局部爆破法强制崩落采空区的应用实践.pdf

第 33 卷 第 1 期 2016 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol 33 No 1 Mar 2016 doi 10 3963/ j issn 1001 -487X 2016 01 017 局部爆破法强制崩落采空区的应用实践* 林谋金 1， 2， 黄胜贤1， 陈晶晶1， 沈兆武2 （1 宏大矿业有限公司， 广州 510623； 2 中国科学技术大学 近代力学系， 合肥 230027） 摘 要 为了能准确有效地对采空区进行处理， 采用三维激光扫描对采空区进行扫描并获取其参数， 根据 参数分析采空区的稳定性。结果表明 工程实例中的采空区中部顶板厚度小于最小安全厚度， 因此需要对空 区采用边界局部爆破法进行强制崩落处理。另外根据三维激光扫描得到的空区参数可对采空区爆破处理后 的填充效果进行评估， 为后续露天剥采作业提供安全保障。 关键词 露天开采；采空区；三维激光扫描；效果评估 中图分类号 TD235 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2016） 01 -0089 -04 Application of Small Area Blasting for Caving Goaf LIN Mou-jin1， 2， HUANG Sheng-xian1， CHEN Jing-jing1， SHEN Zhao-wu2 （1 Hongda Mining Co Ltd， Guangzhou 510623， China； 2 Department of Modern Mechanics， University of Science and Technology of China， Hefei 230027， China） Abstract In order to dispose goaf effectively and accurately， the specific parameters of the underground goaf are obtained by the cavity auto-scanning laser system， which provides a basis for the analysis of goaf stability The results show that the thickness of goaf in the central was smaller than the safe range， and the local blasting along the border should be adopted to force caving mine goaf The padding effect is uated according to specific parameters of the underground goaf， which provides security for the subsequent open-pit Key words opencast working；mine goaf；cavity auto-scanning laser system；effect appraisal 收稿日期 2015 -10 -19 作者简介 林谋金 （1985 - ） ， 男， 博士、 工程师， 主要从事爆炸力学及 采空区治理相关领域研究，（E-mail） lmj2012pt163 com。 基金项目 广东省产学研合作院士工作站 （2013B090400026） 由于露天开采具有改善劳动条件、 高效利用采 掘设备以及降低生产成本等诸多优点， 因此部分有 色金属矿山利用地采转露采的开采方法对隐患资源 进行复采 ［1］。随着露天开采层面的逐年下降， 采场 距离原地采遗留的采空区越来越近， 施工安全问题 比较突出， 为了实现遗留采空区治理与隐患资源开 采协同作业， 需要对采空区进行探测和处理， 目前采 空区处理的方法主要为充填法和崩落法 ［2］。由于 大宝山矿需要处理的采空区均在露天开采设计范围 内， 如采用充填法进行处理， 存在二次装运的问题， 经济上不合理， 因此采空区的处理往往采用崩落爆 破法进行处理， 目前爆破处理方法主要有硐室爆破、 中深孔爆破以及诱导爆破崩落。张成良等针对采空 区暴露面积大以及围岩坚硬的特点， 提出了采用硐 室爆破崩落围岩的方法来处理采空区， 结果表明采 用硐室爆破处理采空区的方法不仅可行而且有 效 ［3］。