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露天深孔爆破崩落法处理地下采空区实践

2016-10-25 责任编辑:崔玮娜

臧龙1  贾传鹏1  张士磊2

(1.太钢集团岚县矿业有限公司,山西吕梁,033504;

2.中铁十九局集团袁家村铁矿项目部,山西吕梁,033504)

摘要:露天开采中,地下开采形成的采空区已成为矿山安全生产的重大隐患。山西某露天铁矿经过前期多年的地下无序开采,存在大量采空区。通过掌握矿区地下采空区的基本情况,根据现场实际,以1740-10-空7采空区为研究对象,使用澳瑞凯高精度毫秒非电雷管,采用逐孔起爆一次爆破崩落法成功地对1740-10-空7采空区进行了处理,处理效果良好。在保证露天采矿生产进度的同时,消除了采空区的安全隐患。

关键词:露天开采;地下采空区;深孔爆破崩落法;爆破网路

 

山西某铁矿为特大型露天铁矿,设计采用自上而下的逐水平缓帮分层、横向开采的采矿方法,阶段高度15m,工作台阶坡面角为70°,最小工作平台宽度50m。2011年4月开始矿山基建,目前已形成1740m、1725m、1710m、1695m四个台阶。

矿区大规模地下开采始于21世纪初,矿区范围内曾经分布有36家民采地下矿山,以开采高炉富矿和深部原生矿为主。长期的无序开采,致使在矿山开采境界内存在大量采空区及废旧坑道。这些采空区大小形态不规则,高度和跨度不一致,采空区形态复杂,在空间位置上层层叠叠,高低不同,采掘竖井深度一般为50~200m,个别达到400m深,多数采空区已经充水,且部分采空区已经坍塌,甚至引起地表局部塌陷。

由于该铁矿地质条件复杂,采空区规模大,采空区资料不详,加上自然条件和现有技术条件制约,采空区安全隐患已成为影响矿山安全生产的重要危险因素,因此露天开采时对地下采空区的处理成为矿山安全生产的重要课题。

1采空区探测、处理情况

1.1  采空区探测

矿山自基建剥离以来,在收集部分地下小矿…开采资料进行综合分析和在矿区周边进行人工调查的基础上,采用生产地质勘探超前钻、生产过程中打超深孔的探测手段在矿位探测采空区,并对发现的采空区进行空腔三维激光扫描,以此掌握采空区的形态。截至目前,开采境界内共发现并准确探明地下采空区17处。

1.2采空区处理方案

国内采空区处理的方法主要为充填法和崩落法。由于该矿经过长期的地下开采,井下巷道错综复杂,保留矿柱破损严重,多数采空区已经充水,且部分采空区已经坍塌,甚至引起地表局部塌陷,地下采空区形态、结构极为复杂,如采用充填法处理采空区,从经济上、技术上、时间上都有困难,采用井下崩落处理采空区也几乎不可能。为了保障矿山正常生产,也没有条件也不可能先处理采空区,然后进行开采。所以必须在采矿生产的同时处理采空区,生产实践中逐渐摸索出采用露天深孔爆破崩落法处理采空区的经验,即在露天台阶上钻凿下向炮孔,通过实施爆破作业强制崩落采空区顶板用以充填采空区。

目前采用露天深孔爆破崩落法已成功处理采伞空区11个,处理采空区体积累计61625.2m3,消除了大量的采空区隐患,为安全生产提供了保障。2013年5月在1725水平北部成功处理l740-10-空7采空区,它是目前已发现并处理的形态最复杂、规模最大的采空区之一,具有很强的代表性。

2 1740-10-空7概况

2.1空区探测情况

1740-10-空7空区是通过对历史开采资料分析和人工现状调查发现的,对空区进行圈闭、安全标示后,采用φ140mm潜孔钻机按20m×20m孔网、孔深60m进行了生产超深钻探,进一步验证了该空区。

为了更准确探明该空区的空间位置、形态、规模等,为露天深孔爆破提供详实的设计依据,先后四次组织对空区进行了空腔三维激光扫描,扫描结果显示该采空区探明最大深度为74m,最大宽度为44m,且下部仍可能存在未探测到的空间,顶板未出现崩落和塌陷,较为稳定。在激光扫描的基础上,通过人工下放测绳对空区深度进行了探测,经测最大深度达到508m。按空区命名标准将其命名为1740-10-空7。

2空区周边情况及地质概况

1740-10-空7采空区位于10号矿体,2~3线之间。北部距采矿1号道路315m,西北方向距1650m矿石破碎站640m。空区有5个连通巷与地表连通,其中连通巷7洞口距1650m矿石破碎站397.56m,另有1个连通巷已塌实。空区周边情况如图l所示。

