龍首礦西二采區(qū)崩落法采場懸頂事故成因分析及處理方案比選*

譚寶會，張剛剛，孫克讓，范永亮，李明潤

(1.西南科技大學 環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010；2.金川集團有限公司龍首礦，甘肅 金昌 737100；3.宏大爆破工程集團有限責任公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

懸頂是無底柱分段崩落法采礦過程中常見的生產(chǎn)事故之一，一旦某條進路發(fā)生了懸頂事故，就會嚴重影響該進路的正?；夭勺鳂I(yè)[1]。如果懸頂事故不及時處理，而是強行繼續(xù)退采，則很可能會進一步擴大懸頂事故的規(guī)模，加大懸頂處理難度，同時還會造成大量的礦石損失。因此，懸頂事故的發(fā)生不僅會嚴重影響礦石的正?；厥?，而且還增加了采礦成本、降低了采礦效率和作業(yè)安全性。一般而言，造成懸頂事故的原因主要有爆破參數(shù)不合理、中深孔鑿巖不到位、炮孔堵孔未疏通、裝藥不到位等[2]。為了安全高效地處理懸頂事故，相關(guān)技術(shù)人員和研究人員進行了積極探索，相繼提出了誘導(dǎo)冒落法[3]、側(cè)向傾斜孔爆破法[4]、擴壺爆破法[5]、前傾孔壓頂爆破法[6]、硐室爆破法[7]等處理方法，并取得了顯著成效。然而在實際工程中，由于礦山生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性，各礦山引發(fā)懸頂?shù)脑蚋鞑幌嗤?，在處理懸頂時也要根據(jù)礦山實際情況制訂最合理的方案。

1 礦山懸頂事故發(fā)生過程

龍首礦西二采區(qū)礦體分為1 554 m和1 430 m上、下兩中段同時回采，上部中段采用無底柱分段崩落法回采，下部中段采用下向分層膠結(jié)充填法回采。上部中段崩落法采場分段高度和進路間距均為15 m，崩礦步距為2.2 m，首采分段布置于1 595 m水平。礦山于2020年3月結(jié)束了首采分段的回采作業(yè)，并于2020年5月開始1 580 m水平第二分段的回采作業(yè)。1 580 m分段共設(shè)計27條回采進路，其中初始回采工作面選擇在5#-9#進路位置，初始開采時5條進路采取了齊頭退采模式。由于礦石較為破碎，1 580 m水平6#進路在第4排扇形炮孔爆破后，出現(xiàn)了較為嚴重的眉線破壞情況，導(dǎo)致后方第5排扇形炮孔孔口部分被破壞，眉線抬高了1 m左右，崩落的礦堆將第5排炮孔孔口完全掩埋，在出礦過程中始終沒有外露，導(dǎo)致第5排炮孔無法裝藥。在此情況下，礦山?jīng)]有采取相應(yīng)的清孔或補孔措施，而是放棄了第5排中深孔的裝藥爆破，直接在第6排炮孔進行裝藥爆破。第6排裝藥爆破后，采用6 m3的油鏟出礦14鏟后發(fā)現(xiàn)礦石被出空，出現(xiàn)了一個長約6 m、寬約8 m、高約10 m的懸頂空場，同時在空場正前方可觀察到整體的礦石推墻排面。根據(jù)現(xiàn)場情況可知，本次爆破后發(fā)生了懸頂+推排的生產(chǎn)事故，現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 1 580 m分段6#進路第5-第6排炮孔爆破后出現(xiàn)的懸頂+推排事故

