露天开采地下采空区穿爆技术研究与应用

摘 要：通过对露天开采地下采空区对穿爆工作的影响原因研究，发现影响生产的关键问题。采用空区探测技术首先确定空区的空间状态，然后根据空区的几何形态对不同部位采用各异的穿孔方案，经过精细的单孔药量计算，形成精密的起爆网络图，进而解决制约露天生产的技术难题。

关键词：采空区 空区探测 牙轮穿孔 单孔装药量 起爆顺序

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（a）-0063-04

由于历史原因，露天采场存在大量未知的地下采空区。当采空区开采现状（包括开采高度、开采面积等）没有详细资料，并且采空区不具备人工进入探查的条件时，严重影响露天开采效果。尤其当露天开采中遇到地下不明采空区时，不仅给作业人员和设备带来安全隐患，而且由于穿爆环节组织难度大，影响爆破效果，也进一步增加了铲装、运输工序的工作难度，造成生产成本大幅升高。如何解决穿孔爆破问题是克服地下采空区给生产安全带来影响的关键问题。（见图1、2）

1 前期处理办法及存在问题

在各个露天矿山发展过程中，都不同程度受开采规模、周边土地条件、扩采深采等问题的困扰，尤其是部分扩采矿山更受前期非正常开采带来的遗留问题限制，不得不解决前期遗留问题，例如地下采空区的问题。目前，国内各露天矿山扩建速度均处于高速发展状态，合理的开采空间、合格的爆破在产品是扩建工程进度的有力保障，穿爆工序在扩建工程中位置已经举足轻重。但是，由于地下采空区的不确定性，该生产带来了很大影响。

（1）由于采空区未知，原来在空区部位作业需要摸索进行，即在空区部位按照正常孔网进行穿孔，所有爆区设计孔作业结束后，对所有穿透的空区孔进行实际测量，并对空区部位重新作业适当加密孔网。

（2）对设计爆区进行施工爆破作业时，首先将气体间隔器或适当长度的木电柱装到孔底或适当高度，然后回填适当岩渣，确保装药时火药不漏到采空区内，之后爆区连线起爆。

这样做之后，由于穿孔、爆破施工处于被动、补救状态，使穿爆效果难以满足下道工序的需要，存在诸多问题。

（1）由于穿透孔较多，加之孔壁粗糙，尖锐凸出，间隔期和木电柱下到孔底非常困难，需要浪费大量的间隔器和木电柱。

（2）穿透地下采空区的炮孔装药时部分炸药漏入空区，装药高度难以控制，难以实现漏入空区的炸药的爆轰甚至无法起爆，对后续开采带来重大隐患，增加了爆破成本。

（3）爆破后产生大面积的根底和大块，降低电铲铲装效率和提高铲装成本。

（4）牙轮钻机穿孔产生更多的废孔，并且在空区部位穿孔容易产生夹杆现象，造成钻杆折断或钻头和稳杆器掉在空区内的现象，为选矿厂过铁埋下隐患。

2 方案研究及技术实施

要解决空区的不确定性给穿爆带来的巨大影响，首先应该解决确定空区形态的问题。根据目前矿山比较常用的空区探测方法，选择浅层地震影像法、高密度电阻率法和瞬变电磁法的空区探测技术，初步探测出采空区的空间形态，之后利用牙轮钻机进行进一步探测验证（有限地几个孔），按照结果有针对性的分区进行钻机穿孔作业，对牙轮钻机作业的所有孔（包括验证孔）进行有针对性的装药计算，选择合理的起爆网络，进而实现良好的爆破效果，具体做法如下。

2.1 应用浅层地震影像法、高密度电阻率法和瞬变电磁法的空区探测技术探测爆破区域的空区状态

目前，浅层地震影像法、高密度电阻率法和瞬变电磁法的空区探测技术已经广泛应用于探测露天矿山存在的地下采空区。该方法经过结合现场生产实际情况和前期发现的问题，可以基本掌握地下采空区的空区存在形态。同时，由于该方法实施灵活，解译软件可以随时根据实际情况进行修正，优化，可以满足指导牙轮穿孔作业的需要。（见图3）

2.2 牙轮钻机穿孔作业

（1）在空区顶板穿孔时，用牙轮钻机穿第一个孔时必须穿透，验证用空区探测方法探测的空区是否准确，如果有误差，根据穿孔情况对空区深度、范围进行修订，然后对修订完的结果进行重新验证。如果通过验证能够确定空区的位置后，对其它位置的穿孔不穿透，预留厚度为整个顶板厚度的1/4，空区的孔网按照能够穿孔的孔深要求来布置。

（2）如果采空区内有矿柱，矿柱的中央必须进行穿孔，如果矿柱的直径大于6 m时，根据矿柱的岩石性质，按照正常孔网参数50%穿加密孔，这些炮孔都进行间隔装药，底部采用高威力的2#岩石炸药用以克服根底，上部采用普通炸药用以克服大块。

（3）根据探测结果在采空区周围边界线3 m处穿一圈全段高的钻孔，该部分钻孔超深必须保证3 m以上，该部分炮孔孔距为正常孔距的70%，用于克服采空区的根底，该部分炮孔也采用间隔装药的方法，底部装高威力的2#岩石炸药，克服采空区的根底，钻孔的上部装普通炸药用以克服大块。