王春毅等采用中深孔爆破成功处理了下层 空区顶板与上层空区底板之间隔层厚度小于最小安 全厚度时的多层空区 ［4］。贾宝珊采用微差起爆方 法在正常台阶中深孔采矿爆破作业的同时同步对爆 区内的空区进行处理， 爆破效果良好 ［5］。首先采用 自动激光扫描系统 （CALS） 对空区进行三维扫描并 获得采空区的几何参数， 然后根据参数对空区爆破 方案进行合理设计以及对爆破后填充效果进行评 估， 该处理流程可为处理空区提供一定的参考价值。 1 工程概况 本文处理的采空区位于大宝山矿 35 线原650 m 中段 7 号采场周边， 在采空区北边有三处塌陷区， 采 空区的南部部分位于 685 平台与 697 平台的边坡 上。根据地质资料可知采空区所在的岩层位于中泥 盆统东岗岭组下亚组 （D2da） ， 附近工程地质钻孔所 取岩芯显示该区域岩体破碎， 大部分为松散体， 岩体 条件较差。现场潜孔钻从地表到钻至2 m 吹出的岩 粉为白色， 而后吹出的岩粉为灰色， 因此判断该采空 区顶板大部分为硫砂矿。在 685 平台钻孔后对该采 空区进行了三维激光扫描， 采空区空间位置如图 1 所示。由三维激光扫描得到采空区的投影面积为 852 7 m2， 空区的体积为 5200 m3， 空区最大高度为 16 3 m， 其出现在空区中部， 空区顶板到地表的最小 厚度为 11 9 m， 最大跨度为 22 6 m， 长度为 56 m， 采空区标高为 656 673 m。 图 1 采空区空间形态 Fig 1 The goaf spatial 2 空区处理 由于采空区在爆破施工时可能面临塌陷， 因此 在确定爆破方案前需要分析采空区的安全厚度， 即 爆破处理空区需要制定一定的流程， 具体空区处理 流程如图 2 所示， 其中采空区的位置形状参数已经 通过上述的三维激光扫描得到。 2 1 空区安全性分析 目前可用于采空区顶板保安层厚度的理论计算 方法有很多种， 主要有传统顶板厚度分析方法， 包括 载荷传递线交汇法、 厚跨比法、 梁板受力情况估算法 等， 另外还有极限分析法及弹性小变形薄板理论方 法。牛小明将载荷传递线交汇法、 厚跨比法以及梁 板受力情况估算法进行综合分析判断， 拟合得到不 同岩性的采空区跨度和顶板安全厚度之间的关系 式 ［6］； 邱海涛基于极限分析法与弹性力学小变形薄 板理论分析法得到的硫铁矿采空区跨度和顶板安全 厚度进行拟合得到的表达式为 ［7］ h 0 76b 3 53（1） 式中 h 为顶板厚度， m； b 为采空区的跨度， m。根据 现场岩性可知文中采空区的岩性为硫砂矿， 该采空 区中部最大跨度为 22 6 m， 因此根据式 （1） 计算可 得 h 20 7 m， 由三维激光扫描结果显示该空区中 部顶板厚度为 11 9 m， 其小于最小顶板安全厚度 20 7 m， 处于高度危险状态， 随时有塌方的可能性。 另外， 由于 35 线 655 采空区顶板以松散岩体为主， 在采空区上方作业风险较大， 且钻孔成孔困难， 因此 爆破设计时在采空区中部区域不布置炮孔。位于采 空区的北部顶板厚度为 15 17 m， 其最大跨度为 14 8 m， 根据式 （1） 计算可得 h 14 78 m， 该部分空 区顶板厚度略大于最小顶板安全厚度， 因此在空区 北部采用全面布孔进行爆破强制崩落， 另外空区北 部存在原先的塌陷区也有利于改善爆破效果。位于 685 平台南部边坡下的采空区跨度为 22 1 m， 根据 式 （1） 计算可得 h 20 3 m， 实际该部分采空区顶板 厚度为13 85 m， 其小于顶板安全厚度 20 3 m， 不宜 在其上面进行打孔， 因此在空区南部仍采用爆破切 割崩落。综上所述， 该采空区的处理整体方案定为 采空区周边加强切割和局部加密孔崩落， 即采用局 部爆破法强制崩落方式处理采空区。 图 2 空区爆破处理流程 Fig 2 The goaf blasting process 2 2 参数设计 在大宝山矿台阶爆破中， 根据所在区域的岩性 并经实践验证的炸药单耗为 0 5 kg/ m3， 炮孔单位 长度装药量约为 13 8 kg/ m。为了改善采空区的填 充效果需要增加炸药的单耗来提高采空区的岩石破 碎程度， 但考虑到炮孔底部为采空区， 其下盘阻力没 有台阶爆破的下盘阻力大， 因此采空区爆破处理的 炸药单耗仍采用 0 5 kg/ m3。空区处理爆破布孔分 为北部爆破强制崩落区及南部爆破切割崩落区， 根 09爆 破 2016 年 3 月 据三维扫描空区得到的平均孔深以及装药量计算公 式， 北部强制崩落区采用4 m 4 m 布孔。考虑到安 全因素， 空区中间部分爆破区域的排距则依据潜孔 钻机的长度设计为 2 m， 孔距为 4 m， 其中靠近空区 中部的炮孔为倾斜孔， 其倾角为 80， 因此底部排距 约为 3 5 m。