露天開采地下采空區(qū)穿爆技術(shù)研究與應(yīng)用

王輝

摘 要：本文針對(duì)露天開采地下采空區(qū)穿爆技術(shù)存在的問題進(jìn)行探究，從而提出了改進(jìn)穿爆技術(shù)的方案和措施，通過新技術(shù)的實(shí)施應(yīng)用，新的穿爆技術(shù)克服了爆破中較高的大塊比率和根底問題，同時(shí)提高了電鏟效率，降低了炸藥用量，適合推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：露天開采 采空區(qū) 牙輪穿孔 爆破

中圖分類號(hào)：TD325 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）09-0-02

引言

在完成第一次礦體開采后，會(huì)在開采區(qū)形成采空區(qū)，受上覆壓力、地下水等的作用，采空區(qū)的礦柱與兩側(cè)的礦層軟化，一旦采空區(qū)的礦柱遭到破壞、變形，使得地表發(fā)生沉陷、開裂以及塌陷，極有可能損壞設(shè)備和傷害作業(yè)人員，非常不利于露天作業(yè)，而礦山開采過程中會(huì)有爆破震動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)圍巖巖體裂隙，也有可能引起地表貫通或老窿積水的連通，造成突水事故的嚴(yán)重危害。由此，礦體開采破壞了采場(chǎng)區(qū)原始應(yīng)力狀態(tài)，采場(chǎng)區(qū)會(huì)重新分布應(yīng)力，礦柱失穩(wěn)經(jīng)常發(fā)生，一旦礦柱所受應(yīng)力過大，就會(huì)有斷續(xù)的發(fā)散突變，危害極大，必須要采取有針對(duì)性的防治技術(shù)，防治采空區(qū)坍塌、地下突水等事故。

我國(guó)的露天采礦有許多未知的地下采空區(qū)，在以往的露天開采中未能將記錄采空區(qū)的開采高度、開采面積等信息資料，而人工進(jìn)入采空區(qū)進(jìn)行探查的條件不足，這為礦體開采帶來難度。我國(guó)地下開采礦體經(jīng)常會(huì)發(fā)生一些采空區(qū)災(zāi)害事故，威脅到作業(yè)人員的人身安全，也會(huì)嚴(yán)重破壞到生態(tài)環(huán)境，不利于礦山企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在對(duì)露天開采實(shí)施穿爆技術(shù)時(shí)，其穿爆環(huán)節(jié)存在極大的組織難度，在采空區(qū)狀況不明時(shí)，就更會(huì)影響到爆破效果，使得鏟裝、運(yùn)輸工序作業(yè)更加難，屆時(shí)增加爆破成本。本文主要是探討地下采空區(qū)的穿孔爆破技術(shù)，從而克服地下采空區(qū)對(duì)生產(chǎn)造成的安全隱患。

一、露天開采前期處理遇到的問題

露天開采受到開采規(guī)模、采場(chǎng)地質(zhì)條件、擴(kuò)采深采等的影響，特別在礦山擴(kuò)采作業(yè)中，更會(huì)受到歷史上非正常開采所遺留下的問題的影響，加大礦山開采成本和開采技術(shù)難度。由此，先要解決歷史開采特別是采空區(qū)的遺留問題，才能進(jìn)一步開展下一步工作。當(dāng)下，我國(guó)的各大露天礦山的擴(kuò)建正在高速發(fā)展，如何合理布局開采空間、設(shè)計(jì)爆破保障了礦山開采擴(kuò)建的進(jìn)度，而擴(kuò)建工程中，穿爆工序已經(jīng)有了舉足輕重的地位。影響穿爆工序的是地下采空區(qū)的不確定性因素，具體情況如下：

第一，在缺乏對(duì)采空區(qū)的開采高度、開采面積等信息的情況下，使得原有的采空區(qū)作業(yè)只能在摸索中進(jìn)行，從而會(huì)在采空區(qū)的地方做正常孔網(wǎng)的穿孔工作，待完成爆區(qū)設(shè)計(jì)孔作業(yè)之后，才開始對(duì)逐個(gè)測(cè)量所有已經(jīng)穿透的空區(qū)孔，當(dāng)掌握采空區(qū)的情況后，再進(jìn)行采空區(qū)部位的再次作業(yè)，在此過程中要對(duì)空區(qū)部位適當(dāng)?shù)丶用芸拙W(wǎng)。第二，完成爆區(qū)設(shè)計(jì)作業(yè)后，做好相關(guān)爆破準(zhǔn)備工作，就可以進(jìn)行爆破施工。在爆破作業(yè)中，需要先把氣體間隔器安裝到孔底，或者是將適當(dāng)長(zhǎng)度的木電柱裝入孔內(nèi)到適當(dāng)高度，安裝好以后再回填適當(dāng)?shù)膸r渣，以免后期在裝藥時(shí)不會(huì)將火藥撒漏進(jìn)采空區(qū)內(nèi)，最后在爆區(qū)范圍內(nèi)連線起爆。

