某鉛鋅礦采空區處理與礦柱爆破的協同技術

辛文彬，張際敏，林春霞，萬串串，崔 松

(1.應急管理部礦山救援中心，北京 100013；2.江西耀升鎢業股份有限公司，江西 贛州 341321；3.礦冶科技集團有限公司，北京 102628；4.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心，北京 102628)

近年來，國家針對礦山采空區處理問題出臺了系列相關政策，明確了采空區安全隱患有序規范治理的要求[1-2]。為有效治理采空區安全隱患，國內學者做了大量的研究工作，取得了積極進展。陳慶發等[3-5]探討了采空區協同利用機制。付建新等[6]提出了硬巖礦山采空區損傷失穩機制與穩定性控制技術。李俊平等[7]列舉了采空區處理方法的研究進展，專門闡述了切槽放頂法、切頂與礦柱崩落法、V型切槽上盤閉合法、硐室及深孔爆破法等聯合處理方法。陳友東等[8]提出了類框架結構采空區處理新技術，可降低出礦二次損失和貧化。胡建軍等[9]提出了誘導減振崩落技術處理國內特大型采空區的方法。任鳳玉等[10]發展了一種采空區預留礦柱與充填協同處理技術，實現了采空區的廢石充填。徐必根等[11]通過構建系統的地壓和位移監測網絡，對特大采空區崩落處理提供了安全保障。方翔等[12]提出了無側向自由面強制爆破處理采空區的技術，有效消除了大寶山露天礦下采空區的影響。這些研究成果為本項目采空區處理技術研究及方案制定提供了豐富的技術參考。

1 礦山開采現狀

某鉛鋅礦主要開采1#、9#礦體，采礦方法主要是分段鑿巖階段礦房法，中段高度是60 m，分段高度是11 m。1 005 m中段1#礦體已垮通地表，形成泄壓通道，采空區垮塌不會對井下生產及系統造成破壞。1 005 m中段9#礦體采用自上而下的回采方式，先采1 005 m中段，945 m中段基本完成開拓工程，1 005 m以上共4個分段，分別為1 016、1 027、1 038、1 049 m；該礦體共劃分2個采場，分別為1901及1902采場，中間采用礦柱隔開，礦柱寬24 m，2個采場除底部結構未回收外已經基本回采完畢。

1901采場回采至1 038 m標高位置，形成采空區約1 800 m2，采空區頂板離地表12～15 m。該采空區西部邊幫靠近斷裂帶，部分垮塌，采空區南部下盤1 027 m分段巷道已大部分垮塌。1902采場部分回采至1 049 m標高(礦體西低東高)，形成采空區面積約1 500 m2，采空區頂板離地表15 m左右。上述2個大的采空區，無通地表的泄壓通道，如頂板出現大面積垮塌，則極可能對井下生產及系統造成災難性破壞。采空區現狀如圖1所示。

圖1 9#礦體采空區現狀Fig.1 Mine goaf current situation of 9# ore body

2 礦山存在問題分析

1)9#礦體1 005 m中段以上采空區沒有與地表貫通，如采空區發生大面積垮塌，所形成的沖擊波勢必對井下人員、設備造成較大破壞，因此，1901、1902采空區必須盡快破頂，形成覆蓋層及泄壓通道，解決采空區安全隱患。

2)945 m中段正在進行采準工程施工，目前存窿礦量僅維持選廠生產至2016年3月底(當時數據)，若考慮1#礦體底部從2016年2月開始采用深孔拉塹溝，副產礦量約5～6 萬t，因此，公司選廠將面臨至少1個月無礦可選的境地，亟需回采9#礦體1 005 m中段24 m隔離礦柱，以保證選廠持續供礦。

3 采空區頂板強制崩落技術

3.1 方案選擇

由于9#礦體上部形成采空區面積較大，高度較高，且沒有貫通地表，當務之急是先破頂開天窗，盡早形成泄壓通道及覆蓋層，然后再考慮礦柱回采及空區處理等難題。為此，初步制定了2種方案。

方案1：首先在位置①進行采空區頂板破頂，破頂完成后，按照先超前處理部分采空區，接著回采部分礦柱的總體思路，1901采空區分2次爆破破頂，1902采空區分3次爆破破頂，礦柱采場分5次爆破，具體實施的先后順序以圖中編號為準(見圖2)，礦石廢石分采分運，礦石部分保證入選品位以上，其他按廢石運至地表廢石堆場。

圖2 礦柱回采與采空區分步分區同步處理方案Fig.2 Synchronous processing scheme of pillar recovery and mine goaf partition

方案2：首先在位置①進行采空區頂板破頂，破頂完成后，從1 005 m中段底部結構鏟出部分礦石，出礦的過程不能露出眉線，后續立刻進行②、③、④、⑤連續爆破，即每次爆破后補償空間足夠的條件下不立即出礦，即可準備下一次爆破，最短的時間內完成礦柱礦石的爆破工作，礦柱采場崩完后，借助地表對采空區1901、1902進行監測，在保證安全的條件下盡早完成出礦(見圖3)。

圖3 礦柱連續崩落方案Fig.3 Pillar continuous caving scheme

2種方案的優缺點對比如表1所示，由表可知方案1分步處理1901、1902采空區頂板，可保證采空區崩落在可控范圍內，但現場施工炮孔難度很大，并且炮孔需穿過角礫巖層，無法保證炮孔成形。方案2集中崩落礦柱，提高礦柱回采率，對選廠可快速供礦，緩解礦石供應短缺難題，但缺點是兩側采空區頂板垮落相對不可控。綜合考慮各方案的優缺點，推薦方案2，但需詳細論證礦柱爆破破頂方案。

