大孔径垂直深孔掏槽爆破处理露天矿下部采空区顶板技术.pdf

第3 6 卷第3 期 2 0 1 9 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 6N o ．3 S e p ．2 0 1 9 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 9 ．0 3 ．0 0 9 大孔径垂直深孔掏槽爆破处理 露天矿下部采空区顶板技术 莫麟 中铁十九局集团矿业投资有限公司，北京1 0 0 1 6 1 摘要袁家村大型露天铁矿在采空区治理过程中，7 采空区暴露面积大、空腔纵深高，其顶板保安层要求 厚度达3 0m 以上。根据7 采空区实际情况，在采空区上下贯通投影位置布置大孔径掏槽爆破孔，采用孔内 及孔间毫秒延时爆破技术，对采空区顶板崩落处理，并利用崩落岩体对深部空腔进行有效充填，爆破效果良 好，既保证了采矿作业的连续进行，也消除了采空区对生产安全的威胁。 关键词采空区治理；顶板崩落；垂直深孔掏槽；毫秒延时爆破；爆破模拟；效果评价 中图分类号T D 2 3 5文献标识码A文章编号 1 0 0 1 4 8 7x 2 0 1 9 0 3 0 0 5 6 0 4 T e c h n o l o g yo fV e r t i c a lD e e p - h o l eC u tB l a s t i n gt o d e a lw i t hR o o fo fG o a fu n d e rO p e n - p i tM i n e 朋7 D ￡i 凡 C h i n aR a i l w a y1 9 t hB u r e a uG r o u pM i n i n gI n v e s t m e n tC oL t d ，B e i j i n g1 0 0 1 6 1 ，C h i n a A b s t r a c t D u r i n gt h et r e a t m e n to fg o a fi nY u a n j i a c u nl a r g e s c a l eo p e n p i ti r o nm i n e ，t h eg o a fN o ．7h a sl a r g ee x - p o s e da r e aa n dh i g hc a v i t yd e p t h ，a n dt h et h i c k n e s so ft h er o o fs e c u r i t yl a y e ri s o v e r3 0m ．A c c o r d i n gt ot h ea c t u a l s i t u a t i o no fg o a lN o ．7 ，m i l l i s e c o n dt i m ed e l a yv e r t i c a ld e e ph o l ec u tb l a s t i n gi sa d o p t e dt od e a lw i t ht h eg o a fr o o f ，a n d t h ec a v i n gr o c km a s si su s e dt of i l lt h ed e e pc a v i t y ．T h eb l a s t i n ge f f e c ti sg o o d ，w h i c hn o to n l ye n s u r e st h ec o n t i n u o u s m i n i n go p e r a t i o n ，b u ta l s oe l i m i n a t e st h et h r e a to ft h eg o a ft op r o d u c t i o ns a f e t y ． K e yw o r d s g o a fm a n a g e m e n t ；r o o fc a v i n g ；v e r t i c a ld e e ph o l ec u t t i n g ；m i l l i s e c o n dt i m ed e l a yb l a s t i n g ；b l a s t i n g s i m u l a t i o n ；e f f e c te v a l u a t i o n 露天矿山下部采空区的存在制约了矿山的可持 续发展与资源的回收利用，特别是由私挖乱采形成 的采空区，其开采秩序混乱，遗留的废旧坑道及采空 区在空间上交错层叠，甚至贯通，致使露天上开采条 件恶化，对露天矿山大规模开采的人员和设备形成 严重的安全威胁，是影响露天矿山安全生产最主要 的危险源之一。 