礦山采空區(qū)崩落爆破評(píng)估驗(yàn)收方法

崔曉榮 林謀金 鄭炳旭 喻 鴻

(1.宏大礦業(yè)有限公司，廣東 廣州510623;2.廣東宏大爆破股份有限公司，廣東 廣州510623;3.廣東省大寶山礦業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān)512128)

露天采礦具有采掘設(shè)備效率高、生產(chǎn)成本低、施工安全和勞動(dòng)條件好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，國內(nèi)外的新建和擴(kuò)建礦山均有大規(guī)模采用露天開采或從地下開采轉(zhuǎn)入露天復(fù)采的趨勢(shì)［1-3］。在當(dāng)今礦業(yè)“黃金十年”后的寒冬期，我國政策要求對(duì)小礦實(shí)行撤消、合并，鼓勵(lì)和支持由地采轉(zhuǎn)為較大規(guī)模露天開采，實(shí)現(xiàn)危機(jī)礦山的轉(zhuǎn)型升級(jí)。地采轉(zhuǎn)露采進(jìn)行隱患資源復(fù)采，隨著露天開采層面的逐年下降，采場(chǎng)距離原地采遺留的采空區(qū)越來越近，施工安全問題越來越突出，為了實(shí)現(xiàn)遺留采空區(qū)治理與隱患資源開采協(xié)同作業(yè)，需要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)和處理［4］，目前采空區(qū)處理的方法主要為充填法和崩落法。

對(duì)于在露天開采設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的采空區(qū)，采用充填法進(jìn)行處理存在二次裝運(yùn)問題，經(jīng)濟(jì)上不合理，因此往往采用崩落爆破法進(jìn)行處理。張成良等［5］提出了采用硐室爆破崩落圍巖的方法來處理采空區(qū);王春毅等［6］采用中深孔爆破成功處理了下層空區(qū)頂板與上層空區(qū)底板之間隔層厚度小于最小安全厚度時(shí)的多層空區(qū);賈寶珊［7］采用微差起爆方法在正常臺(tái)階中深孔采礦爆破作業(yè)的同時(shí)對(duì)爆區(qū)內(nèi)的空區(qū)進(jìn)行處理。不管采用何種崩落爆破方法，均需要對(duì)崩落爆破效果進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)收，以確保后續(xù)采礦施工安全。采空區(qū)崩落爆破以后，用物探或者鉆探判別空區(qū)是否有效崩落并得到充填，效率低，成本高，難以滿足遺留采空區(qū)治理與隱患資源開采協(xié)同作業(yè)的日常生產(chǎn)要求。因此，本研究提出利用采空區(qū)爆破前后的體積平衡原理，計(jì)算爆破后采空區(qū)充填率和遺留小空區(qū)體積2 個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)采空區(qū)崩落爆破處理效果。其中采空區(qū)充填率評(píng)價(jià)崩落爆破處理本身的效果，判別原主要隱患是否排除;局部遺留空區(qū)體積評(píng)價(jià)空區(qū)崩落爆破處理后剩余安全隱患的大小。

1 基本原理

地采轉(zhuǎn)入露采的礦山，露天開采境界內(nèi)的采空區(qū)一般均采用崩落爆破法充填，實(shí)現(xiàn)隱患空區(qū)治理與露天礦山生產(chǎn)協(xié)同作業(yè)。采空區(qū)崩落以后，利用采空區(qū)崩落爆破前后的區(qū)域體積平衡和巖體體積平衡原理( 如圖1 所示) ，計(jì)算出遺留小空區(qū)體積和采空區(qū)充填率，從而定量評(píng)價(jià)采空區(qū)崩落爆破處理效果。

圖1 采空區(qū)崩落爆破前后體積平衡Fig.1 Principle of volume balance before and after blasting

由圖1 可知，根據(jù)采空區(qū)崩落爆破前后區(qū)域體積平衡原理，針對(duì)采空區(qū)及其崩落爆破處理區(qū)域，采空區(qū)崩落爆破前后存在該區(qū)域體積平衡，公式如下:

式中，V1巖為爆破前采空區(qū)崩落爆破處理區(qū)域內(nèi)巖體總體積;V1空為爆破前采空區(qū)體積;V2松巖為采空區(qū)崩落爆破中被爆破破碎巖體的松散體積;V2整巖為采空區(qū)崩落爆破處理區(qū)域內(nèi)未被爆破破碎的整體巖體體積;V2空為爆破后遺留采空區(qū)體積;ΔV 為爆破后地表塌陷體積。

