平朔东露天矿采空区塌陷爆破技术研究.pdf

1IIIII I I I I Il l ll l l lllllllllll1 1 1 1 11111lLII I I l Y 3 4 6 9 2 3 5 辽宁工程技术大学 硕士学位论文 垩朔东露天藏采空区塌陷爆破技术研究 更I 肫￡璺腿h ．- 0 ￡量魏】} ．Q 卫￡骢n 聃．熙Q a ．￡照．P i 嘁鼽u - 0 ．。C Q l l 弛e ．． 曼随曼暖觋g ．量￡c _ h l 曼蚋Q g X 作者姓名崔伟 指导教师韩新平教授 学科专业矿业工程 二。一六年六月 万方数据 分类号T D 一8 2 4 U D C6 2 2 硕士学位论文 学校代码 1 0 1 4 7 平朔寨露丢矿采窒区揭陷爆破技杰珊巍 R e s e a r c ho fE a s to D e n ．D i tG o a fo fC o l l a D s e0 1 0 D e n - D l tU 0 l - a D S e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯_ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．P ⋯．i ⋯n ⋯g ．S ⋯．⋯．b ．⋯．u o g i R lO⋯⋯⋯⋯⋯a m ⋯⋯o 作者姓名 指导教师 申请学位 学科专业 研究方向 崔伟 韩新平教授 专业硕士 矿业工程 露天开采理论与技术 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使脓权的说明I J 黜螋掣 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王墨拉丕太堂有关保留、使 用学位论文的规定，同意辽主工程技丕太堂保留并向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名鳖导师签名 加“年‘月冯日 年月 日 万方数据 致谢 衷心的感谢我的导师韩新平教授 论文是在韩老师的耐心指导与督促下完成的， 没有韩老师的指导、督促和帮助，论文是不可能如此i l i O N 完成的。在两年的研究生 日子里，韩老师不仅在生活上给予了我细心的照顾，在学习上用严谨的治学态度和 敏锐的思维能力给了我很大的帮助，同时让我在科研能力、看待问题的角度以及社 会交际方面都得到很大的收获。研究生期间，我的各方面的进步都离不开韩老师的 教诲，这是我人生中巨大的财富和荣幸。 在辽宁工程技术大学露天矿山研究院的学习生活中，让我感触最深的是团队的 团结协作、不畏艰辛的拼搏精神，使我受益匪浅。特别要感谢魏春启老师、范军富 老师在我论文上的指导帮助。在此还要衷心的感谢辽宁工程技术大学矿院的白润才 教授、曹兰柱教授、宋子岭教授、王东副教授、刘光伟副教授及曹博老师等在我学 习和研究生期间提供的诸多帮助和积极影响，感谢各位老师为我的学业倾注了大量 心血，你们的为人师表的风范令我敬仰，严谨治学的态度令我敬佩，正式诸位老师 的悉心培养才有我的今天。 衷心的感谢在收集资料和现场实验阶段平朔东露天的参与项目的所有工作人 员的配合与帮助。 感谢各位师兄弟在我写论文期间给予我的大力帮助。 感谢一起陪我度过研究生阶段的同学们，在短短的两年里，我们建立的深厚友 谊，正式同学们的大力帮助使我能够取得今天的成绩。 感谢各位专家和教授在百忙之中对论文的审阅及指导。在此，对所有帮助过我 的老师们、同学们以及我挚爱的亲人们致以崇高的敬意。 在即将完成学业之际，衷一i 3 感谢我的父母、亲戚朋友，感谢大家多年来的支持 理解 万方数据 摘要 露天矿小煤窑开采所形成的采空区对正常开采作业带来重大安全隐患，论文针对露天 矿采空区进行塌陷爆破技术研究，具有实用价值。采空区的探测以钻孔探测为主，三维激 光扫描为辅，参考瞬变电磁物理探测结果对地下空区的位置、范围、体积进行精确的判断 测量，对采空区进行分类总结。依据最小安全顶板厚度和自行填塞理论，对不同规模、类 型的采空区采取不同的措施。针对该矿采空区在爆破后塌陷率低为后续的生产作业带来巨 大的安全隐患等问题，为改善爆破效果对爆破参数进行理论分析研究，通过调整孔网参数、 装药结构、连线方式和起爆方式等技术措施，设计不同爆破方案。将所设计的爆破方案进 行现场试验，最终得出适合平朔东露天矿采空区塌陷爆破的爆破方案，使采空区上覆岩层 充分塌陷填实采空区，进而改善了塌陷爆破效果，对煤矿的后续正常开采提供安全保障。 