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10号矿体为矿区内规模最大矿体,矿体形态为一巨大的扁豆体,分布于南2~12线之间,全长2600m,出露于4~8线之间,8线以北为黄土覆盖,4线以南大部被寒武系底部岩层所掩盖。厚度5~301.8m,平均154.6m,矿体顶面最高标高在1线为1780m,最低标高在12线为1450m,延深140~830m,平均612.1m,走向为北北东向,倾向为南东东向,倾角70°~80°。该区域矿体围岩主要为变辉绿岩、镁铁闪石片岩、石英岩及含铁石英岩等,矿石和围岩均致密坚硬、稳定性强。

2.3空区模型

对四次的扫描结果经MDL成图后,利用SUPAC软件对空区进行了三维建模,并对四次扫描结果进行模型复合,基本上掌握了l740-10-空7采空区形态及三维空间构造情况。

由三维建模复合图看出:空区为葫芦状多层空区,从扫描图上看,下部还有空区分布,由于葫芦状空区的不垂直分布,给探测空区深部形态造成了困难。针对采空区形态,平行于坐标轴x轴每隔3.5m布置一个剖面,共布置了12个剖面。通过垂直剖面图和水平剖面图可详细了解1740-10-空7形态。水平剖面位置及空区布孔如图2所示。

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1740-10-空7典型剖面:2剖面如图3所示,4剖面如图4所示,6剖面如图5所示,8剖面如图6所示,10剖面如图7所示。

 

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经分析,1740-10-空7的构成参数见表1。

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2.4 1740-10-空7特点

与其他已处理完空区相比,l740-10-空7有如下特点:

(1)空区位于18号矿体中北部,只有上部平台和地下采空区两个临空面,爆破后需确保顶板向下崩落。

(2)空区的形态呈现葫芦状,特别是在1675m水空腔明显变窄,顶板崩落后在该部位易卡住。

(3)空区顶板穿孔深度介于30~35m,个别孔接近40m,远大于采场阶段高度。

围绕着如何处理该空区,经过多次详细的技术研究论证,并邀请业界权威长沙矿山研究院露天深和澳瑞凯(威海)公司的专家就空7的爆破处理设计方案审查,最后形成以下意见:

(1)为精确控制爆破网路延迟时间,避免出现雷管跳段现象,采用澳瑞凯高精度雷管取代普通导爆管雷管;考虑到顶板厚度较大,炮孔内采用分段装药,且确定了合适的中间间隔高度。

(2)采用中间掏槽起爆,掏槽孔采用φ250mm孔径,增加掏槽孔局部装药量,并在起爆孔的周围补打4个φ140mm孔,这5个孔同时起爆,确保顺利掏槽,为后排炮孔崩落形成足够的通道;5个与地表连通的连通巷洞口采用黄土挡墙削弱冲击波等。

3爆破设计

3.1空区处理水平的确定

根据《山西某铁矿果空区上部露天开采稳定性及采空区处理技术研究总结报告》中的关于10号矿体镜铁矿保安层厚度计算公式(见式(1)):

h=0.683b-0.944        (1)

式中,h保安层厚度,m;b为采空区最大跨度,m。

1740-10-空7的最大跨度为44m,计算得到保安层厚度为29.1m。从剖面图上可以看出空区顶板到1725水平的最小垂直距离为29m,基本接近保安层厚度,因此选在1725水平钻孔进行深孔爆破处理该空区。

3.2爆破参数

爆破具体参数如下:

(1)单耗。根据以往空区处理的经验:爆破作用指数n>1,为加强抛掷爆破,炸药单耗取相同部位正常台阶深孔爆破炸药单耗的1.3倍。l740-10-空7上部相同部位的炸药单耗为0.61kg/m3,且爆破效果良好。因此本次爆破处理1740-10-空7炸药单耗取0.80kg/m3

(2)装药结构。空区顶板上方的炮孔采用间隔装药,分上下两段装药,下段孔底部回填3m,为了保证装药充填系数大于75%,上下分段选在中部1708.5~1711.5m之间进行间隔,上部回填3.5m,采用细岩粉密实充填;空区周边辅助孔采用连续柱状装药,孔上部回填高度3.5m。采用乳化药卷作为起爆药,孔内装多孔粒状铵油炸药。装药结构如图8所示。

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(3)孔网参数。根据该矿在10号镜铁矿位孔网布置经验以及结合初定的0.80kg/m3的炸药单耗,施工用φ140mm潜孔钻机,采用三角形布孔,孔距3.5m,排距3.5m,空区顶板上方的炮孔孔深为钻机穿透顶板的自然深度;空区周边辅助孔孔深为15m,超深2.5m。

(4)药量计算。在进行单孔药量计算时,前排孔采用Q=qaW1H,H,后排孔采用Q=kqabH求得。式中,q为单位炸药消耗量,kg/m3;a为孔距,m;b为排距,m;W1为底盘抵抗线,m;H为台阶高度,m;k为考虑受前面各排孔的矿岩阻力作用的增加系数,k=1.1~1.2。

