無(wú)側(cè)向自由面相鄰采空區(qū)處理技術(shù)分析

方 翔，陳晶晶，韓 振，張兵兵，藍(lán) 宇，張崗濤

(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) 512100)

采空區(qū)隱蔽性強(qiáng)、形態(tài)不規(guī)整，傳統(tǒng)的探測(cè)手段難以確定其存在形態(tài)及參數(shù)，嚴(yán)重威脅了露天礦山安全開采。而三維激光掃描儀、探地雷達(dá)、高密度電磁法等先進(jìn)的探測(cè)設(shè)備和手段，相比傳統(tǒng)鉆孔勘查，具有探測(cè)范圍廣、可視化效果好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在采空區(qū)安全隱患排查中，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

崔曉榮等[1]采用三維激光掃描技術(shù)測(cè)得的采空區(qū)規(guī)模及相關(guān)參數(shù)與實(shí)際情況較為吻合，為有效處理采空區(qū)提供了保證。馬志敏[2]基于探地雷達(dá)操作簡(jiǎn)單、精度高的特點(diǎn)，分析了其工作原理，將其應(yīng)用在隱蔽采空區(qū)探測(cè)中，得到了采空區(qū)的形狀及分布情況，為采空區(qū)的探測(cè)提供了新思路。趙奎[3]采用高密度電法分析了采空區(qū)的電阻率分布情況，得到了采空區(qū)的位置及相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證了高密度電法的可行性，有利于采空區(qū)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。馬法成[4]通過微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功預(yù)測(cè)了采空區(qū)失穩(wěn)時(shí)間及所在區(qū)域，降低了采空區(qū)的危險(xiǎn)程度，具有較好的預(yù)測(cè)能力。在采空區(qū)穩(wěn)定性分析方面，李玉飛[5]建立了采空區(qū)頂板的力學(xué)模型，基于能量守恒原理及突變理論，得到了頂板安全厚度的計(jì)算公式，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際較為接近。李真[6]利用理論分析得到了采空區(qū)頂板安全厚度，采用模擬軟件分析了采空區(qū)應(yīng)力的變化規(guī)律，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，其變化規(guī)律處在合理范圍內(nèi)。王運(yùn)敏等[7]將三維激光掃描技術(shù)獲取的采空區(qū)點(diǎn)云，導(dǎo)入到Dimine軟件中生成了采空區(qū)的實(shí)體模型，并通過FLAC3D軟件模擬了采空區(qū)的應(yīng)力及變形情況，為分析采空區(qū)的穩(wěn)定性提供了有效參考。采空區(qū)的處理手段較多，但露天礦山較常用的是強(qiáng)制爆破處理。崔曉榮等[8]通過比較采空區(qū)的不同處理手段的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為爆破處理更為有效，并提出了露天礦采空區(qū)的治理模式。劉維東[9]給出了采空區(qū)頂板最小安全厚度與跨度的關(guān)系，并在采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)處理中采用爆破技術(shù)成功消除了采空區(qū)的安全隱患。周文勇[10]以某地采轉(zhuǎn)露采的礦山采空區(qū)為背景，通過比較不同種采空區(qū)處理方案，最終得出采用強(qiáng)制爆破法，治理效果較好。林謀金[11]依據(jù)三維激光掃描得出的采空區(qū)參數(shù)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式評(píng)價(jià)了采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性，采用局部爆破法成功消除了采空區(qū)的安全隱患，并對(duì)采空區(qū)的填充效果進(jìn)行了評(píng)估，確保了后續(xù)施工的安全性。賈寶珊等[12]采用正常深孔爆破技術(shù)，一次性成功治理了多層采空區(qū)，消除了采空區(qū)的安全隱患，處理效果良好。

綜上所述，采空區(qū)探測(cè)手段種類日趨豐富，應(yīng)用技術(shù)較為成熟，可為采空區(qū)治理提供有效的技術(shù)支撐。但受制于地質(zhì)環(huán)境，有一些采空區(qū)處理不存在自由面，增加了處理難度。如何在無(wú)側(cè)向自由面的條件下，有效治理相鄰采空區(qū)，具有一定研究意義。

1 工程背景

大寶山露天礦為多金屬礦山，地下蘊(yùn)藏著豐富的鐵、銅、鉛、鋅等礦石，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較好。早期礦山采用井工開采，地下各類巷道及未處理的采空區(qū)較多。后期為了提高礦石采出率，改用了生產(chǎn)效果更好的露天開采模式，井工開采遺留的采空區(qū)則成了巨大安全隱患。