表1 2種方案優缺點對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of two schemes

3.2 爆破施工及效果

9#礦體對應的地表為自然山體，附近200 m區域無建(構)筑及其他設施，爆區內無永久性保護設施，區外西南側200 m以外的平硐口附近有礦山壓風機站及輔助建筑設施、水泵房及熱風爐站，東側600 m外為東風井建筑及風機設施。

礦體頂底板為混合巖，混合巖屬于堅硬的、不易變形的巖層，穩定性好。礦石類型為石英-螢石-硫化物膠結的致密長石角礫巖型，抗壓強度445.9～20.21 kg/cm2，相當于f=5～20。礦石密度2.85 t/m3，巖石密度2.7 t/m3，礦石松散系數1.6～1.72，按1.6計算。9#礦體地下水來自第四系沖積沉積層孔隙水，涌水量較小，水文地質條件簡單。

1)爆破范圍。本次爆破是9#礦體1 005 m中段礦柱采場1 038 m分段破頂扇形深孔爆破，破頂位置選擇礦柱5#川北端部的切割槽，破頂寬度為10 m，共2個分段：1 027、1 038 m分段。

累計共383個孔，設計孔深3 277.6 m，由于實際施工過程中，出現堵孔現象嚴重，致使9#礦體1 038 m分層切割槽深孔設計孔深與實測孔深相差較大，大量炮孔出現堵塞情況，尤其是西側炮孔堵塞長度約7～8 m。預計此次崩礦量14 900 t。

2)爆破施工主要參數。根據炮孔驗收的實際情況，1 005 m中段9#礦體孔口距約0.7 m，孔底距1.8～2.2 m，取2 m，排間距1.6 m，炸藥單耗初步按1.1 kg/m3確定。設炮孔長度為L(L按孔深H的1.1倍計算)、裝藥密度950 kg/m3，則每米孔的線裝藥量計算如下：

(1)

式中：a為孔口距；b為孔底距；H為孔深；W為排距；q為炸藥單耗；L為炮孔長度。

計算得Q線=2.16 kg/m。

采用散裝炸藥，耦合裝藥，實際每米孔裝藥量(炮孔孔徑d=60 mm)，計算如下：

Q線裝=Sρ

(2)

式中：S為炮孔面積；ρ為裝藥密度。

計算得Q線裝=2.68 kg/m。

由全孔線長度裝藥率=Q線/Q線裝=2.16/2.68=80%，即對10 m長的炮孔裝藥長8.0 m，填塞長2.0 m。

3)起爆網路。實際裝藥時，共分11個段別起爆，起始段位為2段，即2～12段，其中最大單響在第4段位，實際分配炸藥量為695 kg(見圖4)。總孔深2 786.7 m，裝藥系數為80%，孔數383個。

圖4 起爆網路Fig.4 Detonating network

4)爆破危險區圈定

①爆破振動的安全距離

R地=(K/v)1/αQ1/3

(3)

式中：R地為爆破振動波的安全距離；v為爆破振動波安全速度，對于土坯房取1 cm/s，對于巷道取25 cm/s；K為與爆破地形地質相關系數，取250；α為爆破振動波隨距離衰減系數，取1.8；Q為延時爆破最大單響藥量，取695 kg。

通過計算，爆破振動的安全距離：對于土坯房，R地土=193 m；對于巷道，R地巷=34 m。

②爆破空氣沖擊波的安全距離

R沖=K沖Q1/2

(4)

式中：R沖為距爆破中心的安全距離；K沖為按被保護安全等級而定的系數，對物取2，對人取5；Q為延時爆破最大單響藥量，取695 kg。

通過計算，爆破空氣沖擊波的安全距離：R沖人=132 m；R沖物=53 m。

綜合考慮，取其中最大值R地土=193 m，作為本次爆破施工的最大安全距離。

③爆破飛石安全校核

井下范圍：R飛=(15～16)d×102=92～98 m，爆破時安全人員全部撤出硐內，不會發生飛石傷人情況。

地表范圍：由于破頂爆破，直通地表，會產生大量爆破飛石，因此，根據《爆破安全規程》(GB 6722-2014)規定的爆破安全飛石安全距離，取300 m。由于爆破在山坡上爆破，下坡方向的飛石安全距離應增大50%，即450 m，考慮其他不穩定因素及坡頂廢石影響，本次爆破安全距離適當加大，設定為600 m范圍，即以爆破中心為圓心，600 m范圍內設置警戒，并專人看守，嚴禁人員進入警戒范圍內，同時參與警戒人員做好自身防護工作。

5)爆破效果。施工時嚴格按照爆破設計進行裝藥、聯線，并按照預計時間準時起爆，爆破后地表成功打開了“天窗”，長約40 m，寬約22 m，面積約880 m2，形成了貫通的泄壓通道(見圖5)，至此解除了采空區頂板垮落帶來的地壓風險，整體達到了預期爆破效果。

圖5 破頂效果Fig.5 Roof breaking effect

4 結語

1)通過某鉛鋅礦945 m中段以上采空區處理與礦柱安全回采工程實例可知，礦柱爆破破頂技術方案整體上是可行的，爆破達到了開“天窗”的效果，消除了采空區頂板垮落的地壓風險。

2)礦柱爆破施工方案按照相關規范進行了嚴格設計，但在實際施工過程中，部分區域堵孔現象嚴重，致使實際裝藥長度未達到設計長度，通過調整起爆順序等措施，將破頂區域范圍的炮孔由原來的分段爆破改成集中同段爆破，增大爆轟能量，最終實現了地表成功破頂。

3)地表形成“天窗”后創造了安全作業環境，同時為遺留礦柱的回采提供了充足的爆破自由面，確保了礦山的可持續安全生產。