关键词采空区；三维扫描；塌陷爆破；参数优化；现场试验 万方数据 A b s t r a c t G o bo fs m a l lc o a lp i tf o r m e di no p e n c a s tm i n i n gb r i n gs i g n i f i c a n ts e c u r i t yr i s k st on o r m a l m i n i n go p e r a t i o n s ，I nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho nt h ec o l l a p s eb l a s t i n gt e c h n o l o g yi nt h eo p e np i t m i n i n ga r e ai sc a r r i e do u t ，H a v ep r a c t i c a lv a l u e ．D e t e c t i n go fg o a ld r i l l i n ge x p l o r a t i o n - o r i e n t e d ， t h r e e - d i m e n s i o n a l ，l a t e rs c a n n i n go ft r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cg e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n ga sa s u p p l e m e n t ，r e f e r e n c et og e tt h es c i e n c ej u d g m e n to fu n d e r g r o u n dg o a f ’Sl o c a t i o n ，e x t e n t ，v o l u m e ． B a s e do nt h em i n i n l u n ls a f e t yr o o ft h i c k n e s sa n ds e l fp a c k i n gt h e o r y , t a k ed i f f e r e n tm e a s u r e sf o r d i f f e r e n ts i z e s ，t y p e sg o b ．F o rt h es u b s e q u e n tp r o d u c t i o no p e r a t i o n sah u g es e c u r i t yr i s k sa n d o t h e ri s s u e sf o rl o wc o l l a p s eo fm i n e d o u ta r e aa R e rb l a s t i n g ．T oi m p r o v et h eb l a s t i n ge f f e c t b l a s t i n gp a r a m e t e r so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，B ya d j u s t i n gt h ea p e r t u r en e t w o r kp a r a m e t e r s ， c h a r g i n gs t r u c t u r e ，c o n n e c t i o n sa n d ，d e t o n a t i n gm a n n e r , b l a s t i n gd e s i g no fd i f f e r e n tp r o g r a m s ． T h e b l a s t i n gs c h e m ed e s i g n e df i e l dt r i a l s ，G o o df o rt h ef i n a lb l a s t i n gs c h e m eo fP i n g s h u oE a s t O p e n c a s tM i n i n gS u b s i d e n c eb l a s t ．