文中采用爆破切割崩落空区顶板来填 充采空区而不需要对边帮进行爆破填充， 因此将最 外围的炮孔布置在空区边帮略靠近空区中部的位 置， 炮孔分布如图 3 所示， 其中钻孔直径为 140 mm， 图 3 编号中前半部分为雷管段别， 后半部分为同一 段别的炮孔编号。为了达到预期的爆破效果， 南部 边坡下的空区需要增加两个倾斜孔， 其倾角为 70， 如图 3 中所示的孔 8 -7 以及孔 9 -4。 图 3 采空区平面位置与爆破网路示意图 Fig 3 The planimetric position and blasting network 由于离采空区爆破区域距离为 56 m 处有一平 硐， 为了保证平硐的安全， 本次爆破需要考虑爆破振 动对平硐的影响。根据爆区与平硐距离及其最大允 许质点振动速度 20 cm/ s （矿山巷道 围岩稳定无支 护） 进行计算来控制爆破药量 ［8］。大量实测资料表 明， 爆破振动的大小与炸药量、 距离、 介质情况、 地形 条件以及爆炸方法等因素有关， 目前主要根据萨道 夫斯基经验公式进行计算， 其表达式为 ［9］ Q R3 V K 3 α （2） 式中 V 为保护对象所在地质点振动安全允许速 度， cm/ s； R 为测点到爆源中心距离， m； Q 为延时 爆破中最大一段药量， kg； K 为与炸药性质、 爆破方 式、 地形地质条件有关的系数； α 为衰减指数。根 据公式及现场地质条件取 K 256， α 1 7 并计算 得到允许最大单段起爆药量 Q 为 1953 kg。空区 爆破网路采用目前矿山使用的地表逐孔网路连 接， 根据控制最大起爆药量的要求进行分段起爆， 孔内使用双发非电毫秒延期雷管， 雷管段别从2 段 到 9 段。由于采空区的北部存在塌陷区， 因此爆 破首先从爆区西北部双排同时起爆， 并选用对角 起爆顺序， 爆破网路如图 3 所示， 其中炮孔的编号 首数字为雷管段别。另外由图 4 可得爆破网路中 的最大单段装药量为 1240 kg， 小于最大单段允许 药量， 满足平硐振动安全要求， 其中使用炸药总量 为 6006 kg。 2 3 钻孔与装药 为了准确掌握炮孔底部与采空区自由面的距 离， 防止因炮孔底部的抵抗线过小引起炸药能量的 损失， 实际钻孔优先采用穿透后再进行统一堵塞炮 孔底部处理， 另外由于炮孔打穿导致炮孔内无水， 可 给装药带来便利。在打孔过程中作好孔深记录， 以 便设计装药量， 在钻孔过程中若遇到卡钻， 说明钻头 可能将要钻透空区 （空区顶板岩石较为松散， 容易 卡钻） ， 并根据周围钻孔深度判断是否需要部分回 填。655 采空区的孔深分布图如图 4 所示， 该采空 区爆破处理共设计钻孔 47 个， 钻孔总深度为774 m。 由于采空区具有塌陷危险， 因此需要划定警戒区域， 钻孔施工中的设备均停于采空区警戒范围外， 并保 证在同一区域只有一台钻机进行作业， 在钻孔作业 时， 必须有专人观察周围岩层的动态， 若发现异常需 立即撤离。 图 4 孔深分布图 Fig 4 The hole depth distribution 由图 4 可得， 段别为 2、 3、 4、 5 以及 9 的炮孔孔 深分布比较均匀且都穿透， 而段别为 6、 7 以及 8 的 炮孔孔深差异较大， 甚至有部分孔深将要接近空区 19第 33 卷 第 1 期 林谋金， 黄胜贤， 陈晶晶， 等 局部爆破法强制崩落采空区的应用实践 的底部深度而未穿透， 其原因可能是由于炮孔定位 或者三维扫描存在误差以及空区截面的不规则性而 将炮孔打到空区的边帮上， 因此对于孔深超过周边 穿孔孔深 2 m 仍未打穿的炮孔则不需要继续钻孔， 其可在保证爆破效果的前提下提高经济效益， 另外 边帮上的炮孔也可采用向空区中部倾斜一个小角 度， 确保炮孔穿透空区。 在工程爆破中， 岩石的移动与破碎主要是由爆 炸冲击波、 爆炸产物气体的楔入以及界面反射波的 共同作用引起的， 而炮孔堵塞主要是为了防止爆炸 产物气体泄露而造成炸药能量损失， 因此炮孔堵塞 质量关系到爆破效果， 若堵塞长度过小， 不仅引起冲 天炮导致能量损失， 且易出现飞石， 若堵塞长度过 大， 将引起炮孔利用率低， 导致炸药对岩石的爆破作 用强度不够， 并使大块增多。为了使爆破后岩石块 度更均匀， 有利于对空区进行填充， 对于孔深大于 18 m 时采用间隔装药， 中部用 2 m 空气间隔， 空气 间隔的上下部分都用同段双发雷管起爆， 其中， 空气 间隔施工时将装有少量土的编织袋制成直径与药卷 相近的圆柱状， 用铁丝捆住后下放到到炮孔中预定 位置， 然后将孔口的铁丝固定在炮孔边上的沙袋后 继续装药卷， 对于孔深小于18 m 采用连续装药。