根據(jù)采空區(qū)崩落爆破前后巖體體積平衡原理，采空區(qū)崩落爆破后，盡管崩落爆破處理區(qū)域內(nèi)的部分或全部巖石由原巖狀態(tài)變?yōu)樗缮r塊，但仍存在實(shí)際巖體體積平衡，公式如下:

式中，k0為巖石爆破破碎后的松散系數(shù);V1巖爆為采空區(qū)崩落爆破中被爆破破碎巖體的原始體積。

通過遺留小空區(qū)體積和采空區(qū)充填率這2 個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)采空區(qū)崩落爆破處理效果。其中采空區(qū)充填率k 主要評(píng)價(jià)崩落爆破處理本身的效果，據(jù)此判別原主要隱患是否排除;局部遺留空區(qū)體積V2空主要評(píng)價(jià)空區(qū)崩落爆破處理后剩余安全隱患的大小。

2 不同采空區(qū)崩落方案的效果評(píng)價(jià)參數(shù)

地采轉(zhuǎn)露采礦山生產(chǎn)過程中探測(cè)到的采空區(qū)崩落爆破處理，根據(jù)空區(qū)跨度和頂板厚度不同，一般采取3 種處理方法，即空區(qū)頂板( 可含局部圍巖) 崩落爆破處理、空區(qū)圍巖崩落爆破充填處理和空區(qū)頂板外圍切割爆破處理。

2.1 空區(qū)頂板(可含局部圍巖)崩落爆破

當(dāng)采空區(qū)頂板厚度適中，足以承擔(dān)施工載荷，又便于爆破破碎，通過采空區(qū)頂板( 可含局部圍巖) 崩落爆破法處理采空區(qū)，采空區(qū)處理時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了該區(qū)域的采礦爆破或巖石剝離爆破。該方法一般對(duì)全部采空區(qū)頂板進(jìn)行鉆爆施工，但如果空區(qū)頂板厚跨比較大，單純進(jìn)行空區(qū)頂板爆破夾制作用較大，可增加局部圍巖爆破。采空區(qū)及采空區(qū)崩落爆破處理區(qū)域內(nèi)，爆破前該區(qū)域內(nèi)為需要爆破的采空區(qū)頂板( 可含局部圍巖) 的自然巖體和采空區(qū); 爆破后形成地表塌陷，該區(qū)域內(nèi)的巖體均充分破碎變成松散巖體充填原采空區(qū)，局部仍可能存在小的遺留空區(qū)。

該處理方案，采空區(qū)崩落爆破處理區(qū)域圈定時(shí)取V2整巖=0，則有V1巖= V1巖爆，表示圈定區(qū)域內(nèi)的巖體均進(jìn)行爆破破碎。根據(jù)式( 1) ，采空區(qū)崩落爆破以后，如果V2空＞0，表示采空區(qū)未充填滿，仍存在遺留空區(qū)。遺留空區(qū)的體積如下:

采空區(qū)進(jìn)行頂板( 可含局部圍巖) 崩落爆破以后，往往空區(qū)頂板破碎導(dǎo)致地表塌陷，采空區(qū)充填系數(shù)

2.2 空區(qū)圍巖崩落爆破充填

當(dāng)采空區(qū)頂板厚度較大，不利于空區(qū)頂板爆破崩塌，但因各種原因，如該存在采空區(qū)的區(qū)域需要布置礦山道路，空區(qū)頂板又難以崩塌但需要充填才能確保運(yùn)輸安全的，可通過采空區(qū)圍巖崩落爆破法處理采空區(qū)。該方法從地表鉆垂直深孔至空區(qū)圍巖，進(jìn)行裝藥爆破破碎采空區(qū)的圍巖，依靠采空區(qū)圍巖的破碎松散體充填采空區(qū)。在采空區(qū)及采空區(qū)崩落爆破處理區(qū)域內(nèi)，爆破前該區(qū)域內(nèi)為需要爆破的采空區(qū)圍巖的自然巖體和采空區(qū);爆破后不形成地表塌陷，完全依靠該區(qū)域內(nèi)的爆破圍巖的松散體充填原采空區(qū)，局部仍可能存在小的遺留空區(qū)。