目前露天矿山采空区治理通常采用充填法及崩 落法⋯。充填法即采用充填料 废石或者尾砂 对 收稿日期2 0 1 9 0 5 0 6 作者简介莫麟 1 9 8 8 一 ，男，河北涿州人，本科、采矿工程师，主 要从事采矿、爆破等技术管理工作， E ．m a i l 4 9 3 8 2 3 7 9 4 q q c o m o 采空区空腔进行充填，达到消除采空区的目的，但对 于大多数露天矿山来说，充填治理的费用高昂且充 填料造成矿石资源贫化；崩落法指崩落采空区围岩 对采空区进行充填，多数指崩落采空区顶板，利用爆 后岩体充填采空区，达到消除安全隐患的目的。而 各个矿山采空区数量、空间位置、形态特征不一样， 必须针对采空区的特点和条件，采取合理的崩落方 法进行采空区顶板爆破处理。2J 。 以袁家村铁矿7 采空区顶板崩落处理为例，从 消除采空区安全威胁、达到理想充填效果出发，通过 制定合理的深孑L 掏槽爆破方案。3J ，优化设计爆破网 路[ 4 I ，结合软件模拟分析爆破效果并在爆破后进行 万方数据 第3 6 卷第3 期莫麟大孔径垂直深孔掏槽爆破处理露天矿下部采空区顶板技术5 7 扫描验证[ 5 , 6 ] ，从而实现采空区安全治理，采矿作业 稳定进行的目标。 1工程概况 在袁家村铁矿石富集区域经由钻孑L 探测发现了 7 采空区，利用C A L S 激光扫描系统，经过数次扫 描复核，形成了较为完整的采空区可视化模型，采空 区具体形态如图1 所示。 一弋l 时睫只 图17 采空区三视图 F i g ．1 3 - Dv i e w so f 7 g o a f 旨曩圈 l 由IT _ n ■ 结合地质资料和采空区模型可知，采空区上部 岩层为砾岩矿，采空区形态与富矿体产状基本一致， 顶部由于小矿山开拓系统的布置形成了较大的空 腔，空腔随矿体倾向向深部延伸，整体呈不垂直的葫 芦状分布。其倾斜形态造成深部空腔无法进行扫描 探测，结合人工资料和测绳实测，已发现的模型深部 仍有贯通的空腔存在。采空区三维空间参数如表1 所示。 表1 采空区参数 T a b l e1P a r a m e t e r so fg o a f 采空区最大长度／m5 0 采空区最大跨度／m 采空区最大高度／m 顶板最高标高／m 底板最低标高／m 采空区面秽m 2 采空区体积／m 3 顶板体积／m 3 经过扫描测量的采空区空腔最大跨度达4 4m ， 结合采空区稳定性研究结果，7 采空区顶部作业最 小保安层厚度为2 9m ，在生产台阶降至1 7 2 5 水平 时必须对采空区进行处理以保障露天台阶向下拓展 过程中的作业安全。 2 采空区处理方案 对采空区三维模型做剖面处理，从水平剖面图 上看，空区在1 6 9 0 水平整体轮廓最大，近似呈直径 约4 4m 的圆形；在1 6 7 4 水平剖面面积较小，直径约 1 0m ，若爆破后同时通过该处的石方体积和数量较 大极易卡在该处，对深部采空区空腔无法进行有效 充填，形成浮渣悬拱，不利于后期采矿作业进行，更 加大了二次处理的难度。为了保证采空区顶板完全 崩落，爆破后的岩体块度合理，借鉴一次成井技术， 设计采用直孔掏槽爆破的形式，一次崩落采空区顶 板围岩，并采用多段微差，降低夹制作用，控制同时 起爆岩量。 2 ．1 爆破参数设计 2 ．1 ．1 掏槽孑L 与空孑L 直孔掏槽爆破的关键是形成合适大小和深度的 槽腔。槽腔的形成从小到大，依次扩成，前爆孔的扩 槽好坏影响到后爆孔扩槽。根据采空区的三维形 态，在空区顶板较薄，采空区投影正对深部空腔通道 位置确定首响掏槽孔位置。由于采空区顶板穿孔深 度均在3 0m 以上，确定采用4 空孔的桶形直孔掏 槽。槽孑L 爆破形成槽腔，经历径向破碎、高压二相流 形成和轴向排渣3 个依次连续的过程“ J ，故首爆掏 槽孔采用2 5 0m m 孑L 径直孔，增大单孔装药量，保证 其爆后岩体充分破碎，同时为了防止夹制采用轴向 采用间隔装药，控制高压二相流形成。