高陡邊坡下民采空區(qū)處理技術(shù)分析

陳晶晶，張兵兵，藍 宇，韓 振，張崗濤，方 翔

(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)一直是威脅礦山安全生產(chǎn)的重要隱患，其具有極強的隱蔽性，傳統(tǒng)的探測手段很難確定其賦存特性。尤其在地采轉(zhuǎn)露采的礦山或露井聯(lián)合開采的礦山中，如何有效消除采空區(qū)的安全隱患及徹底處理采空區(qū)，已引起了許多專家學(xué)者的關(guān)注。目前，鉆孔勘探、三維激光掃描、探地雷達、高密度電磁法等均已應(yīng)用于采空區(qū)探測方面。楊靖[1]分析了地質(zhì)雷達在露天礦采空區(qū)探測的可行性，比較了50 MHz和100 MHz下采空區(qū)的情況，較為準確地確定了采空區(qū)的范圍。張德輝等[2]在采空區(qū)探測方面綜合采用了高密度電阻率法、瞬變電磁法，快速準確地確定了弓長嶺礦的淺部和深部采空區(qū)的個數(shù)及規(guī)模。劉博文等[3]通過對目前露天礦采空區(qū)探測現(xiàn)狀的分析，提出了面式探測與點式探測相結(jié)合的技術(shù)手段，并給出了穩(wěn)定性評價標(biāo)準，確定了分類、分級處理的技術(shù)方案。崔曉榮等[4-6]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)規(guī)模及相關(guān)參數(shù)與實際情況較為吻合，為有效處理采空區(qū)提供了保證。周文勇[7]模擬分析了采空區(qū)存在時的邊坡穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)臨近邊坡的地下采空區(qū)存在顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，坡面上有明顯的拉伸破壞區(qū)域，對邊坡穩(wěn)定性影響極大。董慧明[8]綜合采用實驗室力學(xué)實驗、安全頂板厚度理論計算及現(xiàn)場邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的手段，分析了采空區(qū)對邊坡穩(wěn)定性的影響。賴秀英等[9]利用有限元分析軟件研究了民采空區(qū)走向與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系，得出民采空區(qū)走向與邊坡面斜交時,邊坡失穩(wěn)的可能性最大，平行或垂直時,對邊坡穩(wěn)定性影響不大。采空區(qū)處理方法主要有強制爆破崩落法、充填法、封閉法等，基于應(yīng)用范圍而言，爆破處理更為廣泛。耿智園等[10]模擬分析了炮孔排距、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。倪景峰等[11]綜合采用數(shù)理統(tǒng)計和現(xiàn)場實測的方法，通過分析孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、連線方式等對采空區(qū)爆破的影響，驗證了爆破方案的可行性。方翔等[12]從爆破的作業(yè)流程方面分析了采空區(qū)爆破的施工要點，并進行了爆破實施效果的評估分析。宋子嶺等[13]采用LS-DYNA軟件模擬了孔底填塞長度及起爆位置對采空區(qū)爆破的影響，結(jié)合現(xiàn)場實踐得出2 m的填塞長度與中間起爆技術(shù)相結(jié)合，爆破效果較好。陳晶晶等[14]以大寶山礦某層采空區(qū)為背景，從爆破參數(shù)、起爆方式、起爆網(wǎng)路及施工安全性出發(fā)，成功解決了采空區(qū)的安全隱患。

綜上所述，采空區(qū)的探測技術(shù)應(yīng)用較為成熟，而在高陡邊坡下民采空區(qū)的處理方面仍存在一定的不足，故如何有效消除民采空區(qū)對邊坡的影響，具有一定的研究意義。

1 工程背景及施工難點

大寶山露天礦山占地規(guī)模大，富含鐵、銅、硫、鉛、鋅等礦石，開采價值極高。礦山開采時間長，早期采用井工開采，由于生產(chǎn)計劃的無序性，導(dǎo)致地下礦體賦存位置遺留了較多的采空區(qū)，嚴重威脅著礦山的安全生產(chǎn)。此外，由于早期礦石價格較高，民采、盜采現(xiàn)象屢禁不絕，在地下遺留了許多無參考資料的采空區(qū)，對礦山的安全生產(chǎn)威脅極大。后期為了提高礦石利用率及改善施工環(huán)境，采用了露天開采模式，而地下遺留的采空區(qū)成為了威脅礦山安全生產(chǎn)的重要危險源。基于大寶山開采殘留且未處理采空區(qū)數(shù)目眾多的情況，并與許多科研機構(gòu)聯(lián)合，進行了采空區(qū)的普查統(tǒng)計，摸清了較多采空區(qū)的位置及相關(guān)參數(shù)，但受制于民采、盜采的情況，且無相關(guān)地質(zhì)資料可以參考，其采空區(qū)仍是威脅礦山開采的安全隱患。因此如何利用鉆孔勘探及三維激光掃描技術(shù)較為準確地確定民采空區(qū)的相關(guān)情況，是需要及時解決的一大難題。

