基于一次成井技术处理大型空区的试验研究.pdf

第3 3 卷第4 期 爆破 V 0 1 ．3 3N o ．4 2 0 1 6 年1 2 月B L A S T I N GD e c ．2 0 1 6 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 6 ．0 4 ．0 1 0 基于一次成井技术处理大型空区的试验研究米 罗克冰，刘希灵，李启月，饶蒙，潘梦成，王金鹏 中南大学资源与安全工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要采空区是矿山生产的安全隐患之一，尤其是一些由地下开采转为露天开采的矿山，由于之前不合 理的规划和开采致使露天开采台阶面下隐伏了大量未经处理、信息不详且不能进入的采空区．这些采空区严 重威胁着台阶面作业人员和设备的安全。运用激光三维扫描技术通过地表钻孔对台阶面下空区进行精确探 测，得到空区边界带有三维坐标的点云数据，从而获得空区的详细信息如大小、形状、方位等。同时结合矿山 实际工程情况，提出针对特大采空区的处理方案。以洛阳栾川钼业集团股份有限公司三道庄露天矿为背景， 对露天开采台阶面下大型空区的处理进行分析研究，选取一大型复杂空区，结合激光三维探测数据，在考虑 安全、经济、技术的前提下，提出一种基于一次成井技术的深孔爆破消空处理特大采空区的方法。 关键词露天开采；采空区；三维激光探测；一次成井；深孔消空爆破 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 4 0 0 5 5 0 5 S t u d yo fP r o c e s s i n gL a r g eC a v i t yb a s e do n O n eT i m eR a i s eD r i v i n gT e c h n o l o g y L U OK e b i n g ，L I UX i - l i n g ，L IQ i y u e ，R A OM e n g ，P A NM e n g c h e n g ，W A N GJ i n - p e n g S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t C a v i t yi so n eo ft h eh i d d e nd a n g e r sd u r i n gm i n i n gp r o d u c t i o n ，e s p e c i a l l yd u r i n gt h ep r o d u c t i o nf r o m u n d e r g r o u n dm i m n gt os u r f a c em i n i n g ．B e c a u s eo ft h o s ei n a p p r o p r i a t ep 嘲e c t sa n dp r o d u c t i o n s ，m u c hu n m a p p e da n d u n a c c e s s i b l ec a v i t y sw e r eh i d d e nu n d e rt h es u r f a c em i n i n gp l a t f o r m s ，w h i c hs e v e r e l yt h r e a t e n e dt h ep e r s o n n e la n de q u i p m e n t ss a f e t y ．Ar u g g e d i z e ds m a l ll a s e rs c a n n e rc a nb eu s e dt h r o u g hb o r e h o l et oo b t a i nav e r yc l e a tv i s u a l3 D m o d e lo ft h ec a v i t y ，s u c ha st h es i z e ，t h es h a p ea n dt h eo r i e n t a t i o no ft h ec a v i t y ．