該次懸頂事故發(fā)生后，礦山采用震炮方式(即在空場里放置裸露藥包進行爆破的方式)對懸頂進行爆破震動處理，但在嘗試了幾次后發(fā)現(xiàn)，震炮只能使該懸頂?shù)目請雎杂袛U大，并不能將懸頂崩落。經(jīng)現(xiàn)場勘查，第7排炮孔孔口被完全破壞并抬高，現(xiàn)場已經(jīng)無法對其裝藥，而第8排炮孔的11個孔中有8個孔可裝藥爆破，隨即決定對第8排的8個孔進行裝藥爆破，但在爆破后出礦37鏟后再次出現(xiàn)空場，表明懸頂事故依然未能解決，而且此時的懸頂規(guī)模進一步擴大。隨后對第9、第10排的炮孔進行了現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)第9排11個孔中有4個孔完好、第10排有8個孔完好，故決定繼續(xù)對第9、第10排炮孔中可以裝藥的炮孔進行裝藥爆破，以期將懸頂震落；然而在本次爆破后，出礦54鏟后爆堆再次被出空，懸頂事故依然未能解決。

圖2展示了1 580 m分段6#進路第5-第10排炮孔爆破回采過程中懸頂形態(tài)的變化。經(jīng)現(xiàn)場實測，在第9-第10排炮孔爆破后，懸頂空場的長度已達12 m，高度也有12 m左右，寬度10 m左右，屬于大規(guī)模懸頂事故，懸頂部位還不時出現(xiàn)掉塊的情況，為了確保后續(xù)的生產(chǎn)安全，礦山亟需安全解決本次懸頂事故。

圖2 1 580 m分段6#進路懸頂事故發(fā)展過程

2 懸頂事故成因分析

本次懸頂事故最先發(fā)生在6#進路第5-第6排中深孔爆破后，按照設(shè)計每次只能爆破1排中深孔，但由于西二采區(qū)礦石較為破碎，在6#進路第4排中深孔爆破后眉線被破壞，導(dǎo)致第5排中深孔無法裝藥，加之在初始回采階段對5#-9#進路采取了齊頭退采模式，因此也不具備從相鄰進路中向6#進路第5排炮孔位置補孔的條件，故只能采取對第6排裝藥以崩落第5-第6排礦石的做法，相當于原來設(shè)計的2.2 m的崩礦步距變?yōu)?.4 m，崩礦厚度增大的后果便是爆破補償空間的不足，炸藥能量也不足，最終未能將擬崩落的礦體完全崩散，使第5-第6排礦石形成整體性推排。炸藥爆破的能量未能充分向正前方釋放，而是以中深孔排面下方的回采進路作為自由面，產(chǎn)生向下和向后的爆破破壞作用，從而使后方第7、第8排炮孔的孔口部位受到不同程度的破壞，從而引發(fā)了最開始的懸頂+推排事故。

在懸頂事故初次發(fā)生后，由于懸頂兩側(cè)進路與6#進路退采齊平，不具備從側(cè)向補孔崩落懸頂?shù)臈l件，加之使用的阿特拉斯Simba-H1254鑿巖臺車也無法從該進路懸頂后方向懸頂部位打前傾孔崩落懸頂，因此繼續(xù)對第7-第8排炮孔實行裝1排炸藥崩2排礦石的做法；結(jié)果在本排爆破夾制以及前方懸頂夾制的共同作用下，第7-第8排炮孔爆破后繼續(xù)懸頂，而且對第9、第10排的炮孔孔口又造成了破壞，繼而不得不對第10排炮孔裝藥，再次出現(xiàn)裝1排炸藥崩2排礦石的情況；然而這次爆破后懸頂依然未能被崩落，如此循環(huán)幾次后，不僅沒有將最開始出現(xiàn)的懸頂順利崩落，反而使懸頂變得更大，處理難度進一步增加。