以上的穿孔、爆破施工作業(yè)存在很多問題，會(huì)使得爆破施工非常被動(dòng)，需要采取相關(guān)的補(bǔ)救工作，適當(dāng)進(jìn)行加密孔網(wǎng)，這較難符合下道工序的需要，具體的問題如下：

第一，爆破施工前有很多穿透孔作業(yè)，且孔壁非常粗糙，出現(xiàn)很多尖銳凸出的地方，影響到氣體間隔器的安裝入孔，這對(duì)于木電柱下孔有同樣的難度，導(dǎo)致了安裝間隔器和木電柱的時(shí)間延長(zhǎng)，浪費(fèi)施工時(shí)間。同時(shí)，在對(duì)炮孔裝藥時(shí)，由于很難控制好炸藥裝入的高度，導(dǎo)致炸藥容易漏入空區(qū)，導(dǎo)致空區(qū)內(nèi)所漏進(jìn)的炸藥產(chǎn)生爆轟，甚至?xí)绊懻Ｆ鸨?，造成續(xù)開采的安全隱患，需要采取一些補(bǔ)救工作，無疑增加了爆破成本。最后，穿孔、爆破后，在采空區(qū)會(huì)形成大量的根底和大塊，必須要經(jīng)過處理清除大量的根底和大塊，否則會(huì)影響到電鏟的鏟裝效率，從而增加鏟裝成本。

第二，在鉆孔中通常會(huì)采用牙輪鉆機(jī)穿孔，然而會(huì)有很多費(fèi)孔產(chǎn)生，且對(duì)空區(qū)部位的穿孔作業(yè)中會(huì)有夾桿現(xiàn)象發(fā)生，直接將鉆桿折斷，或者是鉆機(jī)的鉆頭和穩(wěn)桿器直接脫落入空區(qū)內(nèi)，不利于選礦廠過鐵安全。

二、方案研究及技術(shù)實(shí)施

由于采空區(qū)是不確定的，這為穿爆帶來難以預(yù)計(jì)的影響和后果，因而必須要經(jīng)過前期的詳細(xì)探查來確定空區(qū)的形態(tài)。目前用來探測(cè)空區(qū)形態(tài)的方法有很多可以選擇淺層地震影像法、高密度電阻率法或者瞬變電磁法等都可以達(dá)到較好的效果。在對(duì)空區(qū)的形態(tài)進(jìn)行基本探測(cè)之后，還需要使用牙輪鉆機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的探測(cè)驗(yàn)證，最終根據(jù)探測(cè)的結(jié)果有選擇分區(qū)的進(jìn)行穿爆作業(yè)，要結(jié)合空區(qū)的地形根據(jù)爆炸強(qiáng)度來詳細(xì)的計(jì)算每個(gè)孔的炸藥量，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的爆破網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)爆破的預(yù)期效果，具體的可以按照以下步驟來實(shí)施。

1.空區(qū)狀態(tài)探測(cè)

淺層地震影像法、高密度電阻率法和瞬變電磁法等空區(qū)探測(cè)技術(shù)已經(jīng)在實(shí)踐中得到了十分廣泛的應(yīng)用且取得了較好的效果，因而可以任意選擇上述一種空區(qū)探測(cè)技術(shù)來對(duì)空區(qū)的形態(tài)進(jìn)行探測(cè)。通過探測(cè)可以充分探明采空區(qū)下的空區(qū)的形態(tài)、數(shù)量以及分布等參數(shù)為后期的穿爆網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上的支撐。上述方法不僅實(shí)施起來方便靈活簡(jiǎn)單可靠，在探測(cè)循序漸進(jìn)的過程中解譯軟件還可以根據(jù)解譯的現(xiàn)實(shí)狀況對(duì)其解譯的結(jié)果進(jìn)行不斷的修正與優(yōu)化逐漸實(shí)現(xiàn)對(duì)空區(qū)形態(tài)等參數(shù)的解譯。

