相鄰采空區(qū)的協(xié)同處理技術(shù)分析

張兵兵，崔曉榮，藍 宇，陳晶晶，韓 振，張 強

(1.宏大爆破有限公司，廣州 510623；2.廣東省大寶山礦業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān) 512000)

采空區(qū)的存在，一直是威脅礦區(qū)安全生產(chǎn)的重要因素，其具有隱蔽性強、存在形態(tài)多變及處理技術(shù)復(fù)雜等特點。為了有效解決采空區(qū)的影響，許多專家學者進行了相應(yīng)的研究。在采空區(qū)探測方面，崔曉榮等[1-3]對某礦區(qū)的采空區(qū)采用了物探、鉆探及三維激光掃描相結(jié)合的探測技術(shù)，測得的采空區(qū)位置、范圍等參數(shù)與實際情況較為吻合，為處理采空區(qū)提供了數(shù)據(jù)支持。王海生[4]通過鉆孔式三維激光掃描技術(shù)，測量采空區(qū)的冒落空間大小、體積等相關(guān)參數(shù)，對于采空區(qū)的有效處理十分有利。在采空區(qū)穩(wěn)定性方面，任鳳玉[5]對采空區(qū)的臨界冒落跨度和冒落高度進行了理論計算，利用充填法，有效控制了采空區(qū)的冒落過程。賈海波[6]采用FLAC3D模擬軟件，分析了采空區(qū)的圍巖變形情況、地表沉陷程度，為后期采空區(qū)處理提供了參考依據(jù)。李謝平[7]對柿竹園野雞尾露天礦區(qū)的某采空區(qū)頂板安全厚度進行了理論計算，并給出了頂板的安全系數(shù)。為了降低采空區(qū)的影響，朱世彬[8]以水泥、粉煤灰及風積砂為原料，通過不同配比的實驗研究，得到了可用于采空區(qū)充填的高濃度材料。張永超[9]采用瞬變電磁法對采空區(qū)的注漿效果進行了監(jiān)測，通過分析電阻率的變化情況，確定了注漿的有效影響區(qū)域。秦國震[10]通過數(shù)值計算，分析了采空區(qū)頂板圍巖冒落的范圍，并采用中深孔爆破誘導(dǎo)采空區(qū)冒落，形成了一定范圍的緩沖層，現(xiàn)場實施效果良好。耿智園[11]分析了炮孔排距、起爆時間對采空區(qū)的影響程度，認為炮孔排距不應(yīng)超過7 m。張佳男[12]認為，對于復(fù)雜采空區(qū)群，采用廢石充填與緩沖型阻波墻、實體阻波墻形式的封閉法相結(jié)合的措施，更有利于采空區(qū)的治理。

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)對于采空區(qū)的探測，效果較好，有利于制定合理的采空區(qū)治理方案。但對于露天相鄰采空區(qū)的處理研究較少，故研究相鄰采空區(qū)的處理技術(shù)，有著一定的意義。

1 工程背景

大寶山礦為多金屬礦山，富含鐵、銅、硫、鉛、鋅等，開采價值較高。早期采用地下開采，且民采現(xiàn)象屢禁不止，后期為了保證施工安全及提高生產(chǎn)效率，改用了露天開采模式。因此，地下遺留了較多的巷道及采空區(qū)，對露天開采施工作業(yè)提出了更高的要求。經(jīng)采用鉆孔勘探發(fā)現(xiàn)人工勘探線37線至39線之間的北部685 m平臺下方存在664采空區(qū)及655采空區(qū)，且相距較近，一定程度上增加了處理的難度(見圖1)。

圖1 664采空區(qū)及655采空區(qū)的平面位置Fig.1 Plane position of 664 goaf and 655 goaf

2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

2.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描利用激光測距的原理，可快速反映出被測巖體內(nèi)部的三維坐標、介質(zhì)反射率及內(nèi)部礦物組成等；結(jié)合自帶的軟件，可較好地建立被測范圍的三維模型，進而計算出相應(yīng)的范圍、面積、體積等各項參數(shù)。其測量精度高，既節(jié)省了人力物力，也提高了測量效率。在采空區(qū)測量方面，有利于確定采空區(qū)的分布情況，應(yīng)用較為廣泛。

2.2 掃描結(jié)果

采用三維激光掃描技術(shù)來確定664采空區(qū)和655采空區(qū)的存在形態(tài)及范圍大小，因此在北部685平臺向下方打地質(zhì)鉆孔，并將三維掃描儀放入其中，得到的掃描圖如圖2所示。并依據(jù)自帶軟件的三維模型生產(chǎn)功能，建立了各自的采空區(qū)實體模型(見圖3)。

圖2 采空區(qū)的三維激光掃描圖Fig.2 Three-dimensional laser scanning map of the goaf

注：y為北方向；x為東方向。圖3 采空區(qū)模型(俯視)Fig.3 Top view of the goaf model

2.3 掃描結(jié)果分析

通過軟件對掃描圖的綜合分析后，得出采空區(qū)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 664采空區(qū)與655采空區(qū)的參數(shù)