M e a n w h i l e ，t h e s ed e t a i l e dd a t ao f c a v i t ya r ee s s e n t i a lf o rl a t e rp l a n n i n go fd i s p o s a la c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g ．Al a r g ec a v i t yu n d e rS a n d a o z h u a n gs u r f a c em i n i n gw e r ec h o s e nt os t u d yt h ed i s p o s a ls c h e m e ．B a s e do nt h ed e t e c t e d3 Dd a t u mb yl a s e rS C a n n e r ，t h eo n e s t e ps h a f tf o r m a t i o nt e c h n i q u eW a se m p l o y e dt of o r mal a r g e d i a m e t e rs h a f ti nc a pr o c ka b o v et h ec a v i t y ． T h i ss h a f tw i l lb eu s e da sc o m p e n s a t i o ns p a c ef o rl a t e rb l a s t i n gu n d e rt h ec o n s i d e r a t i o no fs a f e t y ，e c o n o m ya n dt e c h n o l o g y ． K e yw o r d s S u r f a c em i n i n g ；c a v i t y ；3 Dl a s e rs c a n n i n g ；o n e s t e ps h a f tf o r m a t i o n ；d e e ph o l eb l a s t i n g 自上世纪5 0 年代开始，由于国家经济发展的需 要，矿产资源成了推动各行各业发展的原材料。全 收稿日期2 0 1 6 0 8 1 3 作者简介罗克冰 1 9 8 9 一 ，男，硕士，主要从事矿山开采和深孔爆 破方面的研究工作， E m a i l 6 2 4 5 0 8 4 7 l q q ．e o l n 。 通讯作者刘希灵 1 9 8 0 一 ，男，博士，现任讲师，主要从事岩土工程 灾害监测及安全预警方面的教学与研究工作， E m a i l L x l e n g l i s h 1 6 3 ．c o m 。 基金项目教育部博士点基金项目 2 0 1 1 0 1 6 2 1 2 0 0 5 7 国上下兴起了对矿产资源的开采，大多数矿山主要 以地下开采为主，开采过程中，由于矿山历史条件限 制，对开采留下的空区没有进行详细的记录。有些 采空区就算记录了，但是空区形状怎样、空区体积多 大又缺乏考查，加之某些矿山出现盗采现象特别严 重，导致矿山地下千疮百孔，根本无法记录。到上世 纪9 0 年代，随着矿山发展，许多矿山开始从地下开 万方数据 5 6爆破 2 0 1 6 年1 2 月 采转为露天开采。但是这些露天矿山开采台阶面下 存留的空区危害，直接制约了露天采矿的发展，对露 天台阶上作业的设备及工作人员的安全构成了极大 的威胁。采空区处理是保证露天安全开采的关键， 也是迫在眉睫需要解决的问题。基于此，有两个问 题需要弄清楚第一，采空区详细信息的收集；第二， 合理的采空区处理方案。针对第一个问题，关键技 术就是安全准确地探测地下空区，尤其是一些由于 安全原因不可进入的或无法进入的空区。目前，在 采空区探测的应用方面，国内外主要是以采矿情况 调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、 水文试验等。然而常规探测方法对空区的探测要依 赖于空区周围的岩、土体进而确定空区异常体，不同 的探测方法适用于不同的地质条件，往往我们所面 临的地质情况都是很复杂的，这就极大的阻碍了对 探测结果的准确解释。