該處理方案，采空區(qū)崩落爆破處理區(qū)域圈定時(shí)取V2整巖=0，即空區(qū)頂板及周邊未進(jìn)行爆破破碎的巖石不計(jì)入圈定區(qū)域，則有V1巖= V1巖爆，表示圈定區(qū)域內(nèi)的巖體均進(jìn)行爆破破碎。根據(jù)式( 2) ，采空區(qū)崩落爆破以后，無地表塌陷，即ΔV =0。遺留空區(qū)的體積如下:

采空區(qū)的充填系數(shù)

2.3 空區(qū)頂板外圍切割爆破

當(dāng)采空區(qū)頂板厚度較薄，難以承擔(dān)施工載荷時(shí)，通過采空區(qū)頂板外圍切割爆破法處理采空區(qū)，空區(qū)頂板塌落以后再進(jìn)行2 次破碎，采空區(qū)處理與該區(qū)域的采礦爆破或者巖石剝離爆破分2 次進(jìn)行。施工存在危險(xiǎn)的采空區(qū)頂板中部不進(jìn)行鉆爆，僅對(duì)采空區(qū)頂板的外圍進(jìn)行爆破，促使空區(qū)頂板整體塌落充填空區(qū)。

空區(qū)頂板外圍切割爆破，最理想的情況是爆破后形成一個(gè)整齊的、閉合的環(huán)狀貫穿裂縫，促使空區(qū)頂板整體塌落;但實(shí)際施工過程中，考慮到安全可靠性，往往在采空區(qū)頂板外圍進(jìn)行鉆孔爆破形成有一定寬度的破碎帶，更好地促進(jìn)空區(qū)頂板塌落。采空區(qū)及采空區(qū)崩落爆破處理區(qū)域內(nèi)，爆破前該區(qū)域內(nèi)為需要爆破的采空區(qū)頂板的自然巖體和采空區(qū);爆破后形成地表塌陷，該區(qū)域內(nèi)的巖體局部充分破碎變成松散巖體、部分整體塌落，共同充填原采空區(qū)，局部仍可能存在小的遺留空區(qū)。

根據(jù)式(1) ，采空區(qū)崩落爆破以后，如果V2空＞0，表示采空區(qū)未充填滿，仍存在遺留空區(qū)。

根據(jù)區(qū)域體積平衡原理和巖體體積平衡原理，遺留空區(qū)的體積

采空區(qū)的充填系數(shù)

綜上所述，無論采用何種崩落爆破方案，地采轉(zhuǎn)露采礦山采空區(qū)崩落爆破處理效果評(píng)價(jià)，均通過采空區(qū)充填率和遺留空區(qū)體積2 個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)其崩落爆破處理效果。采空區(qū)充填系數(shù)k 主要評(píng)價(jià)崩落爆破處理本身的效果，k 越接近100%表示崩落爆破效果越好;如果k ＞85%，表示爆破效果優(yōu)良，原主要安全隱患已經(jīng)排除。局部遺留空區(qū)體積V2空主要評(píng)價(jià)空區(qū)崩落爆破處理后遺留安全隱患的大小，V2空越大則剩余安全隱患越大，如果大到可能影響礦山正常生產(chǎn)的人員和設(shè)備安全，需要采取進(jìn)一步的應(yīng)對(duì)措施。

3 空區(qū)崩落爆破效果評(píng)價(jià)流程

地采轉(zhuǎn)露采礦山生產(chǎn)過程中探測(cè)到的采空區(qū)，往往根據(jù)空區(qū)頂板厚度不同，采取不同崩落爆破處理方案，包括空區(qū)頂板( 可含局部圍巖) 崩落爆破處理、空區(qū)圍巖崩落爆破充填處理和空區(qū)頂板外圍切割爆破處理。不管采用何種空區(qū)崩落爆破方案，其崩落爆破效果評(píng)價(jià)驗(yàn)收方法一致，如圖2 所示。

圖2 采空區(qū)崩落爆破驗(yàn)收流程Fig.2 Assessment process of blasting in goafs

(1) 采空區(qū)探明: 先通過物探和鉆探等手段，發(fā)現(xiàn)采空區(qū);再通過采空區(qū)自動(dòng)激光掃描系統(tǒng)，獲得描述采空區(qū)位置和形狀的點(diǎn)云圖，其反應(yīng)采空區(qū)位置、大小、高度和埋深等參數(shù)。

