露天采場(chǎng)高陡邊坡下深部采空區(qū)的爆破處理研究

解治宇 李翰林 房洪亮 韓連生 張德輝 沙成滿

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧鞍山114001；2.遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧鞍山114051；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819）

根據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，中國有色金屬非金屬地下礦山共有采空區(qū)12.8 億m3，且地下礦山采空區(qū)塌陷引發(fā)的安全事故接連發(fā)生，造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失［1-3］。鞍本地區(qū)作為我國最大的BIF型鐵礦集中區(qū)，其鐵礦資源量/儲(chǔ)量占全國總量的1/4，由于日偽時(shí)期的掠奪式開采和礦業(yè)整合開發(fā)前的無序開發(fā)和偷采濫挖，在一定深度空間遺留了大量隱伏采空區(qū)。上述采空區(qū)的存在給鐵礦山規(guī)?；穆短扉_采帶來極大的生產(chǎn)安全巨大隱患，制約了露天采場(chǎng)資源安全高效開采。

上述現(xiàn)象在富鐵礦發(fā)育的弓長嶺地區(qū)特別典型，尤以其中的大砬子采區(qū)最為突出。露天鐵礦大砬子采區(qū)位于弓長嶺二礦區(qū)東南端，是一個(gè)開采多年的露天老采區(qū)，處于生產(chǎn)的中老年期。目前，在大砬子采區(qū)擴(kuò)幫開采的南幫+280 m 標(biāo)高采礦平臺(tái)高陡邊坡下探測(cè)發(fā)現(xiàn)了大量隱伏采空區(qū)，呈不規(guī)則多層狀分布，且已探明的采空區(qū)范圍大、跨度廣和形態(tài)復(fù)雜，并已經(jīng)嚴(yán)重影響了礦山安全生產(chǎn)。本研究以大砬子采區(qū)多層采空區(qū)為研究對(duì)象，利用LS_DYNA 軟件建立爆破處理的數(shù)值計(jì)算模型，模擬在爆破荷載作用下采空區(qū)的塌陷過程［4-8］，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出合理有效的采空區(qū)治理方案，開展多層采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)爆破處理研究［9-13］，為類似礦山采空區(qū)安全處理提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)處于弓長嶺鐵礦二礦區(qū)端部，構(gòu)造上位于區(qū)域構(gòu)造弓長嶺背斜北翼，礦區(qū)西北端以寒嶺斷裂為界，東南到地質(zhì)勘探線30號(hào)剖面的大砬子，全長4 850 m，面積4.01 km2，其中大砬子采區(qū)（24～30號(hào)勘探線之間）即為研究區(qū)（圖1）。弓長嶺鐵礦帶構(gòu)造發(fā)育，褶皺、斷層齊全，它們控制著礦床的形成與分布［14］。鐵礦帶整體呈NW走向，長約12 km，但由于受寒嶺斷裂、偏嶺斷裂等一系列近平行的NE 向斷層的影響，鐵礦帶被切割分為一礦區(qū)、二礦區(qū)、三礦區(qū)、老嶺—八盤嶺礦區(qū)（包括老弓長嶺、獨(dú)木、啞叭嶺和八盤嶺）。弓長嶺鐵礦帶整體為一NW 向反S 型褶皺，但NE向斷層將NW向鐵礦帶錯(cuò)斷成為斷陷區(qū)和斷隆區(qū)。斷陷區(qū)由于下降而有利于含鐵巖系保存，斷隆區(qū)由于上升遭受剝蝕強(qiáng)烈而不利于含鐵巖系保存［14］。

弓長嶺二礦區(qū)地層屬于茨溝組，位于寒嶺斷裂與老嶺斷裂之間，處于斷陷區(qū)。二礦區(qū)含鐵巖系呈單層狀殘留體產(chǎn)于大片混合花崗巖中，巖層走向N20°～60°W，傾向NE，傾角60°～85°。含鐵巖系兩端受斷層影響產(chǎn)狀有些變化，其北西端受寒嶺斷裂影響，地層走向變?yōu)镹80°W，傾向SE；在其東南端因受老嶺斷裂影響，產(chǎn)狀變?yōu)镾N走向，向東陡傾斜［14］。