在生產(chǎn)期間，為了確保施工的安全性，不定期地在礦石品位較高的位置處，通過打設(shè)一定數(shù)目、深度為30 m左右的鉆孔，用于排查采空區(qū)或民采空區(qū)的位置。大寶山露天礦臺階高度為12 m，以深孔爆破為主，709平臺某工作面富含高品位的鉛鋅礦，且邊坡坡度大，屬于高陡邊坡。分析幾個鉆孔資料，判斷出地下可能存在采空區(qū)。但通過參考相關(guān)地質(zhì)資料，并沒有發(fā)現(xiàn)該位置處的采空區(qū)情況，基本上可以認定為民采空區(qū)。為了消除安全隱患及回收高品位礦石，必須對該民采空區(qū)進行及時有效地處理。

2 三維激光掃描技術(shù)

由于民采空區(qū)的隱蔽性，傳統(tǒng)的鉆孔勘探等探測手段難以準確探明地下采空區(qū)的具體情況，基于這一難題，采用了三維激光掃描技術(shù)。

1)三維激光掃描技術(shù)原理。地采轉(zhuǎn)露采的礦山地下賦存有一定數(shù)目的采空區(qū)，地下礦巖體及空洞區(qū)域的介質(zhì)均存在差異性，其對激光的反射率也并不相同。通過向現(xiàn)場疑似采空區(qū)的鉆孔內(nèi)投放三維激光掃描儀至一定深度，探頭可在空洞內(nèi)部發(fā)射激光，其遇到礦巖體、礦柱或空洞區(qū)都會發(fā)生反射，再通過配備的軟件顯示出大致的情況，后期再通過技術(shù)處理，有效地獲取采空區(qū)的位置及賦存特征等。

2)掃描結(jié)果分析。在697平臺的一個探測孔位置(坐標(biāo)為71 204.4,17 483.5,696.9)進行了三維激光掃描，探測至692.5 m標(biāo)高時，發(fā)現(xiàn)探穿采空區(qū)，測得采空區(qū)高度為5.4 m(見圖1)。通過以往掃描結(jié)果并參考地質(zhì)資料分析，認為該空區(qū)與2014年掃描的采空區(qū)為同一采空區(qū)。

圖1 民采空區(qū)Fig.1 Civil goaf

通過點云的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將其投射在平面圖上，顯示出該采空區(qū)的位置(見圖2)，表明該采空區(qū)存在擴大的現(xiàn)象。根據(jù)已知數(shù)據(jù)，可得民采空區(qū)各參數(shù)平均值如表1所示。

圖2 民采空區(qū)的平面位置Fig.2 Plane position of the civil goaf

表1 民采空區(qū)相關(guān)參數(shù)

通過地質(zhì)資料查詢發(fā)現(xiàn)，該采空區(qū)所在范圍并沒有采空區(qū)資料，因此可以判定該采空區(qū)為民采盲空區(qū)，且掃描區(qū)域相比2014年掃描采空區(qū)面積向南部擴大了約40 m2。東部采空區(qū)于2014年曾發(fā)生塌陷，經(jīng)后期掃描結(jié)果得知該區(qū)域下部并未完全塌陷，依然存在采空區(qū)。該區(qū)域經(jīng)過4年多的現(xiàn)場巡查，也并沒有發(fā)現(xiàn)垮塌跡象，因此，更需要高度重視該采空區(qū)的穩(wěn)定性。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗及科研機構(gòu)提供的采空區(qū)穩(wěn)定性判定經(jīng)驗公式：

h=0.71b-1.02

(1)

式中：h為最小保安層厚度，m；b為采空區(qū)最大跨度，m。

通過分析跨度與頂板厚度的對應(yīng)關(guān)系，計算得最小保安層厚度為11.05 m，小于采空區(qū)最大跨度，表明采空區(qū)需盡快處理。

3 爆破方案

由鉆孔勘探及三維激光掃描結(jié)果可知，該采空區(qū)絕大部分位于高陡邊坡下，還有一部分存在邊坡的正下方，對處理技術(shù)的要求較高?；谶@一情況，決定在685平臺的上方打設(shè)一些斜孔，深度達到采空區(qū)下方；并在685平臺根據(jù)三維激光掃描結(jié)果，分區(qū)域布置不同數(shù)目的鉆孔。由于該民采空區(qū)南部的頂板厚度較小，存在嚴重的安全隱患，使得采空區(qū)中部無法布置鉆孔，故只是在南部邊緣位置布置了少量的鉆孔，很大程度上加劇了該民采空區(qū)的處理難度。考慮到這一實際情況，在進行爆破設(shè)計時，做了相應(yīng)的技術(shù)調(diào)整，以期達到較好處理該民采空區(qū)的目的，即一方面要滿足采空區(qū)處理的要求，另一方面也要達到大規(guī)模出礦的目的，二者呈現(xiàn)互補狀態(tài)。