另 外透孔应先吊孔堵塞并参考大宝山台阶爆破中实践 经验， 在下部采用细岩粉充填3 5 m 后再进行装药， 另外上部采用细岩粉密实充填， 充填高度为 4 m， 装 药结构和堵塞长度如图 5 所示。 图 5 炮孔装药结构和堵塞示意图 （单位 m） Fig 5 The charge structure of blasthole （unit m） 3 填充效果评估 由三维激光扫描得到采空区的几何参数后通过 计算可得空区上部体积约为 18 656 m3， 其中爆破部 分的体积为 4912 m3， 由资料可得岩石松散系数为 1 5， 因此爆后的岩石体积为 18656 -4912 4912 1 5 21 112 m3， 爆破前空区体积为 5200 m3， 爆破 前岩石与空区的总体积为18656 5200 23856 m3， 因此理论上爆破后的应形成塌陷体积 23 856 - 21 112 2744 m3， 实际爆破后利用 GPS 测量仪测得 采空 区 最 大 下 沉 12 m， 爆 破 后 塌 陷 体 积 约 为 2848 m3， 其与理论计算的塌陷体积相当， 考虑到空 区南部部分未完全填满而空区北部部分岩石填充到 塌陷区， 因此上述计算结果比较合理， 并达到对采空 区爆破处理后的填充效果评估的目标。爆破前后对 比图如图 6 所示。 图 6 空区爆破前后对比图 Fig 6 The comparison between before and after blasting 由图 6 可得采用上述方案进行爆破处理空区的 总体效果比较理想， 达到预期目标， 较大体积的空区 已全部垮塌， 即空区北部的塌陷区部分被完全填埋 而空区南部存在一定的未填满空间， 主要是由于边 坡的存在而未进行打孔爆破崩落处理， 因此在剥离 施工过程中对于未塌实部分需要特别注意。综述所 述， 经过对空区进行崩落爆破处理， 实现了局部采场 作业条件再造， 排除该区域附近露天剥采作业的安 全隐患， 为后续露天剥采作业提供安全保障。 4 结论 （1） 通过三维激光扫描等手段获取采空区的有效 参数， 以便对空区进行安全稳定性分析， 为空区崩落爆 破方案设计提供依据， 实现高效合理处理采空区。 （下转第 123 页） 29爆 破 2016 年 3 月 15 （2） 54-55 （in Chinese） ［11］ 罗伟涛， 郑建礼 90 m 高冷却塔爆破机械联合拆除实 践 ［j］ 爆破， 2009， 26 （2） 46-52 ［11］ LUO Wei-tao， ZHENG jian-li Practice of combined re- moval of 90 m high cooling tower blasting machine ［j］ Blasting， 2009， 26 （2） 46-52 （in Chinese） ［12］ 付 武， 王 健， 马玉罄， 等 大连水泥厂两座50 m 高 冷却塔定向爆破拆除 ［j］ 工程爆破， 2010， 16 （1） 63- 65 ［12］ FU Wu， WANG jian， MA Yu-qing， et al Directional blasting demolition of two 50 m high cooling tower in Dalian cement plant ［ j］ Engineering Blasting， 2010， 16 （1） 63-65 （in Chinese） ［13］ 贾永胜， 谢先启， 罗启军， 等 69 8 m 高冷却塔定向爆 破拆除 ［j］ 爆破工程， 2010， 16 （1） 59-62 ［13］ jIA Yong-sheng， XIE Xian-qi， LUO Qi-jun， et al Direc- tional blasting demolition of 69 8 m high cooling tower ［j］ Engineering Blasting， 2010， 16 （1） 59-62（ in Chinese） （上接第 92 页） （2） 采空区炮孔优先采用穿孔处理， 对于孔深 超过周边穿孔孔深2 m 仍未打穿的炮孔则不需要继 续钻孔， 防止炮孔打在空区边帮上造成钻孔里程增 加以及炸药浪费， 另外边帮上的炮孔也可采用向空 区中部倾斜一个小角度， 确保炮孔穿透空区， 可以提 高爆破处理采空区的经济效益。 （3） 根据三维激光扫描得到的采空区几何参数 可对采空区爆破处理后进行填充效果评估， 排除该 区域附近露天剥采作业的安全隐患， 为后续露天剥 采作业提供安全保障。 