2 露天采場(chǎng)采空區(qū)爆破處理數(shù)值模擬研究

2.1 采空區(qū)概況

本研究爆破處理采空區(qū)位于大砬子采場(chǎng)南幫+280 m 標(biāo)高采礦平臺(tái)下方40～70 m，采空區(qū)地面投影面積約5 000 m2，按采空區(qū)平均厚度30 m 計(jì)算得最小體積為15 萬m3，影響安全作業(yè)面積達(dá)上萬平方米（圖1）。本研究通過鉆孔式三維激光掃描探測(cè)獲取采空區(qū)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)［15-17］，而后采用地學(xué)建模技術(shù)形成采空區(qū)的三維虛擬實(shí)體。探測(cè)成果顯示，該平臺(tái)的采空區(qū)主要呈不規(guī)則的多層狀分布特點(diǎn)（圖2）。

2.2 采空區(qū)爆破數(shù)值模擬及分析

2.2.1 采空區(qū)的數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)采空區(qū)平面分布圖（圖1），作一條經(jīng)過采空區(qū)的剖切線A-A'（圖3），由其切出的剖面可通過軟件LS_DYNA 開展爆破數(shù)值模擬計(jì)算［18-21］。由剖面圖所切的空區(qū)剖面建立的二維理論計(jì)算模型如圖4 所示。在模型左、右、下3 個(gè)面上施加無反射邊界條件以模擬無限巖體，并在底面邊界施加X、Y、Z 方向的位移約束，模型上表面均為自由邊界，對(duì)整體模型施加-Y 方向的重力，重力加速度為9.8 m/s2。巖體和填塞材料選用HJC 模型，采用高能炸藥材料和狀態(tài)方程*EOS_JWL 模擬乳化炸藥，選用NULL 模型和線性多項(xiàng)式模擬空氣材料。巖石和填塞材料采用Lagrange 算法，炸藥和空氣采用ALE 算法。起爆時(shí)，采用孔中起爆的方式，預(yù)留空區(qū)頂板厚度為3 m，采用排距7 m，為節(jié)約計(jì)算成本，排間延期時(shí)間設(shè)置為17 ms。

2.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及有效應(yīng)力分析

由不同時(shí)刻采空區(qū)在爆破荷載作用下的有效應(yīng)力云圖（圖5）可知，炸藥起爆后爆破應(yīng)力波對(duì)炮孔右側(cè)和下側(cè)巖體的作用較強(qiáng)，這兩部分巖體所受到的有效應(yīng)力較大，原因是炮孔右側(cè)和下側(cè)方向的抵抗線最短，爆轟波優(yōu)先從這兩個(gè)自由面溢出，有利于達(dá)到理想的工程爆破效果，即促使采空區(qū)塌陷和臺(tái)階發(fā)生破壞。

應(yīng)力波遇到自由面發(fā)生反射，形成反射拉伸波，產(chǎn)生反向拉應(yīng)力，自由面處的巖體發(fā)生片落。前排炮孔能為后排炮孔創(chuàng)造出新的自由面，應(yīng)力波在3個(gè)自由面之間來回反射、疊加，巖體在復(fù)雜的多重因素作用下發(fā)生破壞。右側(cè)臺(tái)階坡面的破壞主要是第一排炮孔炸藥爆炸作用的結(jié)果，后排炮孔也會(huì)對(duì)坡面產(chǎn)生影響，但主要是使破碎后的巖體產(chǎn)生側(cè)向位移。隨著后排炮孔對(duì)采空區(qū)頂板的持續(xù)作用，空區(qū)頂板應(yīng)力集中的區(qū)域越來越多，頂板受到的最大應(yīng)力為124.6 MPa，超過了巖體的屈服強(qiáng)度。