首爆孑L 爆后 空间为后爆孑L 提供新的自由面和补偿空间。 空孔围绕首响槽孔等距离布置4 个。为保持足 够的安全储备，防止单位面积内穿孑L 数量多造成采 空区顶板受破坏而影响安全作业，空孔采用1 4 0m m 孑L 径直孔与首响槽孔平行布置于同心圆上且与辅助 孔保持一定距离。 首响槽孔周围4 个炮孔作为辅助孑L ，其余炮孔 当作周边孔，均以首响槽孑L 为中心按照网度均匀布 置。考虑后期采矿作业的影响，爆区整体规则布置， 具体如图2 所示。 图2 炮孑L 布置图 F i g ．2 B l a s th o l el a y o u t 1 8 6 4 ．9 9甜似雠似觚锄狮 2 4●●蛉5 万方数据 5 8爆破2 0 1 9 年9 月 2 ．1 ．2 单位炸药消耗量 在正常生产的1 5i n 台阶爆破过程中，同类岩性潜 孔钻施工的爆破孔爆破平均炸药单耗为0 ．6 1k g ／m 3 ， 爆破效果良好。为加强空区范围内岩体的爆破抛掷 效果，进一步破碎岩体使其便于沿空腔通道塌落至 深部未知空腔，设计增大炸药单耗，取正常爆破的 1 ．3 倍为0 ．7 9k g ／m 3 。 2 ．1 ．3 孔网参数 采空区扫描轮廓整体呈圆形，结合现场地形确 定采用梅花形布孔。为保证采空区顶板塌落，以单 位炸药消耗量为依据，采空区范围内的孔位较正常 爆破孔进行了加密，孔网参数为3 ．5 m 3 ．5 m 。 2 ．2 穿孔、吊孔作业 穿孔前技术人员用测量仪器逐孔放点，并对施 工作业人员进行技术交底，严格按照爆破设计进行 施工。 采空区内要求3 台钻机按采空区内布孔位置进 行穿孔作业，采空区范围内所有设计炮孔全部穿透， 并详细记录每个孔的顶板厚度。钻机在夜间作业 时，要避开采空区顶板比较薄弱和台阶坡底位置，钻 机司机应密切注意采空区上方动态，如发现异常时， l 2 I 一孑Ln 填寒段 2 一起爆具 3 一巾部同填段 4 一上部装药段 5 一导爆管 6 一下部装药段 7 一底部同填段 人员和设备应及时撤出采空区，并立即向爆破技术 员汇报，每天穿孔结束后要向爆破技术员汇报当班 穿孔情况，内容包括已穿孔的孑L 深、孔号、穿孔个数 及是否穿透。 对穿透炮孑L 的孔底段进行吊孑L 处理，将少量岩 粉装入编织袋中并用长于孔深的铁丝扎成球状型， 利用铁丝将编织袋沿孑L 壁下放至空腔内，随即向上 拉动至孑L 底出口线处，拉紧铁丝并固定。利用地表 与空腔存在气压差而形成孑L 内微弱气流的现象检验 孔底口是否完全被编织袋堵塞。若堵塞完全则用穿 孔岩渣对孑L 底段进行回填，过程中不断探测回填高 度，直到满足设计要求。 2 ．3 装药结构 由于采空区顶板厚大，爆破穿孔深度均大于 3 0m ，属于深孔爆破，故采用间隔装药结构，间隔部 分用岩粉回填，起爆药用起爆具，炸药采用多孔铵油 炸药，上部回填高度为3 ．5m ，中部回填高度为3i n ， 下部回填高度保证最小抵抗线为3I T I 。为了保证爆 破效果，每孔装药量应不小于7 5 ％，通过对采空区 垂直方向上剖面图的分析，取高程1 7 0 8 ．5 ～1 7 1 1 ．5 为采空区范围内爆破孔中部回填位置[ 8 ] 。 ，一，，c 6 4 6 3 6 26 l6 0 5 9 5 85 75 6 5 5 上韵面填位酱 竺 f ‘部漱药位置2 中部同填侍置 L ，U o ．J ●【【I 【 啦 _ 一 n | 部储药位首 a n 一 N 1 _ ，n n 一 1 ，U U． _ _ - - ■ 逊 一 I 『 虚线袁爪最小抵抗线 下鄙刨填位蚩 “- 4 ‘ 一 j ≮ 遗 ≮ 1 6 9 C 率7 图3 装药结构图 单位I T I F i g ．3B l a s t i n gc h a r g es t r u c t u r ec h a r t u n i t m 2 ．4 爆破网路 采用复式网路，逐孔起爆技术∽J 。爆区起爆顺 序自下而上、由内向外，使得爆破岩体分期逐步移动 塌落。地表采用双管联接，孑L 内上下两层分别选用 1 6 段和1 5 段的非电毫秒延期导爆管雷管，辅助孔 与掏槽孔之问采用5 段非电毫秒延期导爆管雷管联 接，辅助孔与周边孔以及周边孔之间采用3 段非电 毫秒延期导爆管雷管联接。