（4）在具备条件情况下，穿孔时一个空区（除单独巷道外）尽可能的一次穿爆完成，否则爆破时剩余的空区位置都被震塌，影响穿孔，将形成大面积的大块、根底。（见图4）

2.3 爆破设计及计算

目前在空区作业过程中根据爆破施工要求有一部分孔必须穿透空区，一部分孔在底板保留空区底板厚度的1/4，以更好的装药。对于在空区部位的孔不能按传统的药量计算方法进行计算，根据在弓长岭露天矿采场空区部位作业经验对其炸药计算方法总结如下。

（1）对于在空区部位需要穿透的炮孔，先从顶板开始1.5 m处安装一个气体间隔器，然后在间隔器上填上岩渣，保证岩渣和空气间隔器的高度h2一般为空区顶板高度减去1.5后的1/4，处理完成后然后进行装药，具体的施工过程和药量计算方法如下所示，装药结构图如A所示。

①计算线装药密度：q1=1/4×π×d2×ρ

②根据矿岩性质、炸药性质、钻孔直径、经验选取炸药单耗q。

③凭经验和现场条件选取填塞高度，一般取处理完底部后剩余的钻孔深度L的1/3。

④根据钻孔深度和线装药密度计算单孔最大装药量：Qm=q1×L×2/3

⑤计算单孔负担面积。

单孔爆破体积：V=a×b×H；由炸药单耗q=Q/V=（q1×L×1/3）/（a×b×H）S1=a×b=（q1×L×1/3）/（q×H）

⑥根据单孔负担爆破面积和炸药单耗计算单孔装药量：Q=q1×S×H

⑦当Q>Qm时，调整单孔爆破面积使Q=Qm，重新计算计算单孔爆破负担面积S=Qm/（q1×H）；当Q1

⑧爆破施工布孔时根据爆破负担面积S和现场具体情况确定a、b。

⑨施工完成后根据Q=q1×a×b×H计算单孔装药量。

（2）对于在空区部位不需要穿透的炮孔，根据孔深、装药类型、炸药单耗等参数计算孔网参数，具体计算方法同1，装药结构如图B所示。

设：H为顶板高度L为钻孔深度；a为孔距；b为排距；

S为单个炮孔负担的爆破面积；q1为线装药密度；

Qm为根据线装药密度和最大的装药高度计算的单孔最大装药量；

Q为根据炸药单耗和孔网参数计算的单孔装药量；q为炸药单耗量；Ф为炮孔直径；ρ为装药密度。（见图5）

（3）采空区周围边界线处全段高的炮孔按正常爆破药量进行装药。

（4）装药后进行爆破作业，爆破时根据穿孔和施工情况必须合理的确定起爆顺序，确定起爆顺序的原则是没有空区的位置先行爆破，如果具备条件的情况下，矿柱上的穿孔采用同时起爆方法。（见图6）

图6：起爆网络图（图中红色区域为地下采空区，采空区中心处为两个矿柱）

3 应用后效果与推广意义

该研究于2010年在弓长岭露天矿露天采区开始应用后，取得了明显的效果。一方面牙轮钻机作业实现了有目标、有计划、有措施的作业，降低了废孔率和设备备件消耗；另一方面极大地改善了爆破效果，使爆破在产品满足下道工序的需要，根底率达到普通爆破的效果，爆破质量实现了质的飞跃，解决了制约露天生产的巨大难题。具体指标如下。

（1）通过在采区的地下采空区位置实施新的技术方案，空区位置的大块率比实施前降低80%，根底减少50%。尤其是在牙轮钻机施工组织过程中，基本没有产生钻杆、稳杆器、钻头掉在空区中的现象。

（2）在实施过程中没有发现冲炮等容易发生安全事故的情况。

（3）通过实施，在空区位置的爆破炸药单耗降低0.12 kg/t。

（4）通过实施，空区部位的电铲效率比以前提高了30%。

考虑到采空区穿爆技术应用的普遍性，该研究与应用于2012年在附近矿山进行试验应用。通过一年多的应用，也取得较好效果，说明，该方法适用于存在相同问题的其他矿山，具有推广应用的意义。

参考文献

[1] 祝树枝，吴森康，杨昌森.近代爆破理论与实践[M].中国地质大学出版社，1993，12.

[1] Modern blasting theory and practice. China University of Geosciences press， wish branches. Wu Senkang. Edited by Yang Changsen.1993 in December.

[2] 刘殿中，杨仕春.工程爆破实用手册[M].冶金工业出版社，2007年8月.

[2] Practical Handbook of engineering blasting. Metallurgical Industry Press， Liu Dianzhong. Edited by Yang Shichun.2007 in August.

[3] 郑怀昌，李明.地下采空区危险性及其分析[J].矿山压力与顶板管理，2005（4）.

[3] Zheng Huaichang，Li Ming.the risk of underground goafand its analysis of [J].ground pressure and strata control； in，2005（4）.

[4] 万文.地下空区对边坡稳定性的影响研究[D].中南大学，2006.

[4] Wan Wen.influence of underground goaf on slope stabilitystudy[D].Central South University，2006.

[5] 何志攀.新建公路下伏采空区的稳定性分析和治理技术研究[D].中南大学，2004.

[5] He Zhipan.stability analysis and treatment technology on[D].new highway mined-out area under； Central South University，2004.

[6] 郭建国.基于空区处理的露天采场作业计划的研究[D].西安建筑科技大学，2006.

[6] Guo Jianguo.disposal of hollow areas open pit operation plan based on [D]. research；Xi'an University Of Architecture And Technology，2006.

[7] 牛建光.洛阳钼矿采空区的稳定性仿真分析与研究[D].吉林大学，2007.

[7] Niu Jianguang；stability simulation analysis and research[D].Luoyang molybdenum mine goaf；Jilin University，2007.