起爆后50 ms 時(shí)，也就是第3 個(gè)炮孔起爆后16 ms，爆轟波對(duì)上部邊坡的作用范圍最廣，這一時(shí)刻應(yīng)作為判斷邊坡是否穩(wěn)定的最不利時(shí)刻。爆炸進(jìn)行到70 ms 時(shí)，第一排炮孔下方的頂板出現(xiàn)了貫通裂隙。隨著時(shí)間的推移，采空區(qū)左上角出現(xiàn)了較嚴(yán)重的應(yīng)力集中，上部邊坡的尖角部位也出現(xiàn)了小范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破時(shí)對(duì)其應(yīng)引起足夠重視。由圖5（h）可知：爆炸進(jìn)行到0.1 s時(shí)，應(yīng)力集中的部位在炮孔中心連線處、炮孔底部和空區(qū)的左上角，應(yīng)力集中部位的最大應(yīng)力達(dá)到125.7 MPa，遠(yuǎn)大于巖體的抗拉強(qiáng)度，因此這部分巖體發(fā)生屈服。在后續(xù)采礦作業(yè)過程中，應(yīng)特別注意空區(qū)左上角出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，做好監(jiān)測(cè)和防護(hù)措施，必要時(shí)可進(jìn)行二次爆破，消除隱患。

特別是起爆后50 ms 是爆破應(yīng)力波對(duì)邊坡底部作用范圍最大的時(shí)刻，故本研究據(jù)此來分析爆破荷載作用對(duì)上部邊坡穩(wěn)定性的影響。由圖6可知：淺色區(qū)域巖體的有效應(yīng)力值為47.41 MPa，超過了巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，巖體處于屈服狀態(tài)，深色區(qū)域的有效應(yīng)力值小于41.92 MPa，巖體不會(huì)發(fā)生屈服。邊坡底部巖體的屈服范圍僅限于比空區(qū)邊界大2 m 的范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)部分巖體達(dá)到了屈服強(qiáng)度。因此邊坡在爆破荷載作用下整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生邊坡失穩(wěn)的次生災(zāi)害。為了更準(zhǔn)確地了解各個(gè)部位巖體的受力情況，取3 個(gè)部位的代表單元作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這3 個(gè)部位分別為：空區(qū)預(yù)留頂板中、炮孔之間的部分，代表空區(qū)頂板應(yīng)力薄弱部位；炮孔填塞部分之間的部位，代表易出現(xiàn)大塊巖石的部位；空區(qū)左邊界以上部位，代表伸入坡面的采空區(qū)頂板。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置和單元編號(hào)如圖7所示。

圖7所示的10個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果分別如圖8所示。

由圖8（a）可知：預(yù)留頂板處的巖體所受到的有效應(yīng)力遠(yuǎn)大于巖體本身的抗拉強(qiáng)度，403962 點(diǎn)的有效應(yīng)力在起爆后60 ms 時(shí)已經(jīng)達(dá)到71.31 MPa，巖體處于屈服狀態(tài)。而其他兩點(diǎn)（400024 點(diǎn)和433361點(diǎn)），所受到的有效應(yīng)力達(dá)到80 MPa，并且還在不斷增大，這說明在爆破荷載作用下，空區(qū)頂板的破壞過程既不是一蹴而就的達(dá)到破壞狀態(tài)，也不是單因素作用產(chǎn)生的破壞，頂板巖體首先受到爆轟波和反射拉伸波的巨大破壞，頂板不會(huì)完全塌陷，隨后巖體在疊加應(yīng)力波、爆生氣體、碰撞以及重力等綜合作用下發(fā)生破碎和塌陷，巖體的塌落過程是以秒來衡量的。由圖8（b）可知：對(duì)比空區(qū)頂板預(yù)留部分的應(yīng)力，位于炮孔頂部之間的巖體所受到的有效應(yīng)力較小，421793 點(diǎn)的應(yīng)力峰值為66.51 MPa，小于預(yù)留部分應(yīng)力最小的點(diǎn)349250 點(diǎn)（71.31 MPa），是因?yàn)閷?duì)于炮孔炸藥來說，炮孔底部與采空區(qū)自由面的距離小于炮孔填塞，因此炸藥對(duì)空區(qū)頂板預(yù)留部分的作用更強(qiáng)，有利于空區(qū)得到有效處理，在采空區(qū)實(shí)際工程處理中，炮孔填塞可以適當(dāng)加長。第一排和第二排炮孔填塞之間的巖體，在起爆后極短時(shí)間內(nèi)的有效應(yīng)力隨即達(dá)到了峰值37.50 MPa，之后在70 ms 之前，都維持在較高的水平，然后下降，這部分巖體達(dá)到了屈服強(qiáng)度。第二排和第三排炮孔填塞之間的巖體，在起爆后37.6 ms 時(shí)達(dá)到了有效應(yīng)力峰值67 MPa，處于屈服狀態(tài)，但之后有效應(yīng)力迅速下降，100 ms 時(shí)已經(jīng)下降到10 MPa，低于巖體的屈服強(qiáng)度，這部分巖體在爆破后容易出現(xiàn)大塊巖石，塌落后隨即填充采空區(qū)。由圖8（c）可知：當(dāng)采空區(qū)的形狀存在尖角或直角時(shí)，在角的部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，有效應(yīng)力峰值為66.81 MPa，范圍以交點(diǎn)為中心，半徑3 m 以內(nèi)。其他各點(diǎn)距離最后一排炮孔11.6 m且位于坡底，有效應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，大小相近，起爆后40 ms 時(shí)達(dá)到了峰值54.98 MPa，巖體發(fā)生屈服，說明采空區(qū)得到了有效處理。