近年来，基于激光测距技术 的空区三维探测方法在国外矿山得到了广泛应用， 尤其对一些无法进入的空区或由于安全原因不能进 入的空区，选择合适的激光探测设备既能准确地探 测空区三维模型，又能很好地保证探测人员的安全。 在国内矿山工程，我们也成功地将该技术应用于洛 阳栾川钼业集团股份有限公司三道庄矿地下空区的 探测，对收集空区资料起到了关键性的帮助4 1 。 对于第二个问题，综合国内外采空区的处理方 法，主要是“崩”、“充”、“撑”、“封”等4 类基本的采 空区处理方法和4 种形式的联合法∞’6 1 。在崩落法 条件允许的矿山中，崩落法因它技术上的优点，无疑 是首选。在工程应用中，矿山都根据空区实际情况， 选用不同的爆破方法处理。就第二个问题，以洛阳 栾川钼业集团股份有限公司三道庄露天矿为背景， 对露天开采台阶面下典型空区进行分析研究，结合 原始处理方法进行对比，找出此种空区合适的处理 方法，对不足之处进行完善，为矿山后续该类型空区 处理提供解决依据。提出符合实际的有效的基于理 论分析、现场实施并不断验证的一种处理露天下覆 特大型采空区的处理方案。 1 工程地质概况 洛阳栾川钼业集团股份有限公司三道庄矿是国 内一家典型的由地下开采转为露天开采的矿山。矿 区经历了2 0 余年不合理的地下开采，在矿山现有露 天开采境界内，不但存在为数众多且大小不详的民 采空区，而且也存在大规模分段凿岩阶段落矿空场法 留下的特大空区。据统计，露天矿坑内有形态各异且 资源匮乏、大小不等的采空区1 0 0 多个，总容积达 1 0 0 0 余万m 3 。2 0 0 3 年该公司决定对矿区露天采场 进行扩建，扩大矿山的生产能力。随着三道庄持续地 露天剥离，各开采台阶与采空区的隔离层厚度越来越 薄，露天开采作业人员与大型设备受到采空区的直接 威胁，随时有可能因地表坍塌而发生重大安全事故， 直接制约了露天开采的安全高效原则。所以对空区 的处理就成为了保护矿山安全开采的前提。 图1 为1 4 3 8 台阶特大型空区激光三维探测点 云图，图2 为在C A D 中显示网格交点两个标高的平 面图。探测所得的数据在激光三维探测设备软件中 处理后可形成三维模型，处理后的模型 包括三角 网模型 可以导入S U R P A C 和C A D 中，经计算，爆 区爆破面积为8 6 8 3 ．6 3i n 2 ，空区体积为 1 5 70 7 8m 3 ，爆破顶板厚度在2 6 6 8m ，平均钻孔深 度3 5 ．5m 。 1 4 3 8 台阶是矿区典型的特大采空区。主要以 矽卡岩、硅灰石角岩为主，矿岩硬度系数f _ - 1 2 ～1 6 ， 矿岩坚硬。没有大的构造带，无岩浆岩出露。 1 4 3 8 台阶空区激光探测三维 l a s e r3 Do o i n t sc ] o u 1o fc a v i t v j 3 6 33 6 5 了 ＆ l ■艘塌陷区l f ／ f ，豇j 曲～8 58 3 2 ，№0 4 8 ≮ 3 9 l0 2 一， 3 7 世尹。 t 一4 8 0 0 霸 妙 ＼ ‘、| Ⅸ1 4 目3 8 。r F t 十探剥孔 旋 面积S 9 6 S 36 1 1 9 42 8 8。爪 ] 刁蒜霜器舔嚣袁装”“4 I 、 婆。 心 ．L4 7 5 0 ／。1 鬻薏二＼＼／ 糍争 ＼≥吕 乏 一 、＼ 图2C A D 中1 4 3 8 台阶空区水平投影边界图 F i g ．2C a v i t yh o r i z o n t a lp r o j e c t i o nb o u n d a r y g r a p ho f1 4 3 8b e n c hi nC A D 舶■■■■■■■■■■■●■■■■■■■■■■● 万方数据 第3 3 卷第4 期罗克冰，刘希灵，李启月，等基于一次成井技术处理大型空区的试验研究 5 7 2 一次成井技术及深孔爆破一体化处理 通过空区三维探测方法，收集到了空区赋存资 料，在进行钻孔设计中，考虑到炸药爆破漏斗和岩石 爆破松散系数，在离空区边界小于3m 的距离无需 布孔，也可很好的处理空区。而且，台阶下的空区爆 破处理与其它空区处理有一定的差异，由于不断的 台阶爆破处理与露天爆破作业，台阶上都会留几米 疏松的岩石墟渣，所以在爆破具体设计时，应予以考 虑。本台阶上墟渣厚度为41 1 1 。 2 ．