一個重要因素，易于誘發(fā)大面積冒落、地表塌陷等災(zāi)害。為確保礦山安全開采，有必要有效消除采空區(qū)安全隱患。嚴(yán)成濤等[1]采用扇形炮孔微差爆破技術(shù)使某礦采空區(qū)與地表貫通形成了泄壓天窗，通過使采空區(qū)逐步自行垮冒作為無底柱分段崩落法的覆蓋層，實現(xiàn)采空區(qū)安全處理；針對昭通鉛鋅礦的采空區(qū)，喻清等[2]利用礦山尾礦充填地下采空區(qū)，有效控制了地表大范圍的巖體移動；秦國震[3]根據(jù)誘導(dǎo)冒落原理，采用中深孔爆破誘導(dǎo)冒落方法有效消除了腦峪門鐵礦的采空區(qū)隱患；翟會超[4]以排山樓金礦為例，提出了VCR法爆破開掘空區(qū)充填井技術(shù)、廢石強充+碎石混凝土接頂技術(shù)、鉆孔RG監(jiān)測技術(shù)，有效實現(xiàn)了采空區(qū)安全處理。本研究基于上述研究思路，根據(jù)某地下礦山采空區(qū)圍巖條件、采空區(qū)規(guī)模等因素，提出采用頂?shù)装迳羁妆票缆鋰鷰r充填采空區(qū)的治理方案，為礦山安全生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

1 工程概況

某地下礦山地表標(biāo)高為425～463 m，地面皆為林地，開采移動范圍內(nèi)沒有民房，地表允許陷落。礦體頂、底板圍巖整體穩(wěn)固性較好，工程地質(zhì)條件屬中等類型。礦區(qū)地勢南高北低，地形有利于自流排水。地表水主要補給源為大氣降水，地表無較大的水體，區(qū)內(nèi)地下水補給條件較差。礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬簡單—中等類型。當(dāng)開采標(biāo)高低于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面250 m時，預(yù)測未來礦坑涌水量會有所增大，應(yīng)作好坑道排水準(zhǔn)備。礦體呈透鏡狀斷續(xù)出露地表，礦體賦存標(biāo)高為502～196 m，走向55°，傾向NW，礦體上部傾角大于80°，中部傾角約60°，下部傾角約72°。礦山經(jīng)多年開采，294 m水平以上礦體已采完，目前控制的礦體賦存標(biāo)高為294～196 m。礦體沿走向長度約142 m，平均水平厚4.05 m，斜深約105 m，CaF2平均品位為77.37%。礦體產(chǎn)于斷裂帶中，頂、底板巖石以硅化破碎的花崗閃長巖為主，礦體與圍巖界線清楚，受斷層產(chǎn)狀控制。礦體受294，256，216 m中段等探采工程控制，礦體最低控制標(biāo)高為216 m。礦山采用淺孔留礦嗣后充填采礦法生產(chǎn)，采場開采完畢后采用掘進(jìn)廢石通過脈外運輸巷道充填采空區(qū)。由于256 m中段礦體厚大，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢石量不足，形成了較大的采空區(qū)，對礦山生產(chǎn)安全構(gòu)成了較大威脅，亟待進(jìn)行空區(qū)處理以消除安全隱患。

采空區(qū)底部標(biāo)高256 m，上部標(biāo)高289.4 m，最大長度45.89 m，最寬17.82 m；采空區(qū)上留設(shè)有高6 m的頂柱，頂柱內(nèi)下盤有294 m脈內(nèi)探礦巷道；294 m水平以上為原巖。采空區(qū)頂板為拱形，頂板暴露面積為693 m2，原總體積為16 480 m3。目前，已采用廢石回填至270 m水平，回填工程量9 700 m3，剩余空區(qū)體積為6 780 m3。

2 爆破治理方案

2.1 爆破方案

常用的采空區(qū)處理方法有：①崩落法，采用崩落的巖石充填采空區(qū)；②充填法，用充填材料支撐圍巖，可以減緩或阻止圍巖變形；③封閉法，在通往采空區(qū)的巷道中，砌筑一定厚度的隔墻，使空區(qū)中圍巖崩落所產(chǎn)生的沖擊氣浪遇到隔墻時能夠得到一定程度的緩沖[5-8]。綜合采空區(qū)特點以及礦山地質(zhì)環(huán)境條件，確定采用深孔爆破崩落治理方案，分別對采空區(qū)上盤、下盤圍巖進(jìn)行扇形孔爆破崩落，采用崩落的圍巖充填采空區(qū)，以平衡礦井地壓，消除采空區(qū)安全隱患，保證礦山生產(chǎn)安全。設(shè)計在空區(qū)上盤布置277，287 m水平2條鑿巖巷道，下盤布置1條287 m水平鑿巖巷道。

2.2 爆破參數(shù)