(2) 采空區(qū)體積計(jì)算: 根據(jù)采空區(qū)的三維掃描數(shù)據(jù)，計(jì)算采空區(qū)的體積。

(3) 采空區(qū)崩落爆破方案初選: 根據(jù)空區(qū)頂板跨度和厚度不同，選擇合適的崩落爆破方案，包括空區(qū)頂板( 可含局部圍巖) 崩落爆破處理、空區(qū)圍巖崩落爆破充填處理和空區(qū)頂板外圍切割爆破處理3 類，同時(shí)確定采空區(qū)及其崩落爆破處理區(qū)域，即采空區(qū)崩落爆破前后區(qū)域體積平衡公式的圈定區(qū)域范圍。

(4) 巖石爆破破碎后的松散系數(shù)k0測(cè)定: k0與巖性、裂隙發(fā)育程度、鉆爆孔網(wǎng)參數(shù)、平均炸藥單耗等相關(guān)。實(shí)際施工過程中，選擇類似采空區(qū)崩落爆破破碎巖體的地質(zhì)條件，采用與采空區(qū)崩落爆破相同的爆破參數(shù)，進(jìn)行局部區(qū)域的臺(tái)階爆破，分別測(cè)量并計(jì)算出爆破后松散巖體體積和對(duì)應(yīng)爆破前原巖體積，兩者之比即為巖石爆破破碎后的松散系數(shù)k0。

(5) 采空區(qū)崩落爆破方案設(shè)計(jì): 根據(jù)優(yōu)選的崩落爆破方案，進(jìn)行崩落爆破設(shè)計(jì)并計(jì)算“區(qū)域體積平衡”圈定區(qū)域范圍內(nèi)，哪些體積是崩落爆破后形成松散巖體的，哪些仍是整體巖體的( 僅針對(duì)空區(qū)頂板外圍切割爆破處理) 。

(6) 崩落爆破施工: 按照采空區(qū)崩落爆破設(shè)計(jì)，組織爆破施工。

(7) 地表塌陷測(cè)量: 為了確保安全，利用非接觸測(cè)量手段，如利用全站儀無棱鏡反射測(cè)量，獲得采空區(qū)崩落爆破以后地表塌陷情況( 采空區(qū)圍巖崩落爆破充填處理方案不存在地表塌陷，不需要測(cè)量) ，計(jì)算獲得地表塌陷體積。

(8) 采空區(qū)崩落爆破效果評(píng)價(jià)驗(yàn)收: 根據(jù)采空區(qū)崩落爆破前后的區(qū)域體積平衡和巖體體積平衡，計(jì)算出遺留空區(qū)體積和采空區(qū)充填率，從而定量評(píng)價(jià)采空區(qū)崩落爆破處理效果。采空區(qū)崩落爆破處理后，計(jì)算出采空區(qū)充填率k，主要評(píng)價(jià)崩落爆破處理本身的效果，據(jù)此判別原主要安全隱患是否排除; 計(jì)算出局部遺留空區(qū)體積V2空，主要評(píng)價(jià)空區(qū)崩落爆破處理后剩余安全隱患的大小。

4 工程案例

廣東省大寶山礦采礦施工過程中，于685 m 平臺(tái)35 線鉆探發(fā)現(xiàn)采空區(qū)，并用三維激光掃描儀進(jìn)行空區(qū)探明。該采空區(qū)平面呈橄欖球狀，南北兩端跨度小，中間跨度大，南北向長度為56 m，東西向最大跨度為22.6 m，南側(cè)位于685 ～697 m 臺(tái)階邊坡上，投影面積為852.7 m2，空區(qū)體積為5 200 m3，空區(qū)最大高度為16.3 m，位于空區(qū)中部，空區(qū)頂板到地表的最小厚度為11.9 m。根據(jù)地質(zhì)資料可知采空區(qū)所在的巖層位于中泥盆統(tǒng)東崗嶺組下亞組( D2da) ，附近工程地質(zhì)鉆孔所取巖芯顯示該區(qū)域巖體破碎，大部分為松散體，巖體條件較差。