1 技术难题 考虑到1 4 3 8 采空区不仅大，爆破面积接近 9 0 0 0m 2 ，空区体积达1 5 ．7 万m 3 ，而且上覆岩石厚 度大，最厚达到6 8m 。如果采用深孔爆破一次处 理，爆破过程中，爆破自由面小，夹制性大，炸药消耗 量大，岩石块率不易控制、而且爆破安全系数低。 基于以上原因，考虑到我们之前在该矿区试验 了深孔爆破一次成井技术，成井深度达2 3m 、3 0m 、 3 2m 、4 5m ，除4 5m 没有取得预期效果外，其它都达 到了很好的试验效果。李启月等通过试验、总结，提 出了深孔爆破一次成井分直孔掏槽模式和多孔球状 药包爆破模式，详细阐述了2 种模式的使用条件“ j ， 赵井清等对爆破一次成井技术炮孔参数选取作了很 好的分析、处理旧J ，李金跃等对一次成井技术应用 作了成井设计改进∽J ，李启月和刘冰川等又对深孔 爆破一次成井炮孔合理堵塞长度作了详细阐述。1 ⋯。 所以，一次成井技术的应用已经十分成熟。 针对1 4 3 8 采空区的特点，如果能通过一次成井 技术先在该空区上覆岩石成一个大断面的天井，再 按台阶爆破微差爆破处理空区，可成功解决上述问 题。我们在通过一次成井试验后，虽成功地形成了 断面直径为6m 的天井，但是在爆破过程中，由于台 阶面墟渣与爆破漏斗的作用关系，爆破后导致天井 上端喇叭口直径竟达2 0 多m 。这样，会对后续爆破 钻孑L 带来很大的安全、技术障碍。 考虑到天井上端喇叭口的技术难题 1 一次 成井掏槽孔上段需减少装药量； 2 在设计一次成 井断面的时候，在离断面边上周围3 ．5m 处多设计 一圈D 1 4 0m m 的深孔爆破修正孔。深孔装药量分 两段装药，上段装药量按松动爆破漏斗装药量装药， 在整个天井爆破2 5 0m s 后再起爆。通过该技术处 理，可很好解决此技术难题。 提出预先在该空区上覆岩石中心通过爆破一次 成井技术设计一个直径为1 0 ．4I F I 断面的天井，附之 深孔爆破修正孔设计，最后形成一个断面直径为 1 7n l 左右的大天井。待一次成井后，在空区上覆岩 石井口周围采用圆形布孔，利用台阶侧爆爆破的方 法，深孑L 分段装药，上下分层内各T L N 用微差爆破， 逐层爆破，空区内层向外层也利用微差爆破，逐层爆 破，最后处理空区。 2 ．2 成井爆破断面相应参数 1 断面球状药包布孔方式 球状药包成井孔布置方式采用圆形布孔。圆形 布孔时，井孔四周夹制性相同，各孑L 抵抗线相同，能 有效利用各炮孔能量，取得良好的爆破效果。 2 球状药包孔间距、预裂孑L 间距和爆破孑L 间 距的确定 在1 4 3 8 台阶上覆岩石中心处实施一次成井，所 掘天井与3 0I l l 下特大采空区相贯通，成井断面直径 规格为1 7m 。成井共需要1 9 个掏槽孑L ，其中在直 径为2m 的内圆上布置6 个，孔间距为2m ；直径为 3 ．8m 的外圆上布置1 3 个，孔间距为2m ；同心圆中 心布置1 个。炮孔孔径为2 5 0m m ，如图3 所示。 4 2 气 k r 3 4 4 ．2 0 图3 球状药包爆破一次成井炮孔布置图 单位m F i g ．3 H o l e sa r r a n g e m e n to fs p h e r i c a l c a r t r i d g er a i s ef i r i n g u n i t - 1 3 1 在成井断面边缘布置2 5 个预裂孔，孔间距为 1 ．31 T I ，炮孔直径为1 4 0i n m 。 在离成井断面边缘3 ．5 m 处布置1 3 个深孔爆 破修正孔，孑L 间距为4 ．2n l ，炮孔直径为1 4 0m i l l 。 钻孔总量为1 7 1 0m 。 3 装药量计算 掏槽孔Q 1 1 0 5 4 5 4 0 k g 预裂孔Q 2 1 ．9 1 3 0 5 7 ．3 k g 修正孑L q ， 0 ．6 7 3 ．5 5 2 7 3 1 6 ．5 7 5 k g 成井断面掏槽孑L 单孔单层装药为5 4k g ，为减少 台阶墟渣抛掷量，掏槽孔上层装药4 4k g ；预裂孔单 ● ％ 2 ● 卯 ～ 拍． 筋． m ● M ． 9 嬲 ● ． 丝● 2 ● ● 万方数据 5 8爆破2 0 1 6 年1 2 月 耗取q ， 1 ．9 1k g ／m ；修正孑L 单耗取g 0 ．