2.2.1 炮孔直徑

本著最大程度減少設(shè)備投資、充分利用礦山已有設(shè)備的原則，采用YGZ-90型潛孔鉆機進(jìn)行鑿孔；結(jié)合圍巖崩落范圍，綜合考慮空區(qū)規(guī)模、爆破塊度等，將鉆孔直徑確定為60 mm。

2.2.2 炮孔深度

炮孔深度L的選擇主要考慮鑿巖機類型、巖體性質(zhì)等因素，根據(jù)設(shè)計范圍進(jìn)行靈活控制。

2.2.3 最小抵抗線

當(dāng)單位炸藥消耗量和深孔密集系數(shù)一定時，最小抵抗線W與孔徑d成正比。對于中等堅硬巖石，W=(30～35)d[9-12]。

2.2.4 炮孔間距

對于扇形排列炮孔，炮孔間距分為孔底距a和孔口距b。孔底距是指由炸藥長度較短的深孔孔底至相鄰深孔的垂直距離；孔口距是指由堵塞較長的深孔裝藥端至相鄰深孔的垂直距離(圖1)[13]。

圖1 扇形深孔的孔間距

在設(shè)計和布置扇形深孔排面時，為使炸藥在巖石表面分布均勻，采用孔底距a控制孔底深度的密集程度，采用孔口距b控制孔口部分的炸藥分布，以避免爆破塊度過度粉碎。一般來說，a=(1.1～1.5)W，巖石堅硬時取小值，反之，取大值。通常孔底密集系數(shù)為1.0～1.3，孔口密集系數(shù)為0.4～0.7。巖石堅固性系數(shù)越大，要求的塊度越小，應(yīng)取較小值；反之，取大值。

2.2.5 單位炸藥消耗量

單位炸藥消耗量q的大小直接影響到巖石的爆破效果，其值大小與巖石的可爆性、炸藥性能以及最小抵抗線有關(guān)，通常按照表1選取。

表1 地下深孔爆破單位炸藥消耗量

2.2.6 單孔裝藥量

扇形深孔每孔裝藥量因孔深、孔距均不相同，通常應(yīng)首先計算出每排孔的裝藥量，然后按照每排長度和總堵塞長度，計算出每米炮孔的裝藥量，最后分別確定每孔裝藥量。每排孔裝藥量的計算公式為

QP=qWS,

2.3 扇形炮孔爆破參數(shù)

根據(jù)采空區(qū)情況，確定每個鑿巖巷道布置4排扇形孔，左右兩側(cè)對稱布置，爆破參見表2。

表2 扇形炮孔爆破參數(shù)

設(shè)計采用乳化炸藥，連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，炮孔堵塞長度≥1.5 m。采空區(qū)上下盤炮孔裝藥參數(shù)見表3。

采空區(qū)上下盤炮孔布置如圖2所示，鑿巖巷道左側(cè)炮孔對稱布置。

表3 采空區(qū)崩落炮孔裝藥參參數(shù)

圖2 采空區(qū)崩落炮孔布置

2.4 起爆網(wǎng)絡(luò)及起爆順序

為確保扇形孔安全起爆，每個炮孔配備2發(fā)同段別非電導(dǎo)爆管雷管；每排炮孔自下而上分別為1～9段雷管，采用簇連連接；相鄰2排采用10段雷管進(jìn)行延期。首先按順序起爆上盤277、287 m水平的炮孔，然后起爆下盤287 m水平的炮孔。

3 爆破施工安全措施

(1)在鑿巖巷道內(nèi)布置探測孔，首先探測確定采空區(qū)邊界，保證鑿巖巷道與采空區(qū)之間有足夠的安全距離，確保鉆孔、爆破施工安全。

(2)對現(xiàn)場施工人員進(jìn)行安全教育培訓(xùn)，并做好安全技術(shù)交底工作。

(3)打鉆人員進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場后，必須首先進(jìn)行敲幫問頂，仔細(xì)檢查作業(yè)范圍內(nèi)的頂幫安全狀況，確認(rèn)安全后，方可進(jìn)行作業(yè)。固定鉆機時，必須將鉆機固定于安全可靠的區(qū)域。

瑞士聯(lián)邦計量研究院 (METAS)是瑞士的官方權(quán)威機構(gòu)，負(fù)責(zé)所有計量相關(guān)事宜，以及檢測用于計量的設(shè)備和相關(guān)程序。作為獨立的第三方機構(gòu)，瑞士聯(lián)邦計量研究院處于瑞士精準(zhǔn)度測量領(lǐng)域的前沿，能夠準(zhǔn)確公正地制定精準(zhǔn)度標(biāo)準(zhǔn)。

(4)鉆孔時應(yīng)勻速慢進(jìn)，作業(yè)人員必須認(rèn)真觀察鉆機運轉(zhuǎn)情況及頂板、兩幫圍巖情況，防止掉頂、片幫傷人或損壞機器。