綜合考慮地形地貌、水文地質(zhì)情況、探明空區(qū)參數(shù)、空區(qū)安全穩(wěn)定分析及崩落爆破施工安全性，決定采用崩落爆破法進(jìn)行該采空區(qū)的治理［8-10］。采空區(qū)北部的跨度和高度均較小，經(jīng)安全分析能夠保證鉆爆施工安全，故采取空區(qū)頂板強(qiáng)制崩落爆破法; 采空區(qū)中部的跨度和高度均較大，空區(qū)中部進(jìn)行鉆孔施工有一定的危險(xiǎn)性，故進(jìn)行空區(qū)頂板外圍切割爆破崩落法;采空區(qū)南部的跨度和高度均較小，空區(qū)頂板厚度超過23 m，安全隱患小，空區(qū)頂板厚、跨度小爆破夾制作用大，且跨越臺(tái)階坡面不易保證爆破效果，故不進(jìn)行爆破，利用空區(qū)中部塌落對(duì)其進(jìn)行充填。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備情況，設(shè)計(jì)崩落爆破鉆孔直徑為140 mm，炸藥單耗0.5 kg/m3，單位長度炮孔裝藥量約為13.8 kg/m?？諈^(qū)頂板北部，強(qiáng)制崩落爆破采用4 m×4 m 孔網(wǎng)布孔;空區(qū)中部采用雙排孔切割爆破，內(nèi)側(cè)炮孔微向內(nèi)傾斜，盡量避免鉆機(jī)承重于空區(qū)頂板，傾角為80o，2 排炮孔孔口排距為2 m，孔距4 m;為了達(dá)到預(yù)期的爆破效果，南部邊坡下的空區(qū)增加2 個(gè)傾斜孔，其傾角為70°，如圖3 中所示的孔8 －7 和孔9 －4。

圖3 采空區(qū)崩落爆破方案設(shè)計(jì)Fig.3 Design of the caving and blasting in goafs

根據(jù)崩落爆破方案及空區(qū)探明參數(shù)，圈定區(qū)域內(nèi)空區(qū)頂板爆破前山體體積18 656 m3，空區(qū)體積5 200 m3，鉆孔爆破部分的體積為4 912 m2，爆破后地表呈漏斗狀塌陷，塌陷面積近1 400 m2，最大下沉12 m，經(jīng)測(cè)量計(jì)算塌陷體積為2 848 m3?？諈^(qū)崩落爆破前后的地形地貌如圖4 所示。

圖4 采空區(qū)崩落爆破前后地形地貌Fig.4 The topography before and after blasting in goafs

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)算，巖石松散系數(shù)為1.45。根據(jù)體積平衡原理計(jì)算遺留空區(qū)體積和空區(qū)充填系數(shù):

上述計(jì)算表明: 空區(qū)南側(cè)可能未完全充填滿，但遺留空區(qū)體積僅為141.6 m3，治理后遺留安全隱患極小;空區(qū)充填系數(shù)高達(dá)97.2%，說明本次崩落爆破效果符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 結(jié) 論

(1) 地采轉(zhuǎn)露采礦山的采空區(qū)崩落爆破處理，包括空區(qū)頂板( 可含局部圍巖) 崩落爆破處理、空區(qū)圍巖崩落爆破充填處理和空區(qū)頂板外圍切割爆破處理，均可以根據(jù)爆破前后的體積平衡原理，計(jì)算獲得爆破后采空區(qū)充填率和遺留空區(qū)體積，根據(jù)這2 個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)空區(qū)崩落爆破處理效果并進(jìn)行驗(yàn)收，具有成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足隱患空區(qū)治理與隱患資源開采協(xié)同作業(yè)的日常生產(chǎn)要求。

(2) 本空區(qū)驗(yàn)收方法中，采空區(qū)充填系數(shù)k 表征崩落爆破處理方案的效果，越接近100%說明崩落爆破效果越好，k ＞85%表示爆破效果優(yōu)良，原主要安全隱患得到排除;局部遺留空區(qū)體積V2空評(píng)價(jià)空區(qū)崩落爆破處理后遺留安全隱患的大小，越大則說明剩余安全隱患越大，如遺留空區(qū)影響礦山后續(xù)正常生產(chǎn)，則需要進(jìn)一步處理。

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