6 7k g ／m 3 ， 总装药量为1 56 1 8k g 。 4 装药结构 掏槽孔孔内装2 岩石乳化炸药，装药长度与孑L 径比不大于4 。球状药包成井孔设计的分层高度为 3I T ／，分层装药高度为1m 。中间分层为第7 分层， 3 0m 天井划分为9 分层。 预裂孔径向采用不耦合装药，横向连续装药，预 裂孔底端填塞0 ．8m 炮泥，顶端填塞2 ．0m 。 深孔爆破修正孔内采用孔内上下二分段问隔装 药。在下部充填3m 后再进行分段装药。下段装药 长度1 0m ，上段装药长度8m ，中间充填高度3m ， 深孔上部充填6m 。 5 雷管延期控制 起爆选用高精度数码雷管 1 ～1 6s ，预裂孔超 前球状药包成井孔第1 分层1 0 0I n S 起爆。第1 ～6 分层向下爆破，第9 和8 分层向上爆破，第6 分层最 后爆破，爆破时存在上下2 个自由面，因此第7 分层 上下同时起爆。爆破遵循同分层各孔采用同段同 响，不同分层各孔延期爆破，延期时间由分层高确定 的原则。 装药结构及雷管延期时间如图4 。 2 5 1 03l61 6 3 7 √ - A ＼- - 盈 ‘| 咚 o ∽ 第9 分层 口’ t 1 0 0 m 8 o ∞∞ 1 3 0 0I l l s 第8 分层 可’ i ∞J l ，_ _ 1 ’ o 第7 分层 6 ■ 1 5 0 0r r l s o 芍。 ∞ ∞l 第6 分层 一 1 2 5 0 m s n 百。 - 一- 一 o ∞ o 第5 分层 一 t 0 0 0I l l s n ’百‘ d ． 7 5 0 m s 第4 分层 百’ o oJ I l n 第3 分层 5 0 0 m 8 卜 o o 第2 分层 2 5 0 m 8 o o n 第1 分屡百。 0 m 8 L l习巨 璧／。＼＼ o㈨ 精 采空区 图4 球状药包爆破一次成井分层图 单位m F i g ．4S l i c i n gd i a g r a mo fs p h e r i c a l c a r t r i d g er a i s ef i r i n g u n i t m 2 ．3 空区爆破参数设计 1 钻孑L 设计 考虑到空区不仅大，而且上覆岩石厚度大，采用 微差爆破一次成井为空区爆破提供了自由面。采用 圆形布孔，孔网参数设计为3 ．5m 5 ．0m ，即排距 为3 ．5m ，孔距为5 ．0m 。孔深为2 8 ～6 8m 。空区 共钻孔D1 4 0m m 孔4 3 3 个，钻孔总量为1 53 7 2m 。 2 装药量计算 采用公式 Q q a b h 式中Q 为炮孑L 装药量，k g ；g 为单耗炸药消耗 量，k g ／1 T 1 3 ；o 为炮孔间距，i n ；b 为炮孔排距，m ；h 为 炮孔有效深度，i n 。 该爆区取药量单耗取g 0 ．5 4k g ／m 3 ，装药总量 为1 3 29 8 5k g 。 3 装药结构 采用分段间隔装药结构。基于空区三维探测准 确性，在钻孔时，孔下端保留2 ．5 3 ．0i n 岩石不钻 穿；炮孔上端充填堵塞高度为3 ．5 4 ．2i n ，中间充 填堵塞为3 ．0i n 。各段起爆体用导爆索相连接。充 填堵塞采用细岩粉密实。见图5 。 4 爆破网路设计 本次爆破爆区采用奥瑞凯非电毫秒延期雷管， 起爆网路为导爆索一导爆管雷管复式闭合网路。为 保证安全，深孔采用双管双起爆具引爆。 5 爆破效果预测 基于深孔处理特大型采空区，引入一次爆破成井 技术为空区处理提供自由面，并且合理设计微差爆破 网路，按单孔自下而上分段爆破、逐排依次起爆原则。 不仅可以利用1 4 3 8 空区为自由面，也可以利用成井 产生的侧向自由面，互相补偿，使得爆破块率得到很 好地控制，并且分两次爆破也提高了爆破安全系数， 可以很好地处理1 4 3 8 特大采空区。见图6 。 3 爆破效果预测 3 ．1 爆破飞石最大抛掷距离 根据公式u 邑 2 0 n 2 巧W 式中R ，为个别飞石最大抛掷距离，m ；n 为爆 破作用指数，取0 ．8 ；K r 为与地形、风向有关的影响 因素，取1 ．5 ；W 为最小抵抗线，i n 。 得R ， 1 1 5 ．2m ，但考虑个别孔充填质量未达 到要求，预计个别飞石可达2 0 0I T I 。 