1 6 、1 5 段雷管的时差为 1 4 0m s 能有利于下部孔爆破后岩体能充分的位移； 辅助孔采用1 1 0m s 时差有利于首响槽孔爆后岩体 的充分位移为辅助孔扩槽提供空间；周边孔采用 5 0m s 延时即能保证正常爆破进行又能保护地表网 路的安全性。见图4 。 利用3 d m i n e 软件的爆破模拟功能，优化爆破网 路，使岩体均匀向首响槽孔位置移动。 2 ．5 爆破警戒 爆破飞散物是本次爆破主要的有害效应，也是 爆破警戒距离确定的主要指标。根据深孔爆破个别 飞石计算公式R ， 4 0 ／2 ．5 4 D 4 0 ／2 ．5 4 2 5 3 9 3 ．71 T I ，爆破冲击波安全距离计算公式R 。 2 5 影Q 万方数据 第3 6 卷第3 期莫麟大孔径垂直深孔掏槽爆破处理露天矿下部采空区顶板技术5 9 1 8 0f f l ，综合二者取大值，设计全部采用4 0 0m 爆 破安全警戒距离。根据地形警戒，人员警戒范围 。．．．_ ‘，。．．．．。‘。，- - - - o - ．- - - 。。_ - ．‘．，． 一一一一j 之一一一一一一 ．．，。。．。．。．。．。，．。．。，。．。．。j 1 ．．。。。．。。．。。。．。。．一。 ’1 。1 1 ’。1 ’峄’。’。”呻’一’。。’’ ”’1 ”一 i r l ■■r 1 ■■P 1 ●■P ■■r ’●P 1 p ■‘叫■●●H ●●i r ■●●●- - ● 5 0 0I n ，设备警戒范围为距炮区边缘4 0 0i n ，每个警戒 点设两名警戒员，带警戒袖标、持警戒旗、拉三角旗。 _ _ - 如p 蚪。一 一- ～一一畔．_ } 串- 每～ 图4 爆破网路联接及模拟图 F i g ．4B l a s t i n gn e t w o r kc o n n e c t i o na n ds i m u l a t i o nd i a g r a m 资料显示采空区内有通往地表的数个连通巷， 考虑到爆破冲击波的影响，连通巷口正对方向 2 0 0i n 范围内不允许有人员和机械设备。 3 采空区顶板崩落效果 爆破后，围绕首响槽孔采空区范围内形成直径 约4 5i n 塌陷坑，经过吊装扫描掌握了塌陷坑的具体 参数如图5 和表2 所示，对崩落效果进行定性和定 量评估0 | 。 。●- t ●- ’ ‘ I 搬 dI j ●o 。警越，- 图5 塌陷坑扫描点云图 F i g ．5S c a n n i n gp o i n tc l o u do fc o l l a p s ep i t 表2 塌陷坑三维参数 T a b l e2T h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r so fc o l l a p s ep i t 项目扫描结果 塌陷区扫描东西长度／m 塌陷区扫描宽度／m 塌陷区面秽m 2 塌陷区扫描高度／m 塌陷区坑底高程／m 塌陷区体影m 3 5 5 4 7 1 7 4 6 ．4 5 4 ．1 底部至1 7 2 5 1 6 7 0 4 27 7 6 通过数据对比分析，采空区上部顶板完全崩落， 塌陷坑边缘整齐规则；爆破崩落的岩块顺利通过原 空腔最窄处 高程1 6 7 4 对深部空腔进行了充填，达 到了崩落顶板处理采空区的目的。 4 结论 1 通过合理的布孑L 设计、中间分层、孔内上下 分层合理延时起爆等技术措施，实现了采空区厚大 顶板全阵面一次爆破处理。 2 通过大孔径垂直深孔4 空孔桶形掏槽、爆 破网路优化等技术措施，实现了控制崩落岩石位移 使其充填深部空腔的目的，效果良好。 3 顶板崩落法是一种既经济又有效的采空区 处理方法，必须根据采空区稳定性研究结果及采空 区实际形态，合理设计爆破方案，才能及时有效的消 除采空区安全隐患。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 方承，杨家冕，刘允秋．某铁矿采空区处理方案与安 全技术措施研究[ J ] ．现代矿业，2 0 1 8 1 0 2 0 4 - 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