爆区计划炸药消耗量为42t,乳化药包768kg,多孔粒状铵油41.2t。平均炸药单耗为0.8kg/m3

3.3确定起爆孔

由于只有台阶上部平台和地下采空区2个临空面,而且空区顶板体积远小于空区体积,爆破的总体设计思路是:通过爆破强制崩落地下采空区顶板向下充填采空区,在地表形成塌陷坑洞,所以起爆选择在空区顶板几何中心以掏槽爆破的方式起爆。根据空腔的垂直剖面图、水平削面图和孔网布置图,36号孔所对空腔体积较大,爆破崩落体下落通道较宽,且正对通道中心,爆破时不易发生堵塞,因此起爆点选定为36号孔。同时,为了保证掏槽效果,采取以下措施:

(1)36号孔作为掏槽孔,孔径选取φ250mm。

(2)36号孔与周围的156号、157号、158号、159号孔同时起爆,以加大掏槽效果。

3.4起爆网路和起爆顺序

爆破网路为复式网路,采用澳瑞凯非电毫秒延期雷管起爆,地表网络为行列式地表逐孔起爆网路,孔间采用65Ms雷管,排间采用42Ms雷管,156号、157号、158号、159号采用17Ms雷管;空区顶板上方炮孔采用孔内上下分段间隔起爆,下分段采用375Ms雷管,上分段采用400Ms雷管,空区周边辅助孔采用400Ms雷管,孔内外微差相结合,孔内自下而上起爆,上下分层自起爆点向四周扩散。网路连线图如图9所示,等时线图如图10所示,顶板位移如图11所示。

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3.5最小安全距离确定

3.5.1  爆破飞散物最小安全允许距离

硐室爆破个别飞石计算公式见式(2):

Rf=20Kfn2w   (2)

式中,Rf为爆破飞石安全距离,m;Kf为安全系数,取1.5;n为爆破作用指数,取1;w为最小抵抗线,取6.5m。计算得到爆破飞散物最小安全允许距离195m。

3.5.2  空气冲击波最小安全允许距离

爆破冲击波的安全允许距离经验公式见式(3):

 1025145811.jpg

式中,Q为最大一响药量,kg。本次设计最大一响药量为2340kg,计算得到爆破冲击波的安全允许距离为:332m。

综合考虑爆破飞散物安全允许距离及爆破冲击波安全允许距离,本次爆破最小安全距离为332m。

4现场施工

4.1钻孔

2台φ140mm潜孔钻机按如下情况钻孔:

(1)采空区上部穿透为止。

(2)采空区边缘部位钻孔深度,根据经验公式(见式(4)):

h0=hl-h2+3    (4)

式中,h0为计划穿孔深度,m;h1为孔口标高,m;h2为空腔底板标高,m。

(3)采宅区外部辅助孔按正常台阶钻孔。其中,孔深15m;超深2.5m。

4.2验孔

穿孔过程中时时对采宅区成孔进行验收,作详细记录并与炮孔所在剖面作对比。对孔深不符合原始设计要求的异常孔判断是否需要补打。并在所有的孔穿完后形成验孔总结,为逐孔药量的计划提供依据。

4.3吊孔、装药、回填

对圈定的采空区范围所有穿透的炮孔进行吊孔,用编织袋扎成球状形(或圆柱形),用铁丝吊至孔底有空区处向上拉动至空区顶板上方约0.3m处拉近铁丝并固定好,先用较大石块填充后用岩粉充填,不断探测充填长度,直至设计回填高度。

装药过程中按照逐孔设计药量表装药,所有孔装药结束后,统计装药量。

回填时采用岩粉充填,且回填段高度满足设计要求。

4.4连通巷的封堵

1740-10-空7有5个连通巷与地表相连,采用编织袋装黄土堆积在洞口前2m处封堵。确保爆破冲击波不会对连通巷正对方向人员、设备造成损伤。

5爆破效果

此次对1740-10-空7共钻孔159个,装药42t,爆破后顶板完全塌落,边缘整齐,形成直径约30m的塌陷区,爆破取得了预期效果。爆后空区如图12所示。

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6结论

(1)在空区资料不明地段及塌陷区内作业,必须先行超前钻孔设计和探测施工,核实空区状况。根据保安层厚度研究结论确定最佳的处理平台和时机。

(2)实践证明采用露天深孔爆破崩落法处理空区效果明显,是一种既经济又有效的方法,保障了矿山的正常生产进度的同时,消除了安全隐患,为今后处理类似空区提供了经验。

(3)炮孔装药采用双发雷管起爆,起爆网路采用复式网路,更充分地引爆炸药,降低盲炮、拒爆等事故发生率。

(4)采用奥瑞凯非电毫秒延期雷管起爆,能精确控制上下两层的延迟时间,确保不会发生跳段现象。

(5)根据经验制订了符合该矿实际的逐孔穿孔深度,并形成了一套过程监督、反馈等施工经验。

参考文献

[1]汪旭光,等.爆破手册[M].北京:冶金工业出版社,2010.

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摘自《中国爆破新进展》