万方数据 第3 3 卷第4 期罗克冰，刘希灵，李启月，等基于一次成井技术处理大型空区的试验研究 5 9 3 ．2 爆破崩落范围预测 取爆破碎胀系数为1 ．6 ，爆破后，总的岩石爆破 体积为4 0 ．7 万m 3 ，塌陷岩石面到1 4 3 8 台阶面为 2 3 ．1m ，如图2 所标示的爆破岩石塌陷范围。 a 3 0 m 以上深孔多分段 装药结构图 充填 起爆 充填 b 3 0l n 深孔三分段 装药结构图 图5 深孔爆破消空中炮孑L 装药结构示意图 F i g ．5C h a r g i n gs t r u c t u r ed i a g r a mi nd e e pb l a s t i n gh o l e S 。j 。。主 ’、 ．．． 厂 卜．．j j 弋 ＼ r ．弋一一 ≯ ．．十4 s o o．。’ 2I ．．a 6 0 5 0 ． ．． ●●●● ．’ 0 二‘． 卜‘．． ．．． I 之 ‘‘二‘。 } ‘‘ 。．7 ． ．＼ 一泌o ＼ ．’ ；1 5 0 一 ～ ‘6 0 5 0 ． ．．， ＼o．’j ．7 弋。 ．／～ - - - - J ．了 图6 基于一次成井及深孔爆破技术处理 采空区的炮孔布置图 F i g ．6 B l a s th o l el a y o u to fs p h e r i c a lc a r t r i d g er a i s ef i r i n g a n dd e e ph o l eb l a s t i n gt r e a t m e n tc a v i t y 实践证明，爆破实际效果与理论爆破预测基本 吻合，如图7 所示，实现了安全、合理处理空区的 目的。 图7 采空区处理的爆破照片 F i g ．7 P h o t oo fc a v i t yb l a s t i n gt r e a t m e n t 4结论 1 引入激光测距技术的空区三维探测方法， 不但详尽地收集到了探测空区地下三维空间赋存资 料，而且易于空区稳定性分析，得出可以在安全条件 下处理该空区。为空区详细的爆破设计提供了技术 优势和安全保障。 2 基于一次成井技术的成熟应用，结合深孔 爆破修正孔的合理设计，解决了成井过程中出现的 天井上端喇叭口的技术难题，不但为下一步采空区 钻孔作业提供了安全前提，而且也为整个空区的处 理提供了充足的自由面。 3 根据空区实际情况，分二次处理空区，在提 高爆破安全系数条件的同时，第一次成井为第二次 处理空区提供的自由面，很大程度地减少了炸药装 药量，降低了炸药网路连接的复杂程度，易于微差爆 破技术的使用。而且爆破后，破碎岩石合理块率显 著改善，减少了二次爆破程度。 4 详细叙述了地下空区处理的一整套设计处 理方案，重点以地下特大空区的处理为背景，提出基 于一次成井技术于采空区的消空爆破处理方案。有 一定的安全、技术、经济优势，值得推广。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 刘希灵，李夕兵，刘科伟，等．地下空区激光三维探测 及稳定性分析[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 9 ，3 8 4 5 4 9 - 5 5 3 ． 下转第1 1 1 页 万方数据 第3 3 卷第4 期 宋敬利，赵红光，李琛水下爆炸作用下舰船设备冲击谱计算方法研究 1 1 1 上接第5 9 页 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] L I UX i - l i n g ，，UX i b i n g ，L I UK e w e i ，e ta 1 ．L a s e r3 Dd e t e c t i o na n ds t a b i l i t ya n a l y s i so fu n d e r g r o u n dc a v i t y [ J ] ． J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ． 2 0 0 9 ，3 8 4 5 4 9 - 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