2.牙輪鉆機(jī)穿孔作業(yè)

2.1在空區(qū)位置進(jìn)行穿孔作業(yè)時(shí)，采用牙輪鉆機(jī)所鉆第一個(gè)孔必須要鉆透以用來探測(cè)空區(qū)探測(cè)的結(jié)果是否準(zhǔn)確是否存在較大的誤差。根據(jù)實(shí)際鉆孔的情況所得到的數(shù)據(jù)來對(duì)空區(qū)探測(cè)的結(jié)果進(jìn)行一定程度的修正，修正之后繼續(xù)進(jìn)行驗(yàn)證直到驗(yàn)證結(jié)果與空區(qū)探測(cè)的結(jié)果一致為止。在驗(yàn)證無誤之后可以將修正后的最終結(jié)果作為空區(qū)位置分布的最終結(jié)果，接著對(duì)其他位置進(jìn)行穿孔這些孔不要穿透，鉆孔的深度為整個(gè)空區(qū)深度的四分之三即可，然后結(jié)合空區(qū)的形態(tài)、位置以及鉆孔的深度等參數(shù)來綜合設(shè)計(jì)穿爆網(wǎng)絡(luò)。

2.2 如果在采空區(qū)內(nèi)部有礦柱存在，那么也必須要對(duì)礦柱進(jìn)行鉆孔且鉆孔位置選擇在其中心。但是如果礦柱的直徑超過6米，要在對(duì)礦柱成分進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上 ，要在上述穿孔數(shù)量的基礎(chǔ)上增加50%的穿孔密度，但是在裝藥的過程中不必每個(gè)孔都裝藥可以采取隔行裝藥的方式，在其底部采用具有高爆炸能力的巖石炸藥而在其上部可以采用普通的炸藥以用來克服穿爆所產(chǎn)生的大塊的巖石。endprint

2.3結(jié)合采空區(qū)的探測(cè)結(jié)果然后在其周圍直徑約3米處設(shè)置一圈全段高的穿孔 ，并且每個(gè)穿孔的深度都要保障在3米以上，并且穿孔與穿孔之間的孔距應(yīng)當(dāng)為正?？拙嗟?0%以用來應(yīng)對(duì)采空區(qū)的根底，這部分鉆孔同樣采用隔行裝藥的方式，其裝藥方式也以之前相同在其底部采用高爆炸力的巖石炸藥，在其上部采用普通的炸藥以用來克服大塊的巖石。

2.4如果條件允許，一個(gè)空區(qū)盡可能的采取一次穿爆完成，如果不一次穿爆那么在爆炸的過程中空區(qū)極有可能產(chǎn)生坍塌影響下一步的穿孔，會(huì)形成大量的大塊和根底，下一步的穿爆工作將難以進(jìn)行。

3.爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與計(jì)算

在前面已經(jīng)闡述過空區(qū)爆破的過程中必須要有一部分鉆孔穿透空區(qū)，而部分的鉆孔深度要保持在空區(qū)頂層厚度的四分之三處，這種方式便于填充炸藥。而對(duì)于空區(qū)的爆破也不能按照傳統(tǒng)的爆破方式來計(jì)算炸藥的使用量，炸藥的使用量不僅要結(jié)合空區(qū)的位置、形態(tài)以及分布還要結(jié)合穿孔的深度位置以及爆破網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)等來綜合確定。