M a k eo nm i n e dl a y e ri ss u f f i c i e n t l yc o l l a p s e ，i m p r o v et h e c o l l a p s eb l a s t i n ge f f e c t , P r o v i d et h es e c u r i t yo fs u b s e q u e n tn o r m a lc o a lm i n i n g ． K e yW o r d s D e t e c t i n go fg o a f ；3 Ds c a n n i n g ；C o l l a p s eb l a s t i n g ；P a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ； F i e l dT e s t I I 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 选题依据及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 国内外相关技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 采空区处理方法的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 采空区上覆岩层安全厚度研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 采空区岩石台阶爆破技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 论文研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 平朔东露天煤矿概况及采空区台阶爆破理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．1 平朔东露天煤矿概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．1 工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．1 ．2 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．3 东露天矿采空区的形成及发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 岩石爆破机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．1 岩石的强度理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．2 岩石的爆破作用原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 2 ．2 ．3 岩石的爆破理论模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 2 ．2 ．4 露天矿台阶爆破的岩石破碎机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 采空区的探测与分析⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．1 采空区探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．1 ．1 瞬变电磁法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．1 ．2 钻孔勘探法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．1 ．3 三维激光扫描⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．2 采空区的特点及分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 采空区上覆岩体稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 ．1 采空区上覆岩层安全厚度的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 I I I 万方数据 3 ．3 ．2 采空区上覆岩体坍塌自行堵塞理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．3 ．