参考文献 （References） ［1］ 王海君， 李克民， 陈树召， 等 地下转露天开采的采空 区危害与探测技术探讨 ［j］ 煤炭工程， 2010 （10） 69- 71 ［1］ WANG Hai-jun， LI Ke-min， CHEN Shu-zhao， et al Dis- cussion on goaf dangers and detection technology for min- ing converted from underground to surface ［j］ Coal Engi- neering， 2010 （10） 69-71 （in Chinese） ［2］ 陈庆发 隐患资源开采与采空区治理协同研究 ［D］ 长 沙 中南大学， 2009 ［2］ CHEN Qing-fa Study on synergism of hidden danger re- sources mining and goafs treatment ［D］ Changsha Cen- tral South University， 2009 （in Chinese） ［3］ 张成良， 侯克鹏， 李克钢 硐室爆破法处理采空区的应 用实践 ［j］ 工程爆破， 2008 （4） 53-56， 59 ［3］ ZHANG Cheng-liang， HOU Ke-peng， LI Ke-gang Appli- cation of chamber blasting to handling goaf area ［j］ Engi- neering Blasting， 2008 （4） 53-56， 59 （in Chinese） ［4］ 王春毅， 程建勇 露天中深孔爆破处理地下采空区的 实践 ［j］ 采矿技术， 2008 （3） 61-62 ［4］ WANG Chun-yi， CHENG jian-yong Application of medi- um-length blasting in disposing of underground goaf ［j］ Mining Technology， 2008 （3） 61-62 （in Chinese） ［5］ 贾宝珊， 闫伟峰 露天正常台阶深孔爆破处理地下采 空区的实践 ［j］ 爆破， 2012， 29 （4） 65-69 ［5］ jIA Bao-shan， YAN Wei-feng Application of bench deep hole blasting in disposing of underground goaf ［j］ Blas- ting， 2012， 29 （4） 65-69 （in Chinese） ［6］ 牛小明 露天开采境界下覆采空区顶板稳定性研究 ［D］ 长沙 长沙矿山研究院， 2013 ［6］ NIU Xiao-ming Study on roofs′ stability of cavities under open-pit mine ［D］ Changsha Changsha Institute of Min- ing Research， 2013 （in Chinese） ［7］ 邱海涛， 潘 懿 露天开采下地下采空区顶板保安层 厚度的计算分析 ［j］ 采矿技术， 2012， 12 （3） 47-49 ［7］ QIU Hai-tao， PAN Hi Calculation and analysis of security roof layer thickness for mining goaf ［j］ Mining Technolo- gy， 2012， 12 （3） 47-49 （in Chinese） ［8］ GB 6722200314 爆破安全规程 ［S］ 北京 中国标准 出版社， 2004 ［8］ GB 67222003 Safety regulations for blasting ［S］ Bei- jing China Standardization press， 2004 （in Chinese） ［9］ 郑晋溪 萨道夫斯基公式在隧道中夹岩爆破振速分析 中的适用性研究 ［j］ 福建建设科技， 2011 （5） 68-70 ［9］ ZHENG jin-xi Applicability research of sadov′s vibration ula in analyzing of tunnel blasting vibration velocity ［ j ］ FujianConstructionScienceTechnology， 2011 （5） 68-70 （in Chinese） 321第 33 卷 第 1 期 明 悦， 代青松， 赵明生， 等 2 座 45 m 高冷却塔爆破拆除失败原因分析及排险处理