對(duì)于空區(qū)位置鉆頭的穿孔來講 ，要從距離頂板1.5米的區(qū)域安裝一個(gè)頂板隔離裝置，然后再該裝置上填充上巖渣，確保天空巖渣后空氣隔離器的高度為頂板高度減去1.5米之后的四分之一的位置，在經(jīng)過上述處理完畢之后進(jìn)行炸藥裝填，炸藥裝填的使用量按照以下方式來計(jì)算。根據(jù)穿孔的直徑以及炸藥的密度參數(shù)來計(jì)算炸藥線密度，線密度與孔直徑和裝藥密度有關(guān)。根據(jù)巖石的性質(zhì)與成分、炸藥的爆破力、鉆孔直徑結(jié)合經(jīng)驗(yàn)來確定單孔炸藥的使用量，使用量為線裝藥密度與孔深度乘積的三分之二。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況結(jié)合經(jīng)驗(yàn)來確定炸藥填充的高度一般講填充的深度設(shè)置為鉆孔深度的三分之一。結(jié)合孔深與線裝藥密度來確定單孔最大的裝藥量。然后計(jì)算單孔的爆破面積以及單孔的爆破體積，單孔爆破體積為孔距與排距和頂板高度的乘積。根據(jù)彈孔爆破面積與單孔爆破體積來綜合確定單孔的爆破量，如果單孔的爆破面積較大需要對(duì)單孔的爆破面積進(jìn)行調(diào)整 ，調(diào)整之后再重新計(jì)算單孔爆炸的負(fù)擔(dān)面積 ；如果單孔爆破面積較小同樣需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整然后對(duì)單孔爆炸的負(fù)擔(dān)面積進(jìn)行重新的計(jì)算。最終根據(jù)布孔的情況以及單孔爆破的負(fù)擔(dān)面積來計(jì)算孔距以及排距。在施工完成之后根據(jù)線裝藥密度以及孔距和排距以及頂板高度參數(shù)來確定單孔的裝藥量。此外在空區(qū)位置還有不需要鉆透的炮孔，要結(jié)合孔的深度以及炸藥的類型以及炸藥的單耗等諸多參數(shù)來綜合對(duì)炮孔網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置，計(jì)算方式與鉆透的炮孔的計(jì)算方式一致在采空區(qū)的邊界線處的炮孔的炸藥裝填采用普通的裝填方式而不用考慮空區(qū)特殊地形因素。在炸藥裝填完成之后需要進(jìn)行爆破作業(yè)，在爆破的過程之前必須要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況以及施工的順序等因素來綜合確定各孔起爆的順序，起爆順序確定的原則為沒有空區(qū)的位置優(yōu)先進(jìn)行爆破，如果具備起爆的條件那么礦柱上的穿孔最好采取同時(shí)起爆的方法。起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如下圖所示：

起爆網(wǎng)絡(luò)如上圖1所示，其中包括空區(qū)的區(qū)域位置的鉆孔位置的設(shè)計(jì)以及分布，從中可以看到鉆孔的距離以及鉆孔的排距等參數(shù)。在上圖中空區(qū)為中間不規(guī)則多邊形區(qū)域，而大的多邊形不規(guī)則區(qū)域的中間具有兩個(gè)小的不規(guī)則區(qū)域，這兩個(gè)小的不規(guī)則區(qū)域?yàn)榈V柱。礦柱中鉆孔的位置分布也可以從上圖中看出。大的多邊形區(qū)域以外的區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)的邊界區(qū)域。從整體上來看非采空區(qū)也就是采空區(qū)的邊界區(qū)域鉆孔的距離以及排距相對(duì)于采空區(qū)都要小，而采空區(qū)鉆孔的距離以及排距都要相對(duì)較小，從圖中也可以看出采空區(qū)鉆孔布置要相對(duì)較密，在爆破的時(shí)候爆破順序應(yīng)當(dāng)為采空區(qū)周圍的邊界區(qū)域其爆破參數(shù)與普通爆破參數(shù)一致可以按照普通爆破的計(jì)算方式來確定爆破參數(shù)，然后為采空區(qū)和礦柱同時(shí)爆破爆破參數(shù)的計(jì)算根據(jù)非鉆透孔和鉆頭孔來分別計(jì)算爆破參數(shù)，然后實(shí)施爆破作業(yè)。

三、采空區(qū)穿爆作業(yè)安全技術(shù)措施

由于露天采空區(qū)的礦坑中經(jīng)常有采空區(qū)和瓦斯聚集區(qū)，會(huì)影響采空區(qū)部位的穿孔爆破作業(yè)的施工安全，由此，在穿爆施工中，需要做好相應(yīng)的安全措施：

1.明確采空區(qū)的位置

盡量在前期做好資料搜集工作，掌握地面具體的塌陷位置，做好打探測(cè)孔工作，從而明確采空區(qū)的位置走向，掌握采空區(qū)的地質(zhì)、水文情況。然后根據(jù)所掌握的采空區(qū)的情況，由穿爆班制定有針對(duì)性的施工方案，并安排施工。

2.設(shè)計(jì)鉆孔深度

當(dāng)甲方提供相關(guān)數(shù)據(jù)資料后，爆破單位需要考察現(xiàn)場(chǎng)炮區(qū)的具體位置情況，結(jié)合資料進(jìn)行鉆孔深度的設(shè)計(jì)。