基于上述理論數(shù)值模擬研究，可以得出采空區(qū)處理的最佳爆破參數(shù)，即空區(qū)預(yù)留頂板厚度3 m，孔間延期時(shí)間42 ms，排間延期時(shí)間75 ms。

3 露天采場(chǎng)采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)爆破處理實(shí)例

3.1 采空區(qū)爆破崩落處理原則

針對(duì)大砬子采場(chǎng)采空區(qū)空間分布特點(diǎn)和頂板厚度變化規(guī)律（圖1、圖2），并依據(jù)上述采空區(qū)爆破處理數(shù)值模擬研究成果，提出了分區(qū)、分層處理多層不規(guī)則采空區(qū)的原則（圖9）。首先，針對(duì)頂板厚度≤41 m的區(qū)域，如圖9（a）中I 分區(qū)，可采用一次爆破誘導(dǎo)空區(qū)冒落，爆破后產(chǎn)生的松散巖石將順著空區(qū)底板的坡面充填部分剩余空區(qū)，并可通過鉆探驗(yàn)證充填程度，而后研究進(jìn)一步處理方案。其次，頂板厚度為41～72 m 的區(qū)域，如圖9（a）中陰影區(qū)域II 和III 分區(qū)，實(shí)施分層崩塌處理。第一分層高度15 m，待該階段處理形成+260 m 標(biāo)高水平后，剩余部分則與IV 分區(qū)同水平進(jìn)行穿孔爆破處理，可滿足一次性崩塌處理?xiàng)l件。同時(shí)，為確保處理效果，空區(qū)邊界用切割爆破處理。具體實(shí)施時(shí)，切割孔穿孔深度按照比空區(qū)頂板厚度少3 m 進(jìn)行設(shè)計(jì)，孔位在空區(qū)內(nèi)比空區(qū)邊界收縮5 m，并采用耦合裝藥，裝藥高度按照20 m 設(shè)計(jì)。切割孔內(nèi)側(cè)按照三角形布孔方式布置輔助孔，孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)為7 m×7 m，穿孔深度比切割孔淺18 m，最大限度的改善空區(qū)頂板破碎程度。特別值得一提的是，每次安全爆破處理結(jié)束后，都應(yīng)對(duì)未爆破空區(qū)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充勘探，以確定未爆破空區(qū)頂板變化在可控范圍內(nèi)，后續(xù)再對(duì)下次爆破的采空區(qū)區(qū)域?qū)嵤┐┛妆谱鳂I(yè)。

3.2 采空區(qū)安全爆破處理

本研究以IV 分區(qū)為例進(jìn)行采空區(qū)安全爆破處理流程分析。

（1）爆破處理孔網(wǎng)參數(shù)。采空區(qū)爆破采用孔徑為250 mm 的牙輪鉆機(jī)和孔徑為200 mm 的潛孔鉆機(jī)聯(lián)合鉆進(jìn)，并根據(jù)巖石的可爆性以及數(shù)值模擬結(jié)果，爆破孔網(wǎng)參數(shù)取7 m×7 m，并按照矩形孔網(wǎng)或者三角形孔網(wǎng)布置。炮孔深度按照設(shè)計(jì)的預(yù)留空區(qū)頂板厚度為3 m，最大孔深達(dá)35 m。對(duì)于已經(jīng)穿透頂板的炮孔，裝藥前將氣體間隔器放置在頂板底部上方2 m處或吊袋固定在頂板底部。炮孔填塞長度一般不低于孔徑的25 倍，按照5～7 m 設(shè)計(jì)，對(duì)于炮孔深度在30 m 以上的超大深度炮孔，可取填塞長度為7～10 m。針對(duì)IV 分區(qū)，涉及到的爆破處理采空區(qū)面積約2 500 m2，設(shè)計(jì)炮孔64個(gè)。