一般而言，自由面的存在是采空區(qū)得以有效處理的一大關(guān)鍵，自由面?zhèn)€數(shù)多，分布范圍大，使得采空區(qū)的處理更為有效便捷。自由面破壞了巖層的完整性，由原來(lái)的三向受力狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受力或單向受力狀態(tài)，降低了巖層的強(qiáng)度，有利于爆破能量的集中釋放。但對(duì)于特殊地段無(wú)側(cè)向自由面時(shí)，采空區(qū)的處理難度就加大了。由于早期地采無(wú)序，大寶山礦存在多個(gè)無(wú)側(cè)向自由面采空區(qū)。

大寶山露天礦臺(tái)階高12 m，礦巖開采以中深孔爆破為主，在北部721 m平臺(tái)某工作面下方存在編號(hào)為700的相鄰采空區(qū)(見圖1)。二者的距離較近，相互影響，且無(wú)側(cè)向自由面，但該工作面礦石品位較高，需要進(jìn)行有效回收利用。

圖1 相鄰采空區(qū)(平面)Fig.1 Adjacent goaf(plane)

2 三維激光掃描技術(shù)

采空區(qū)有效治理需要準(zhǔn)確了解其賦存狀態(tài)及參數(shù)，最為常用的探測(cè)手段是三維激光掃描技術(shù),使用該技術(shù)在探測(cè)孔內(nèi)獲取采空區(qū)的三維圖像(見圖2)，快速確定采空區(qū)現(xiàn)狀。其原理是利用礦巖及空洞對(duì)激光反射的差異性，通過人工向已打穿的鉆孔內(nèi)投放三維掃描儀，幾分鐘即可探明地下采空區(qū)的坐標(biāo)位置、深度、范圍等參數(shù)，并顯示在電腦上，然后對(duì)采空區(qū)參數(shù)進(jìn)行輸出、建模，生成可視化效果好的采空區(qū)三維模型。

注：數(shù)字為采空區(qū)的坐標(biāo)位置；X、Y為空間坐標(biāo)。圖2 采空區(qū)掃描結(jié)果Fig.2 Goaf scan result

通過三維掃描，可了解采空區(qū)頂板厚度的分布情況；根據(jù)軟件后期處理，可得到相鄰采空區(qū)各項(xiàng)參數(shù)(見表1)，為分析采空區(qū)的穩(wěn)定性提供了依據(jù)。

表1 采空區(qū)的相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of goaf

通過查詢?cè)械刭|(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)該采空區(qū)面積相較于早期掃描(183.4 m2)增大一倍，掃描結(jié)果顯示地下空區(qū)的形態(tài)很不規(guī)則，故在后期處理時(shí)應(yīng)關(guān)注采空區(qū)頂板變薄的情形。

依據(jù)礦區(qū)長(zhǎng)期的采空區(qū)處理經(jīng)驗(yàn)及科研機(jī)構(gòu)提供的公式[13]：

h=0.71b-1.02

(1)

式中：h為采空區(qū)頂板安全厚度，m；b為最大跨度，m。

計(jì)算得h=13.18 m，而該采空區(qū)的頂板厚度為24.7 m和24.1 m，表明該采空區(qū)處于相對(duì)安全狀態(tài)，但出于出礦需要，應(yīng)盡早有效處理隱患。

3 爆破方案設(shè)計(jì)

基于該相鄰采空區(qū)所在上部平臺(tái)不具備布置輔助自由面的情況，采用原地崩落采空區(qū)頂板，在721 m平臺(tái)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，在兩采空區(qū)所在位置進(jìn)行爆破，并且要求采空區(qū)范圍內(nèi)的鉆孔盡可能打穿采空區(qū)頂板，在此基礎(chǔ)上，需要設(shè)計(jì)合適的爆破網(wǎng)路和裝藥方式。

3.1 相鄰采空區(qū)鉆孔布置

考慮到721 m平臺(tái)下方的兩個(gè)采空區(qū)(700-1#、700-2#)規(guī)模較大，為了確保施工效果，應(yīng)布置較多的鉆孔，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的全覆蓋。并結(jié)合三維激光掃描結(jié)果，保證鉆孔打穿率達(dá)90 %以上。根據(jù)實(shí)際需要，本次相鄰采空區(qū)處理共施工63個(gè)鉆孔，預(yù)計(jì)孔深總長(zhǎng)度在990 m左右。最小孔深為7.1 m，最大孔深為28 m。鉆孔的種類也有所不同，可分為切割孔、加密孔、正?？祝讖骄鶠?40 mm(見圖3)。

注：“20.5未穿”等表示鉆機(jī)所鉆的深度，且未打穿；“14～19.5”等表示炮孔深度范圍。圖3 相鄰采空區(qū)鉆孔布置Fig. 3 Drilling layout of adjacent goaf