由三維激光掃描結(jié)果可知，37線664采空區(qū)與39線655采空區(qū)之間的距離較近，在平面位置上最接近的區(qū)域僅相距10 m左右，二者的頂?shù)装蹇臻g位置分別為+664.2～+674.8 m、+655.5～+668.1 m，故2 個采空區(qū)整體標高并不相同，且均橫跨697平臺與685平臺，在空間位置上呈現(xiàn)相錯狀態(tài)。

由37線664采空區(qū)的地質(zhì)鉆孔獲取的巖芯可知，主要以硅化巖與矽卡巖為主，局部含有銅硫礦體，巖體條件較好。由于39線655采空區(qū)與37線664采空區(qū)位置相近，以此推斷空區(qū)周圍及頂板礦石也以銅硫礦石為主?；谌S激光掃描及鉆孔勘探的結(jié)果，可對2 個采空區(qū)進行頂板穩(wěn)定性分析。主要是利用礦方多年治理采空區(qū)得出的經(jīng)驗公式進行預(yù)測，為后續(xù)采空區(qū)處理提供參考。

頂板預(yù)留保安層厚度(h)與采空區(qū)跨度(b)之間滿足：

h=0.76b+3.53

(1)

由式(1)并結(jié)合表1的采空區(qū)最大跨度數(shù)據(jù)可知，37線664采空區(qū)的頂板預(yù)留保安層厚度應(yīng)不小于15.1 m；39線655采空區(qū)的頂板預(yù)留保安層厚度應(yīng)不小于14.6 m。

3 相鄰采空區(qū)的處理技術(shù)

目前對采空區(qū)的處理方法主要有充填法、封閉法及強制崩落法[13]。充填法處理采空區(qū)是利用廢石或配制的充填材料對采空區(qū)內(nèi)部進行填充，保證采空區(qū)的范圍被充填材料所覆蓋，處理效果較好。但若采空區(qū)的規(guī)模較大時，需要的充填材料較多，材料的運距較長，施工成本較高。封閉法是通過構(gòu)筑一定厚度的隔墻，起到應(yīng)力緩沖作用，進而降低對采空區(qū)的不利影響，主要用于頂板完整性較好的圍巖，其適用條件較為苛刻。強制崩落法采用炸藥爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波及高溫、高壓氣體，使得采空區(qū)上覆巖層破碎并拋入采空區(qū)內(nèi)部，實現(xiàn)對采空區(qū)的有效處理。具有施工成本相對較低，施工時間短，安全系數(shù)高等特點，但需要保證爆破效果滿足要求。

單一的采空區(qū)處理技術(shù)，均存在一定的局限性，可采用強制崩落法與充填法相結(jié)合的技術(shù)，效果更好。而相鄰采空區(qū)的處理，相對于單一的采空區(qū)而言，具有影響范圍大、地質(zhì)條件更復(fù)雜、爆破技術(shù)要求高等特點，在爆破的方案設(shè)計過程中，需要尤為注意。

3.1 采空區(qū)處理方法

664采空區(qū)與655采空區(qū)相距較近，但埋藏深度并不相同，其中664采空區(qū)最小頂板厚度為13.2 m，局部小于要求允許的保安層厚度。為盡快消除采空區(qū)對露天礦的安全生產(chǎn)隱患影響，先對37線664采空區(qū)進行爆破強制崩落處理，然后將685臺階推進到39線655采空區(qū)附近，利用臺階面為自由面處理該采空區(qū)。若采空區(qū)爆破處理效果難以達到預(yù)期目的時，可聯(lián)合采用廢石充填技術(shù)，相鄰采空區(qū)的處理過程如圖4所示。

圖4 相鄰采空區(qū)的處理流程Fig.4 Processing flow of adjacent goafs

3.2 爆破參數(shù)的確定

由現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，37線664采空區(qū)與39線655采空區(qū)爆破范圍的最小抵抗線分別為4.5、7 m；而2個相鄰采空區(qū)投影范圍內(nèi)鉆孔時需要打穿對應(yīng)的頂板，并確?，F(xiàn)場實施效果。因此，現(xiàn)場施工均采用φ140 mm的潛孔鉆進行垂直鉆孔，并需保證鉆孔精度。為了較好地保證爆破效果，結(jié)合2 個采空區(qū)的地質(zhì)鉆巖芯情況，664采空區(qū)與655采空區(qū)的孔網(wǎng)布置參數(shù)分別定為4.5 m×4.5 m、2 m×5 m。在采空區(qū)邊緣依據(jù)實際情況，可補打少量的鉆孔，調(diào)整孔網(wǎng)布置參數(shù)，實現(xiàn)邊緣密集布置。采用混裝銨油炸藥的方式，以乳化炸藥為起爆藥包。2 個采空區(qū)的炮孔個數(shù)及深度設(shè)計如表2所示。

表2 炮孔的相關(guān)參數(shù)