3 采空区分析处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．4 采空区勘探典型案例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 平朔东露天矿采空区爆破参数优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．1 东露天矿爆破现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 采空区岩石台阶爆破参数优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 设计可行的爆破方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 爆破方案现场试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．1 现场试验爆破设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 爆破效果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 I V 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 选题依据及意义 自从1 9 世纪末以来，我们国家的矿业开采规模逐渐增大，但是矿业开采秩序十分混 乱，其中非法无序的乱挖乱采给一些矿山留下了很多大小不一、形状不规则的采空区，这 给矿山正常生产带来了很多安全隐患。三道庄露天矿、银山铅锌矿九区山坡露天矿、神华 黑岱沟露天矿、广东云浮硫铁露天矿、平朔安家岭露天矿、神东武家塔露天矿等矿山都存 在采空区，导致矿山的开采条件恶化，井下采空区上部大面积塌落，尤其是露天矿采空区 上覆岩层台阶进行开采时，由于采空区的存在，上覆岩层的厚度、采空区的位置都不明确， 这给开采作业的工作人员和设备带来极大的安全隐患。这些都给矿山的正常生产带来了很 多困难，同时也使矿山附近的环境恶化【l - 2 】。 平朔东露天矿田内主要可采煤层厚度大，煤层埋藏较浅，因此，生产矿井和小窑较多。 截止2 0 0 7 年5 月，区内有小煤矿1 0 座，另有区外的5 座小煤矿矿界延伸到矿田之内，还 有一座小煤矿 红楼煤矿，在北岭煤矿北侧 有过峒室工程，但未达产就弃坑。这些生产小 煤矿井型全为斜井，坡度不等，采煤方法为房柱式，采全高，畜力或绞车提升运输，多数 生产煤矿采用机械化通风，个别小煤窑为自然通风，各生产矿瓦斯含量很少，属于低沼气 矿。目前位于东露天矿工作帮下部的小煤窑为沟底新井煤矿和砖井煤矿，其中沟底新井煤 矿在关井前已具备综采条件，因此其采空区范围大，部分采空区顶板岩石己大量冒落，造 成东露天矿4 撑煤及上部的1 2 4 5 、1 2 6 0 、1 2 7 5 、1 2 9 0 、1 3 0 5 、1 3 2 0 均发现采空区，采空区 面积约1 4 0 万平方米左右，4 撑煤层项板高程在L 2 6 0 ．1 2 3 0 水平左右。 东露天矿采掘、运输设备均为大型设备，自重、载重量大。这些因采空区塌陷而形成 的空腔位置、大小、高度均不明，大量采空区的存在严重威胁到大型设备作业的安全，造 成东露天矿安全生产形势极为严峻。 2 0 1 3 年至2 0 1 4 年，东露天矿己转入正式生产期，原煤生产与剥离量正在逐步增加， 半连续工艺也在有条不紊的开展，但是大量采空区的存在给矿坑生产作业的人员、设备带 来极大的安全隐患，一定程度上也滞后了生产，影响了进度。而现有采空区爆破技术尚处 在探索阶段，存在成本大、爆破坍塌率低、坍塌不完全等一系列弊端，更容易带来后续隐 患。 至此，各项研究工作展开，从地质资料的调查，装药结构的对比，孔网参数选择、爆 破方案确定进行研究，到最终的方案确定一步步顺利展开。如何改善爆破效果，降低爆破 成本，确定爆破能让采空区顶板岩层充分塌陷、爆破块度分布均匀，不仅对东露天矿有很 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 重要的现实意义，也对其他露天矿出现类似的情况有一定的参考价值。通过对本论文的研 究，得出一套适合东露天矿采空区上覆岩层台阶安全开采的爆破方案。 1 ．2 国内外相关技术研究现状 露天煤矿与井工煤矿相比，具有设备大型化、开采工艺连续化，成产环节合并化与开 采过程简单化、开采工艺综合化及生产过程安全化等独特优点【3 】。