(5)在施工區(qū)域附近設(shè)置安全警示標(biāo)志，防止無關(guān)人員進(jìn)入作業(yè)區(qū)域。

(6)嚴(yán)格按照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)進(jìn)行爆破作業(yè)，做好爆破器材的安全管理工作，特種作業(yè)人員應(yīng)持證上崗。

(7)做好爆破安全警戒工作，在主要巷道口設(shè)置爆破警戒牌，確保全部人員和設(shè)備撤離至安全地點后，經(jīng)確認(rèn)安全后方可進(jìn)行起爆。

(8)爆破后應(yīng)進(jìn)行足夠時間的強制通風(fēng)，經(jīng)監(jiān)測確認(rèn)井下空氣質(zhì)量合格后，方可進(jìn)行爆破檢查工作。

(9)做好井下重要設(shè)施的保護工作，避免圍巖塌落沖擊波造成危害。

(10)爆破作業(yè)均應(yīng)使用符合國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的爆破器材。

(11)在實施爆破作業(yè)前，應(yīng)對所使用的爆破器材進(jìn)行外觀檢查，對使用的儀表、電源等進(jìn)行必要的性能檢查。

4 施工組織安排

(1)裝填爆破前3 d，由技術(shù)組負(fù)責(zé)對炮孔進(jìn)行2次實測、復(fù)核計算實測后的爆破藥量、雷管數(shù)量、安全距離等，并填寫“深孔裝填施工設(shè)計表”。

(2)裝填爆破前2 d：①由施工組負(fù)責(zé)將深孔鉆機以及無關(guān)的設(shè)備、工具、材料撤移至地表安全處；②安全組檢查工作面的安全狀況，將浮石撬凈，保證工作面施工安全。

(3)裝填爆破前，由施工組根據(jù)技術(shù)組提供的數(shù)據(jù)領(lǐng)取炸藥、雷管等爆破器材，并分類、分批搬運至工作面。安全組負(fù)責(zé)安排人員監(jiān)督、守護。

(4)裝填當(dāng)天班前，由副總指揮負(fù)責(zé)，組織所有參加爆破作業(yè)人員召開班前會，明確施工組、技術(shù)組、安全組、警戒組等各組人員的職責(zé)與技術(shù)要求；講解與爆破有關(guān)生產(chǎn)、技術(shù)、安全事項，交代人員進(jìn)出路線，連炮、點炮時間，有關(guān)人員做好記錄。

(5)裝藥時，施工組組織人員裝填，技術(shù)組負(fù)責(zé)現(xiàn)場技術(shù)把關(guān)，技術(shù)組人員帶好圖紙和裝填設(shè)計表，對每一個孔的裝藥長度、導(dǎo)爆索長度、雷管個數(shù)和段數(shù)等進(jìn)行讀數(shù)和驗證，安全組進(jìn)行安全監(jiān)督。

(6)裝藥結(jié)束后，由副總指揮指派技術(shù)組人員和有經(jīng)驗的爆破施工人員進(jìn)行聯(lián)線，聯(lián)線前，無關(guān)人員應(yīng)撤離至地表安全區(qū)域。

(7)爆破作業(yè)當(dāng)天，井下所有作業(yè)人員應(yīng)進(jìn)行入井和升井登記，警戒組記錄人員入井地點時間和升井地點時間，規(guī)定從何處入井就從何處升井。

(8)炸藥裝填聯(lián)線完畢后，應(yīng)由有經(jīng)驗的爆破員組成的檢查組進(jìn)行起爆網(wǎng)絡(luò)檢查，檢查組人數(shù)不得少于2人。在確認(rèn)無關(guān)人員、設(shè)備、火工材料已全部安全撤離，井下風(fēng)、水、電路閘門關(guān)閉后，總指揮下達(dá)點火命令。

(9)爆后通風(fēng)確認(rèn)炮煙已完全排除干凈后，經(jīng)檢測滿足安全要求后，由恢復(fù)生產(chǎn)組負(fù)責(zé)對爆破工作面及相鄰工作面進(jìn)行安全檢查，主要檢查有無盲炮、殘藥，爆堆是否穩(wěn)定等。確定安全后，通知有關(guān)工作面恢復(fù)作業(yè)。

(10)機電維修組應(yīng)確保電力、通訊、壓風(fēng)等設(shè)備的正常使用，后勤組應(yīng)保證車輛調(diào)配和后勤補給。

(11)爆破前通知礦區(qū)周圍居民，避免造成人員傷害事故。

5 結(jié) 語

為消除某礦采空區(qū)安全隱患，設(shè)計采用頂?shù)装鍑鷰r深孔爆破崩落方案治理后，經(jīng)檢查采空區(qū)崩落巖石充填較好，充填率達(dá)95%以上，鑿巖巷道口崩落的巖石塊度均勻，有效消除了采空區(qū)安全隱患。