為了降低爆破振動效應(yīng)，根據(jù)薩道夫斯基經(jīng)驗公式[14]，將最大單段裝藥量的臨界值定為369 kg，采用毫秒延時起爆技術(shù)，逐孔起爆。均采用段別為MS1～MS7的導(dǎo)爆管雷管，起爆延時時間從0～200 ms不等。

本次爆破裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)裝藥方式，炸藥選用銨油炸藥，采用110 mm乳化炸藥制成起爆藥包，并用2 根同段別的非電導(dǎo)爆管雷管起爆。填塞時，需要分類處理，即分為未打穿炮孔與打穿炮孔。其中，未打穿炮孔在距孔口3.5 m處用細巖粉填塞；打穿炮孔先在距底部2 m處用砂包填塞，確保填塞質(zhì)量，不會使炸藥落入采空區(qū)內(nèi)部，最后在距孔口3.5 m處用細巖粉填塞(見圖5)。

圖5 深孔爆破裝藥結(jié)構(gòu)Fig.5 Deep hole blasting charge structure

3.3 深孔爆破注意要點

1)鉆孔及填塞方面。采空區(qū)對應(yīng)范圍內(nèi)，所有鉆孔均應(yīng)打穿頂板，確保達到設(shè)計深度；采空區(qū)邊緣位置，鉆孔不應(yīng)穿透頂板。打穿炮孔的底部應(yīng)先采用砂包進行填塞，保證炸藥的爆破效果，不至于發(fā)生沖孔現(xiàn)象。

2)在采空區(qū)炮孔布置時，第1排及邊緣位置處，可根據(jù)實際需要，調(diào)整孔網(wǎng)參數(shù)，并與最小抵抗線匹配。

3)37線664空區(qū)范圍較大，布置了多排孔，但是在實際鉆孔過程中，穿孔達50 %以上，吊裝回填工作影響了預(yù)期的爆破效果。針對這種情況，采用排間間隔鉆孔。若第1 排炮孔打穿次數(shù)較多，則在第2 排不進行鉆孔，直接鉆第3 排孔。若第3 排炮孔穿孔次數(shù)也較多，則可估計出第2 排炮孔穿孔的方位，有利于現(xiàn)場裝藥，且在爆破時不會因為吊裝而容易沖孔。這樣，能更好地利用炸藥爆炸能量，對采空區(qū)頂板上部形成更好的沖擊，使其更好的垮塌，達到充填下部采空區(qū)的目的。

4)在鉆孔過程中，發(fā)現(xiàn)炮孔打穿次數(shù)較多，表明三維激光掃描得出的采空區(qū)范圍存在一定誤差?？捎猛馀偶涌讈泶_定采空區(qū)邊緣位置，即在外部再添加1 排炮孔，較前1 排炮孔深度增加1～2 m，若仍然打穿，表明未到采空區(qū)邊緣，再向外繼續(xù)添加1 排，直至不再打穿為止，達到采空區(qū)邊緣。循環(huán)施工后，可較好地達到完全處理空區(qū)的目的。

4 現(xiàn)場實施結(jié)果分析

37線664采空區(qū)及39線655采空區(qū)爆破后，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)采空區(qū)上覆巖層在強制爆破崩落作用下，巖層基本拋入下方的采空區(qū)范圍后，采空區(qū)附近無明顯爆堆形成，垮落效果較好。且在控制爆破振動的情況下，只在局部區(qū)域有少量飛石產(chǎn)生，爆破有害效應(yīng)影響程度較低。

但在爆破后，對采空區(qū)的充填程度進行了檢查，主要利用空區(qū)遺留體積進行估算，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)85 %區(qū)域已被爆破產(chǎn)生的碎石所填充。為了保證采空區(qū)填塞更加充分，聯(lián)合使用廢石充填。從附近平臺裝運了一些廢石，填入采空區(qū)的遺留區(qū)域，且等待了2 d后，繼續(xù)觀察采空區(qū)的變形情況。最終實施效果表明，采用強制爆破崩落法及廢石充填相結(jié)合后，采空區(qū)的安全隱患得以解除，為礦區(qū)的安全生產(chǎn)提供了有效保證。

5 結(jié)語

1)采用三維激光掃描技術(shù)對664采空區(qū)及655采空區(qū)進行了確認，發(fā)現(xiàn)2個采空區(qū)的空間位置較為接近，且獲取了二者的形態(tài)、范圍等參數(shù)，為后續(xù)的強制爆破崩落實施提供了參考。

2)對兩采空區(qū)進行協(xié)同處理，給出了各自的深孔爆破參數(shù)，并提出了排間間隔鉆孔與外排加孔的現(xiàn)場施工措施，保證了爆破效果。

3)現(xiàn)場實施效果表明，強制爆破崩落法聯(lián)合廢石充填后，兩采空區(qū)得到了有效治理，采空區(qū)充填率高，遺留體積較少，為后續(xù)的安全生產(chǎn)工作提供了保證。