特别是随着露天开采技 术和设备的发展，以及近年来煤炭价格的持续上涨，露天煤矿可以开采的深度不断加大。 越来越多的国内矿山采用露天采矿法开采，已建或者在建的大中型露天煤矿不断出现，尤 其是在山西、内蒙、黑龙江、宁夏等煤层埋藏较浅的地区。然而，由于露天煤矿煤层露头 较浅引起的煤层自燃火区，以及露天煤矿建成之前周边个体井工小煤窑的无序开采，遗弃 的采空区顶板冒落坍塌不严实，所形成的煤层自燃火区，给露天矿的正常安全生产造成很 大的安全隐患，特别是后者更使火区向隐蔽的纵深处蔓延扩展，为其安全开采增加很大难 离[ 4 - 6 ] D 己 。 关于这方面的研究正处在初级阶段，从上世纪9 0 年代初，我国陆续开展了露天矿采 空区探测、自燃火区探测及火区综合治理技术研究，在露天矿火区治理实践、圈定火区范 围、磁法探测煤层自燃火区和露天煤矿边坡大面积火区灭火方法取得了一定成绩，但远远 没有达到彻底控制火区的目的。 1 ．2 ．1 采空区处理方法的研究现状 根据国内外对采空区处理的实践经验，崩落法是应用最多的采空区处理方法，包括强 制崩落和自燃崩落。强制崩落主要是利用崩落的围岩进行回填采空区，使之形成缓冲层， 以避免采空区内大量岩石突然垮落造成伤害，在简化处理工艺的同时，可以降低处理成本， 在处理矿山采空区中得到了广泛的应用。周文勇r 7 】通过对瓮福磷矿采空区的分布特征进行 分析，提出强制崩落充填采空区、强制放顶处理采空区和顶板覆岩硐室爆破法强制放顶三 种采空区处理方法，处理效果较好。国内外对自燃崩落法处理采空区的研究重点是在项板 沉陷监测与动态分析等方面的应用上【} 1 2 】。但该方法主要在井下实施，对于己关闭的小煤 窑无法实施。 尤仁锋【1 3 】等成功利用硐室爆破和中深孔爆破技术处理复合采空区，菅玉容【1 4 】等通过对 东庙矿业采空区的赋存状态及现场调研，按照回填6 0 ％采空区的要求，利用4 个硐室完成 爆破放顶，硐室爆破崩落采空区下盘部分围岩，诱导下盘围岩自燃崩落回填采空区的方法， 成功对内蒙古东庙矿业的采空区进行处理，回填率达到了5 0 ％左右。昝红建【1 5 j 采用硐室爆 2 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 破和中深孔爆破相结合、强制崩落矿柱和部分围岩的方法对黑箐铜矿采空区进行处理。朱 红旗【16 】等根据洛钼集团三道庄露天矿采空区的特征，对爆破区域高度不一的采空区进行浅 孔深孔同时爆破的方案，爆破后没有对附近采空区及邻近边坡造成影响，爆破效果良好， 采用中深孔爆破【1 7 1 技术处理地下采空区取得了理想的效果。刘玲平【1 8 】采用中深孔强制崩落 和废石充填的联合方法，对大宝山矿特大采空区处理进行处理研究，结果表明通过充填可 以有效地控制采空区塌陷。 雷晓娜【1 9 】依据萨尔梁法基本原理开发了高台阶分区处理大面积采空区工艺，将其应用 露天采场采空区处理研究，处理效果良好。 露天煤矿开采范围内的井工采空区的属性与其他类矿山井工采空区有所不同，露天煤 矿开采范围内的井工采空区可能存在三种属性，一是采空区积水，另一种是高温采空区 火 区 ，第三种情况是未冒实采空区。 积水采空区治理措施对于一般采空区由于积水量相对较小，且没有补给水源，影响 露天正常生产，采用在上覆岩层打抽水孔，通过水泵排除采空区积水。对于采空区富水区， 则采用注浆法对采区进行围堵、分割，从而在空间上、时间上实现对采空区积水水量释放 的限制。根据围堵区域水量的大小，利用水泵排除采空区积水后进行爆破或直接对采空区 进行爆破。 高温采空区治理措施对于高温采空区 火区 采用注水降温与采空区泥浆 或水沙 充填两种措施。根据采空区探测情况，对于没有明火的采空区且采空区范围较小、温度在 6 0 度左右的采空区，采用注水降温方案。对于采空区着火严重、面积较大的采空区、温度 较高的采空区，采用泥浆充填措施。 一般空巷的治理措施对于一般空巷，利用爆破方法直接放塌采空区上覆岩层进行采 空区充填。 总之，不论是未冒实的一般空巷还是积水采空区与高温采空区，预处理后最终都要采 区爆破的方法进行处理，露天煤矿采空区处理技术问题可以归纳为采空区岩石台阶爆破问 题，因此，爆破技术成为采空区处理技术的关键。 上覆岩层厚度是作业设备、人员的安全保障，是确定爆破台阶高度的前提，也是确定 炮孔深度的依据，对上覆岩层安全厚度进行研究是研究采空区岩石台阶爆破技术的前提。 1 ．2 ．2 采空区上覆岩层安全厚度研究现状 采空区稳定是矿山安全生产的前提，而采空区上覆岩层是最薄弱的部位，随着露天开 采深度的增加，上覆岩层厚度及应力的变化必然对上覆岩层稳定性产生极大的影响。