（2）爆破處理炸藥參數(shù)。采空區(qū)爆破處理主要采用乳化銨油炸藥，炸藥的爆轟性能經(jīng)過具體現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，選取合理的裝藥長度和填塞長度，并在孔底放置兩發(fā)400 g 起爆具。起爆后如監(jiān)測(cè)到振動(dòng)數(shù)據(jù)，則說明炸藥可完全爆轟；如果只觀察到水柱噴出，而無振感，則說明炸藥處于爆燃狀態(tài)，并沒有完全爆轟。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出每個(gè)炮孔平均需要裝填乳化銨油炸藥400 kg，總藥量為25 600 kg，預(yù)計(jì)爆破量可達(dá)108 000 t，延米爆破量為58.8 t/m，總米道為960 m，平均炸藥單耗為0.237 kg/t。

（3）爆破處理的起爆方式。采空區(qū)爆破處理均采用高精度毫秒導(dǎo)爆管起爆方式，具體為孔中起爆，每個(gè)炮孔1 發(fā)500 g 起爆彈和2 發(fā)澳瑞凱高精度導(dǎo)爆管，爆區(qū)外連接50 m 導(dǎo)爆管。同時(shí)，根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)處理?xiàng)l件，孔間延期時(shí)間取42 ms，排間延期時(shí)間取75 ms。在炮孔沒有穿透空區(qū)頂板的前提下，如果孔內(nèi)無水，則優(yōu)先選裝起爆能量較大的乳化銨油炸藥。具體起爆順序按照正常臺(tái)階爆破方式進(jìn)行，臨近臺(tái)階自由面的炮孔先起爆，后逐孔起爆，以確保空區(qū)頂板徹底坍塌，大塊率控制在1%以內(nèi)，同時(shí)不留根底，控制爆破震動(dòng)。

通過上述采空區(qū)爆破處理流程和參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)大砬子采區(qū)高陡邊坡內(nèi)的不規(guī)則多層采空區(qū)進(jìn)行了安全處理，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)處理的數(shù)值模擬計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)安全處理有機(jī)結(jié)合，保障了礦山安全生產(chǎn)。同時(shí)，在安全處理采空區(qū)的前提下釋放了部分鐵礦資源，取得了經(jīng)濟(jì)效益與安全效益的雙重收益。

4 結(jié) 論

（1）采空區(qū)爆破模擬成果顯示起爆后50 ms，即第3 個(gè)炮孔起爆后16 ms，爆轟波對(duì)上部邊坡的作用范圍最廣，并隨著時(shí)間的推移在采空區(qū)左上角出現(xiàn)了較嚴(yán)重的應(yīng)力集中，爆炸進(jìn)行到0.1 s 時(shí)，應(yīng)力集中在炮孔中心連線處、炮孔底部和空區(qū)的左上角，其最大應(yīng)力可達(dá)到125.7 MPa，遠(yuǎn)大于巖體的抗拉強(qiáng)度，可使部分巖體發(fā)生屈服。

（2）提出了分區(qū)、分層處理深部多層采空區(qū)的方案，對(duì)于頂板厚度小于41 m 的區(qū)域可一次爆破誘導(dǎo)空區(qū)冒落，且爆破后產(chǎn)生的松散巖石將充填剩余部分空區(qū)。對(duì)于頂板厚度為41～72 m 的采空區(qū)區(qū)域，可實(shí)施分層崩塌處理，并需在空區(qū)邊界進(jìn)行切割爆破處理。

（3）提出了合理可行的大砬子多層采空區(qū)爆破處理參數(shù)，即爆破處理孔徑250 mm，孔網(wǎng)7 m×7 m，孔中起爆方式，空區(qū)預(yù)留頂板厚度3 m，孔間延期時(shí)間42 ms，排間延期時(shí)間75 ms，平均炸藥單耗0.237 kg/t，并在采空區(qū)進(jìn)行了爆破實(shí)施，使得采空區(qū)得到了安全有效治理。