1)鉆孔布置。本次采空區(qū)處理的炮孔分為邊坡深孔(10號孔～13號孔)、邊緣切割孔(7號孔,14號孔)、加密孔(2號孔，16號孔)、正?？?。由于部分采空區(qū)在高陡邊坡下，故在709平臺邊坡設(shè)計了4個邊坡深孔。根據(jù)掃描結(jié)果，計算出達到采空區(qū)的孔深在24 m以上，角度在80°～85°之間?？紤]到三維掃描可能存在一些誤差，現(xiàn)場施工時以鉆孔打穿為準。打鉆結(jié)果顯示，只有一個深度在24.5 m的鉆孔未打穿，其余3個鉆孔均打穿，與設(shè)計較為吻合。在采空區(qū)的北部布置了一些邊緣切割孔，孔網(wǎng)密度較小，起到切割采空區(qū)邊界的作用。在采空區(qū)的南部布置了加密孔，但現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)，鉆孔在8 m左右已打穿，甚至出現(xiàn)設(shè)計鉆孔在4.5 m處已打穿的現(xiàn)象?；诎踩目紤]，不再向里推進打鉆。在北部靠近采空區(qū)中部的位置處，布置了正常的炮孔，以打穿為準，現(xiàn)場打鉆結(jié)果表明均打穿。

此外，考慮到采空區(qū)打鉆的安全性，并未在采空區(qū)中部進行布孔。為了達到處理該采空區(qū)的目的，在采空區(qū)上部平臺布置了較多的深孔，通過爆破振動及擠壓作用達到預(yù)期處理效果。炮孔布置如圖3所示。

注：“24.5未穿”等表示鉆機所鉆深度，且未打穿；“11.5～15”等表示采空區(qū)孔洞深度范圍。圖3 民采空區(qū)的炮孔布置Fig.3 Arrangement of the blasting hole in the civil goaf

2)裝藥量及填塞長度設(shè)計?；诎踩嵌瓤紤]，本次爆破在采空區(qū)輻射范圍內(nèi)，炮孔均采用加大裝藥量的處理方式[15]。炮孔直徑為140 mm，基本按垂直布設(shè)，孔網(wǎng)參數(shù)為4 m×4.5 m，打穿的深孔在底部進行2.5 m的沙袋分割，上部填塞長度為4 m。采用混裝銨油炸藥進行耦合裝藥，2根110 mm的乳化炸藥作為起爆藥包，4 根導(dǎo)爆管雷管進行傳爆。未打穿的炮孔進行正常裝藥。切割孔及加密孔也加大藥量，單孔最大藥量達234 kg，在采空區(qū)東部用挖機人為制造輔助自由面，直至挖機遇到堅硬巖層無法施工為止，其長度4 m、寬度1.2 m、深度2.5 m。

3)爆破網(wǎng)路設(shè)計?；诩皶r高效處理采空區(qū)的前提，采空區(qū)上部的炮孔爆破網(wǎng)路連接有所差異，北部的切割孔及打穿炮孔、南部的加密孔及邊坡深孔采用同一段別的雷管，實現(xiàn)同時起爆的目的。綜合利用擠壓作用及爆破振動效應(yīng)，起爆點設(shè)置在采空區(qū)中部，其余正常炮孔采用延遲時間更長的雷管進行引爆，起到進一步加強爆破振動的效果。

4 效果分析

采用引爆裝置起爆后，通過遠程監(jiān)控設(shè)備可以看到采空區(qū)中部位置呈現(xiàn)明顯的沉陷狀態(tài)，表明爆破振動作用及周邊巖體的擠壓效應(yīng)已使該位置成功崩落。為了確保安全，等待30 min后，前往現(xiàn)場查看處理效果。高陡邊坡下的局部采空區(qū)位置呈現(xiàn)明顯的塌陷情況，采空區(qū)中部充填效果較好，明顯地隆起。其他位置處，大致表現(xiàn)為拋物線形態(tài)，表明該民采空區(qū)的處理效果良好。但現(xiàn)場檢查時，發(fā)現(xiàn)爆區(qū)中部巖層的塊度相對其余位置較大，可能是因為爆破單耗設(shè)計較小所致。在后期挖機施工時，為了再次確保施工安全，在原采空區(qū)的四周采用測量儀器進行放點，挖機先從外向里進行礦石挖采作業(yè)，施工狀態(tài)良好，再次表明了該民采空區(qū)的處理效果良好。

5 結(jié)語

1)分析了高陡邊坡下民采空區(qū)的處理難點，采用三維激光掃描技術(shù)確定了民采空區(qū)的相關(guān)參數(shù)，通過民采空區(qū)安全頂板厚度穩(wěn)定性評價，認為需要及時處理。

2)基于安全處理的目的，布置了切割孔、加密孔及正?？椎扰诳?，通過加大裝藥量增加了爆破振動效應(yīng)，在采空區(qū)范圍內(nèi)采用同一段別雷管，增強了炮孔間的相互擠壓作用。

3)現(xiàn)場實施結(jié)果及挖機作業(yè)情況表明，該爆破方案消除了民采空區(qū)的安全隱患，為相關(guān)民采空區(qū)的處理提供了參考。