因此， 露天采场下的岩层必须在一定的厚度范围内，才能保证生产安全及规模效益的持续性。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 采空区上覆岩层安全厚度是在一定的稳定条件下，从采空区顶板到露天工作平盘的垂 直距离。采空区上覆岩层安全厚度是保证作业设备及工作人员可以安全通过的可靠厚度， 也是影响采空区处理的一项重要技术参数。计算采空区上覆岩层的安全厚度是穿孔爆破处 理采空区的重要环节，也是确定采空区处理方案的重要技术参数。确定采空区上覆岩层安 全厚度主要有经验法、数值分析法、半定量分析法及模型预测法等【2 眦引。 近年来数值方法在岩土工程定量分析中应用日益广泛。林杭等借鉴边坡安全系数的强 度折减法提出了采空区安全顶板预测的厚度折减法【2 弛6 1 ，依据M o h r - C o u l o m b 准则，对不 同跨度的采空区分别进行了安全顶板厚度计算；郑颖人[ 2 7 - 2 s 】等采用有限元法研究了地基和 硐室等的极限状态。东北大学的杨宇江【2 9 】博士以齐大山铁矿为工程背景利用F L A C 3 D 软件 和M o h r - C o u l o m b 屈服准则通过极限分析方法和数值模拟技术相结合，研究了在附加载荷 的作用下，不同厚度的采空区顶板的稳定性。张思敏【3 0 】等通过R F P A 数值模拟，分别得到 了顶板开始出现破坏与垮塌两个状态时的临界跨度值与顶板安全厚度值，由此可以得到一 个安全系数值，并给出了不同岩性的项板应当选用的安全数值。 模型预测法在一定程度上综合考虑了影响采空区顶板安全厚度的各主要因素，但模型 预测是以大量的实验数据和监测数据为基础，所建模型很具有针对性，很难用普遍适用的 数学方程来描述采空区顶板安全厚度与各影响因素之间的关系。 吴爱梅【3 l 】在研究露天转地下开采时境界顶柱的最优厚度时，根据实验结果采用多元线 性回归的方法，为马鞍山铁矿3 号矿体建立了安全厚度数值预测模型。王树仁【3 2 J 在考虑动 荷载作用下，以R e i s s n e r 厚板理论为依据，控制条件为岩层拉应力，推导出了动载荷作业 下采空区顶板安全厚度的计算公式，并通过现场验证，具有工程实用性。吴伟东【3 3 J 在考虑 薄顶板岩层影响的情况下，采用物质描述增量有限元法进行数值模拟，并结合力学计算确 定出露天与地下联合开采的安全隔层厚度。 张吉龙等【3 4 】将夹沟矿采空区等效为圆形区域力学模型进行折算，基于R e i s s n e r 厚板理 论，分析了4 种不同荷载、不同岩体组成及不同采空区跨度情况下，采空区顶板的安全临 界厚度，为指导现场工程实践提供依据。 经验公式与理论分析都经过了进行人为的简化与抽象，如半定量分析法，许多学者将 采空区顶板看做弹性梁的近似处理方法，无法体现采空区顶板的空间效应及各向异性。虽 然简化了分析过程，但很多复杂的地质影响因素被概化或忽略，产生的计算误差很大，所 得到的结果可靠性受很大影响，且不能对上覆岩层的动态变形过程进行模拟。田志恒【3 副 等在研究复杂采空区顶板最小安全厚度时认为，利用膨胀系数理论确定采空区顶板最小安 全厚度，可以不考虑地质条件的影响。在不能全面考虑各种影响因素的情况下，综合运用 多种研究方法，如厚跨比计算法、荷载传递线交汇法、破裂拱理论即普氏拱理论法、平板 4 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 梁理论、薄板理论及二维有限元分析法等，进行采空区顶板最小安全厚度分析计算，可避 免因复杂地质影响因素简化而出现较大误差，较准确地确定出能反映岩石条件与采空区特 点的最小安全厚度。秦予辉【3 6 】等采用K ．B ．鲁佩涅伊特理论计算方法及假设条件，建立了采 空区顶板岩石力学模型，应用M A T L A B 数值模拟软件进行了采空区顶板安全厚度计算。 目前关于露天开采范围内井工采空区处理的文献较多，但对于一些难处理或处理成本 较高的采空区，其上覆岩层顶板安全厚度与采空区跨度之间的关系还没有给出统一规范的 公式或方法。 1 ．2 ．3 采空区岩石台阶爆破技术研究现状 关于不存在采空区的露天煤矿台阶爆破，国内外学者己针对爆破参数设计、钻孔、药 包布设、起爆系统、爆破安全、装药机械化以及计算机应用等方面做了大量的研究工作。 顾文彬【3 7 J 等运用非线性有限元法，分析了不同起爆方式下壳体的动力学响应过程，证实了 起爆方式对爆炸效果的影响。