3.選擇鉆機(jī)

在采空區(qū)的穿孔施工中，穿孔單位需要選擇合適的鉆機(jī)，最好選擇質(zhì)量輕的鉆機(jī)，這樣的鉆機(jī)具有較好的靈活性。

4.實(shí)時(shí)監(jiān)控

在穿孔工作過程中，其操作手必須要具備崗位證書和具備熟練的操作技術(shù)，全程應(yīng)嚴(yán)格遵守安全操作標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控地面震動(dòng)情況，出現(xiàn)穿孔異常要立即撤退和向上級(jí)報(bào)告。

5.做好災(zāi)情應(yīng)急防備工作

在穿孔中需要穿透采空區(qū)，并隨即堵塞孔口，以免采空區(qū)進(jìn)入空氣而引發(fā)自燃。一旦發(fā)生火災(zāi)，立即啟動(dòng)應(yīng)急防備工作，組織滅火，避免災(zāi)情擴(kuò)大。

6.降溫措施

爆破作業(yè)中需要先對(duì)孔內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)超高溫孔采取降溫措施，將孔內(nèi)溫度控制住60℃以內(nèi)。

7.裝藥順序

先裝低溫孔的炸藥，對(duì)于高溫孔裝藥應(yīng)應(yīng)放在最后裝，且要選擇耐高溫的炸藥與器材。

四、應(yīng)用后效果與推廣意義

通過本次的地下采空區(qū)的穿爆技術(shù)的研究，并在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了應(yīng)用，基本克服了露天開采地下采空區(qū)中穿爆技術(shù)的難題，在以往的穿爆技術(shù)作業(yè)中，牙輪鉆機(jī)作業(yè)缺乏計(jì)劃和目標(biāo)，造成很多費(fèi)孔和夾桿現(xiàn)象，而通過改進(jìn)技術(shù)后，牙輪鉆機(jī)的作業(yè)變成了有計(jì)劃、有目標(biāo)的作業(yè)方式，能夠采取間隔裝藥的方式克服根底和大塊，當(dāng)滿足條件時(shí)盡量采取一次穿爆完成一個(gè)空區(qū)的穿孔作業(yè)，能夠較好地避免根底和大塊，使得廢孔率得以降低，減少設(shè)備備件的消耗；其次，爆破效果得到極大改善，爆破根底符合普通爆破的效果的標(biāo)準(zhǔn)，滿足下道工序的需求，極大地提高了爆破質(zhì)量。穿爆技術(shù)的改進(jìn)指標(biāo)如下：

1.在新的技術(shù)方案實(shí)施以后，采空區(qū)部位的爆破大塊率比得到降低，具體降低了80%，并減少了50%的根底。通過技術(shù)改進(jìn)，牙輪鉆機(jī)在施工過程中未發(fā)生鉆頭、穩(wěn)桿器等部件掉落空區(qū)的現(xiàn)象。

2.新技術(shù)的實(shí)施提高了穿爆技術(shù)的安全性，施工作業(yè)中為出現(xiàn)沖炮事故。

3.新技術(shù)的實(shí)施中，降低了空區(qū)部位的炸藥用量，每一個(gè)爆破減少了 0.12 kg/t的炸藥消耗。

4.新技術(shù)的實(shí)施降低了根底和大塊的數(shù)量，使得空區(qū)部位的電鏟效率得以提升，具體提升30%。

改進(jìn)后的穿爆技術(shù)已經(jīng)試驗(yàn)應(yīng)用了2年，具體應(yīng)用的效果良好，可以針對(duì)同類露天開采地下采空區(qū)的爆破施工中，解決類似的爆破問題。

結(jié)語

綜述，露天開采地下采空區(qū)的爆破施工作業(yè)若采用穿爆技術(shù)進(jìn)行作業(yè)，需要對(duì)穿爆技術(shù)的相關(guān)問題和施工難點(diǎn)進(jìn)行研究和解決，從而改進(jìn)穿爆技術(shù)技術(shù)，避免采空區(qū)部位出現(xiàn)較高的爆破大塊率比和大量的根底，從而提高電鏟效率工作效率，減少炸藥用量，避免牙輪鉆機(jī)施工作業(yè)中設(shè)備部件的掉落。

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