1)切割孔。在相鄰采空區(qū)的邊緣及兩者的中間地帶，布置一定數(shù)目的切割孔，孔深不小于20 m，起到分離采空區(qū)的作用，使之獨(dú)立。

2)正?？?。根據(jù)掃描結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在采空區(qū)范圍內(nèi)布置大量的正常孔，以鉆孔打穿為準(zhǔn)。如果不能打穿，則需要繼續(xù)打設(shè)，且炮孔深度不小于20 m。

3)加密孔?？紤]到采空區(qū)規(guī)模大，為了確保爆破振動(dòng)及擠壓作用效果，在正?？着c正?？字g、切割孔與切割孔之間、正?？着c切割孔之間進(jìn)行適度調(diào)整，布置少量的加密孔，炮孔深度不小于20 m，起到局部爆破振動(dòng)效應(yīng)增強(qiáng)的作用，從而崩落采空區(qū)。

3.2 裝藥量

由于該相鄰采空區(qū)不存在側(cè)向自由面，故在藥量上有所加大，用于增大爆破振動(dòng)效應(yīng)[13]。鉆孔孔徑為140 mm，垂直穿孔，采空區(qū)范圍內(nèi)的鉆孔采用連續(xù)裝藥，其中孔底吊孔填塞2.5 m，上部填塞4.5 m，雙發(fā)雷管起爆。吊孔時(shí)位置大于孔底50 cm，以保證底部有效的填塞，防止沖孔。實(shí)際設(shè)計(jì)中，單孔最大藥量為189.28 kg，總藥量達(dá)8 432.26 kg，爆破規(guī)模較大，部分炮孔深度及裝藥量如表2所示。起爆位置在采空區(qū)中部，采用毫秒延時(shí)起爆，起爆網(wǎng)路連接如圖4所示。根據(jù)實(shí)際需要，采空區(qū)炮孔延時(shí)時(shí)間有所不同，共采用段別為MS2～MS10的非電導(dǎo)爆雷管起爆。

表2 部分炮孔深度及裝藥量Table 2 Part of blasthole depth and charge amount

圖4 起爆網(wǎng)路Fig.4 Detonation network

4 應(yīng)用效果分析

現(xiàn)場(chǎng)起爆時(shí)，通過監(jiān)控發(fā)現(xiàn)采空區(qū)有明顯沉陷現(xiàn)象。等待30 min后，該相鄰采空區(qū)邊緣地帶存在明顯下凹、拉裂現(xiàn)象，布置的切割孔及加密孔有利于采空區(qū)的頂板崩落。由于巖石松散系數(shù)的存在，爆破后巖石較為松散，且采空區(qū)的高度并不是很大，導(dǎo)致兩采空區(qū)的中部呈現(xiàn)局部隆起狀態(tài)，較為符合預(yù)期。通過現(xiàn)場(chǎng)721 m平臺(tái)的檢查及上部平臺(tái)的俯視觀察，表明該爆破施工方案成功消除了無(wú)側(cè)向自由面相鄰采空區(qū)的安全隱患。

在相鄰采空區(qū)的分離處存在明顯地分割現(xiàn)象，塌陷現(xiàn)象較為明顯，表明通過增強(qiáng)爆破振動(dòng)效應(yīng)，起到了良好的作用，消除了相鄰采空區(qū)中間地帶的安全隱患。此外，相比較其余位置，采空區(qū)中部巖石塊度較小，表明中部藥量偏大，在以后處理類似采空區(qū)時(shí)可適當(dāng)降低中部裝藥量。

5 結(jié)語(yǔ)

掌握自由面的個(gè)數(shù)及范圍是處理采空區(qū)的關(guān)鍵難點(diǎn)之一，而無(wú)側(cè)向自由面的存在，無(wú)形中增加了相鄰采空區(qū)的處理難度，需要進(jìn)行有效探測(cè)及爆破處理。

1)通過分析無(wú)側(cè)向自由面相鄰采空區(qū)的處理難度，采用三維激光掃描技術(shù)探明了該位置相鄰空區(qū)的分布情況，結(jié)合采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)公式及消除安全隱患的目的，認(rèn)為該相鄰采空區(qū)需要及時(shí)處理。

2)給出了鉆孔布置方式，考慮到爆破振動(dòng)效應(yīng)及巖石間的擠壓作用，將其分為切割孔、加密孔及正?？?，并進(jìn)行了裝藥量設(shè)計(jì)，在采空區(qū)中部進(jìn)行起爆。

3)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果表明，該相鄰采空區(qū)的實(shí)施效果呈現(xiàn)中部隆起，邊緣凹陷，中間地帶分割的現(xiàn)場(chǎng)，考慮到采空區(qū)中部高度不大，符合實(shí)際情況，為類似采空區(qū)的處理提供了參考。