庄世勇【3 8 】对南芬露天矿深孔爆破作了详细研究，通过实践证 明排孔微差爆破效果要好于单排爆破。文永胜【3 9 】对九架炉矿台阶爆破进行了研究，采用了 空气中部间隔装药、倾斜炮孔、阶梯形起爆顺序、孔底反向起爆技术进行爆破。臧龙【4 0 】 等采用复合式起爆网络，逐孔起爆一次爆破崩落法对露天矿采空区进行处理，取得了良好 的爆破效果。利用高精度导爆管雷管逐孔起爆技术得到广泛应用。不同于空口爆破，孔底 起爆产生的爆轰波向孔口方向传播，爆轰波衰减速度较慢，孔内的高压持续时间较长，使 得爆轰产物不能在短时间内到达孔外，因而可以起到改善爆破效果得目的作用。 对炮孔相关参数的选择是否合理将直接影响爆破效果，蒲传金【4 l 】分别从炮孔倾斜度、 炮孔直径、孔距和排距、最小抵抗线等因素对爆破效果的主要影响进行了分析，为台阶爆 破设计提供了一定的参考依据。罗勇【4 2 】等利用爆破及应力波理论，通过分析炮孔填塞物的 作用机理，以及炮孔填塞物在炮孔中的运动过程，推导出了炮孔填塞长度的计算公式，对 选取合理的炮孔填塞长度进行现场实验。结果表明理论分析与现场实验相符合，为爆破工 程实践提供了一定的理论依据。 在起爆方式研究中，周楠等【4 3 】采用数值模拟法研究了高台阶爆破起爆方式，认为高台 阶爆破不适宜采用孔底起爆方式，应采用全药柱同时起爆方式或中间起爆、两端起爆方式。 针对露天矿生产爆破过程中易产生飞石和块度不均匀的问题，张袁娟m 】等进行了露天矿台 阶爆破合理填塞长度确定方法的研究，研究中采用了分析软件L S ．D Y N A 建立了有限元模 型，分别对不同充填长度进行爆破数值模拟，确定了合理的炮孔填塞长度。丁希平【4 5 】等通 过建立三维有限元爆破计算模型，分析了炮孔填塞长度对填充区有效应力场的影响，研究 认为深孔台阶爆破有效应力场呈近似椭球状分布，炮孔两端具有明显的端部效应，台阶爆 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 破填充区的有效应力场随填充长度的增加呈指数规律衰减。刘玲平等【4 6 】从改变装药结构着 手研究分析了台阶爆破的粉矿控制，研究中运用数值模拟手段，对台阶爆破采用不同装药 结构时，炮孔内的应力等值线、孔壁应力和粉碎圈范围进行了对比研究，通过对比耦合装 药与不耦合均匀装药，研究了炮孔壁岩体应力变化，给出了降低台阶爆破粉矿的建议。 中国矿业大学丁小华博士H ，建立了前排抵抗线智能优化模型，动态调整首排及后面 各排炮孔至台阶坡面的距离；利用炸药单耗反推计算孔网参数；通过分析爆破设计参数与 爆破效果之间的非线性关系，建立了爆破效果预测模型。 对于存在采空区的露天煤矿，一般先对采空区范围及巷道走向进行勘探，对采空区的 空间位置及形态形成初步认识，并制定一系列具体的采空区生产作业规程。待采掘至采空 区附近时，使用钻机进行钻探，找出采空区的精确位置及平盘面距离采空区顶部的精确高 度。根据所使用的采装设备情况并结合生产经验确定采装设备距离采空区的最小安全距离， 当采装设备距离采空区的距离过小，存在设备陷落采空区危险时，对危险区域提前进行松 动爆破，促使采空区塌陷并充填，然后采装设备再进入塌落区域进行正常作业。 松动爆破是露天煤矿台阶爆破常用的爆破方法，但是松动爆破由于炸药单耗小，导致 爆破震动小，岩石的破碎程度低，不能保证采空区完全塌陷及充填。在采空区上方进行钻 孔勘探及实施松动爆破钻孔任务的钻机由于距离采空区过近，作业过程中存在掉落危险， 影响钻机效率。为了避免这种危险，可以采取在采空区上方台阶并段的方法进行松动爆破， 但并段台阶过高的话，松动爆破后台阶上部容易产生大块，且并段台阶松动爆破后需要形 成新的采装系统，极大降低了设备的效率。 张智明、宋富、胡存虎等【4 8 】在研究复杂地质条件下的采空区爆破技术中，针对黑岱沟 露天煤矿张家圪坦小煤窑采过的2 7 、2 8 、3 1 、3 2 相邻4 片采空区爆破的装药结构及起 爆顺序进行了深入的研究，采用4 个采空区同时起爆、水孔乳化炸药间隔装药及微差起爆 技术，使得相邻4 片采空区完全崩落并填满采空区，爆破效果较好。傅洪贤【4 9 】等分析了抛 掷爆破及欲裂爆破的主要爆破参数。姚建华、宋富国等【5 0 】对黑岱沟露天矿山采空区高台阶 抛掷爆破技术进行了研究，仅把炮孔深度、孔网布置、炸药单耗作为采空区上覆岩层没有 塌陷的原因，并没有对理论深入研究，调整参数后仅是为了保证炸塌采空区上覆岩层。甄 云军【5 l 】结合矿区实际情况，提出围岩强制崩落与深孔台阶爆破崩落联合处理的方法处理采 空区，分析了单层和双层采空区爆破处理时的炮孔布置，并进行了炮孔参数设计。姚建华、 李波【5 2 】在露天矿高台阶抛掷爆破采空区的处理研究中，给出了适合黑岱沟露天煤矿西二、 西四区采空区中孔网参数及单孔装药量。 张东方【5 3 】采用中深孔爆破和深孔爆破相结合的方法对三道庄露天矿不同类型的采空 区进行处理，并1 次爆破同时处理多层采空区。余金勇【5 4 】等根据现场采空区的实际状况， 6 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 选用先击穿项板，后两边帮包夹的爆破方法，对富家坞矿采空区进行处理，效果较单边击 穿好。秦豫辉等【55 J 通过不同采空区处理方法对比，采用了大孔径深孔逐次崩落发对三道庄 露天矿太宝山梁部位大面积、大跨度的采空区进行处理，取得了较好的效果。运用深孔爆 破法在处理不规则的复杂采空区时均取得了理想的爆破效果。 高建敏【5 6 】在分区深孔逐孔爆破处理采空区的工作实践中，主要对起爆方法进行了实践 研究。叶图强等在露天深孔爆破处理大型采空区的实践中，对广东省云浮硫铁矿由井工转 露天开采时深孔爆破施工进行了研究。王春毅等【57 J 在露天中深孔爆破处理地下采空区的实 践中，仅提及用深孔爆破法处理三道庄露天矿采空区，并没有对爆破参数的确定做进一步 详细研究。程建勇等采用地表深孔切割崩落法对洛阳三道庄矿区多层复合采空区进行处理， 采用中深孔切割崩落的方法将上层采空区顶板崩落，同时沿上层采空区的外沿布置深孔， 崩落下层采空区顶板，切割爆破的作用力使得下层采空区项板失稳，在上层岩石塌落的冲 击作用下而塌落，达到一次爆破同时完成4 层采空区的处理，为处理多层复合采空区提供 了技术依据。 贾宝珊【5 8 】等通过分析三道庄矿区地下采空区的基本情况，根据现场实际，以1 3 3 0 台 阶北部采区内的两处采空区为研究对象，按照正常台阶中深孔采矿爆破作业的进度要求， 采用逐孔微差起爆一次爆破的方式，成功的一次处理多层采空区，在露天爆破的同时对地 下采空区进行了爆破处理，爆破效果良好。 张楚灵等【5 9 】采用双行探查孔排距，孔距呈近似等边三角形布置，碎石充填和打抵抗， 分段装药、微差起爆的深孔爆破法处理云浮硫铁矿北三采空区，实践证明该方法可行可靠， 而且安全经济。邢光武等【6 0 】采用条形药包硐室爆破法成功对大峰矿羊齿采区进行爆破，高 温火区煤矿的爆破难题得以解决，同时应采用精确延时干扰减震技术，爆破中没有对周围 环境造成破坏影响。采用条形药室爆破法在处理采空区也得到了具体应用。陈亚军【6 l 】采用 双层药室，采空区塌陷爆破的方法处理铁长沟露天矿地下采空区。刘跃伟将有采矿巷道作 为药室，采用硐室爆破的方法，并根据生产需要，同时采用松动爆破和加强松动爆破队德 兴铜矿采空区进行处理，取得了满意的效果。 2 0 1 0 年哈尔乌素露天煤矿前后两次使用深孔加强松动爆破冒落发，处理了两片探明采 空区，取得了一定的成果，但由于爆破块度等问题，在采掘中出现陷坑现象。2 0 1 1 年，哈 尔乌素露天煤矿将进入小酸刺沟小煤窑开采范围，在总结几次经验的基础上，哈尔乌素露 天煤矿提出抛掷爆破处理采空区方案。此次抛掷爆破区域位于采场西部，爆区长度5 0 0 m ， 宽度6 0 m ，台阶高度3 5 ．4 5 m ，岩石爆破总量为1 2 0 万m 3 ，采空区域占此次爆破的1 1 2 。非 采空区部分按正常的抛掷爆破参数布孔。小酸刺沟小煤窑采空区岩石台阶爆破主要针对采 空区的抛掷爆破的最小抵抗线、采空区装药结构、起爆点选择、连线方式、起爆药量确定 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 进行了试验研究，并取得了较好的爆破效果。 对于露天煤矿开采境界内的采空区，当采空区出现高温和明火时，给爆破带来了更大 的难题。火区爆破不用于一般采空区的爆破，王成通过对大峰矿区的火区特点进行分析， 运用导爆索齐发的起爆方法对大峰采区进行爆破，降低爆破成本，爆破率高于导爆索双排 微差起爆。露天煤矿对于高温区、火区爆破的研究大都趋于耐高温爆破器材及防护材料优 化选择、火区科学施工作业规程的研究。 耐高温爆破器材及防护材料优化选择耐高温爆破器材及防护材料是在高温火区实施 安全爆破作业过程的一种防御性措施，其本质是优化选择在直接高温暴露下或者被防护材 料保护下能够达到的安全有效性的爆破器材及其防护材料。火区科学作业施工规程在高 温火区实施爆破作业具有危险性己被人们公认。很多矿山的火区爆破事故都是由于没有科 学的操作规程而酿成的，有科学规范的高温火区施工作业