3 懸頂處理方案

3.1 懸頂處理方案初選及其適用性分析

為了能及時有效地對6#進路的懸頂事故進行處理，盡早恢復(fù)正常回采，提出以下幾種具有一定可行性的懸頂處理方案，并對其在西二采區(qū)的適用性進行了分析。

3.1.1 誘導(dǎo)冒落處理方案

所謂誘導(dǎo)冒落處理方案，是指通過持續(xù)回采與6#進路左右相鄰的7#和5#進路，從而使6#進路懸頂處于前后兩側(cè)有支撐、左右兩側(cè)無支撐的懸空橫梁狀態(tài)，利用上部地壓迫使懸頂被壓垮而自然冒落。該方案示意圖如圖3所示。一旦懸頂自然冒落，便可繼續(xù)出礦，此時甚至有可能將第5-第6排的推墻順帶拉倒并回收，西二采區(qū)礦石相對破碎，該方法成功的可能性較大。需要注意的是，當決定采用這種方案處理6#進路懸頂時，需要暫停6#進路的所有工作，只對鄰近的7#進路和5#進路進行退采；同時為防止6#進路懸頂突然冒落垮塌產(chǎn)生的沖擊氣浪或滾石對設(shè)備和人員造成傷害，需要提前用鏟運機鏟一部分礦石封堵6#進路眉線口，并在進路入口設(shè)置警戒線，防止工人誤入。該方案的優(yōu)點在于能以最小的代價處理懸頂事故，而缺點在于處理懸頂耗費的時間較長，安全性也較差。

圖3 誘導(dǎo)冒落處理懸頂方案示意圖

3.1.2 切割平巷+上向扇形炮排處理方案

該方案是指先在懸頂空區(qū)后方2～3排崩礦步距位置向進路左右兩側(cè)幫墻重新掘進切割平巷，該切割平巷左側(cè)與5#進路崩落區(qū)貫通，右側(cè)與7#進路貫通；然后在該平巷中利用鑿巖臺車打上向扇形炮排，使扇形炮排覆蓋懸頂部位礦體，崩礦步距可取1.5 m；崩礦時從5#進路方向開始，依次逐排向7#進路方向退采，直至退采至7#進路與6#進路正排炮孔排面交界處。為避免過度退采對7#進路正排產(chǎn)生破壞，這些炮排爆破時既有5#進路回采區(qū)域作補償空間，又有側(cè)向的6#進路懸頂空區(qū)作補償空間，因此可以獲得較好的爆破效果。該方案示意圖見圖4。

圖4 切割平巷+上向扇形炮排孔處理懸頂方案示意圖

該方案的優(yōu)點在于通過鉆孔崩落懸頂，可靠性較高，而且炮排崩落后能夠及時出礦，可實現(xiàn)對懸頂?shù)V石的再次回收，同時也為6#進路后續(xù)正排的爆破形成了較為充分的補償空間；該方案的缺點在于需要重新施工切割平巷，所需周期較長，工序復(fù)雜、工作量較大，成本也較高。

3.1.3 側(cè)向傾斜孔處理懸頂方案

所謂側(cè)向傾斜孔方案是指從相鄰進路打傾斜孔至懸頂部分，再在孔底進行裝藥爆破從而將懸頂崩落。根據(jù)現(xiàn)場情況，5#進路已經(jīng)超前6#進路5排中深孔的距離，不具備從5#進路補側(cè)向傾斜孔的條件，而7#進路退采至第7排，滯后于6#進路3排中深孔的距離(6.6 m)，因此具備從7#進路向6#進路補側(cè)向傾斜孔的條件。補孔前應(yīng)先對懸頂空區(qū)形態(tài)進行實測，再制訂補孔方案。根據(jù)現(xiàn)場情況補3～5排側(cè)向傾斜孔至懸頂實體部位，每排3～5個孔，若能補孔至第5-第6排推墻部位，將推墻同時崩落則可獲得更好的處理效果，裝藥時僅需對孔底穿過懸頂部位進行裝藥，實現(xiàn)壓頂爆破。該方案示意圖如圖5所示。該方案的優(yōu)點在于操作簡單、可靠性高、見效快、成本低，但在實施該方案時需要對懸頂空場進行精準測量，以防在鉆鑿側(cè)向傾斜孔時鉆桿打入空場而發(fā)生卡鉆事故。

圖5 側(cè)向傾斜孔處理懸頂方案

3.1.4 硐室爆破處理方案

所謂硐室爆破，是指在懸頂空區(qū)后方2～3排崩礦步距位置向進路頂板鉆鑿天井，再沿天井方向布置2～3層爆破硐室，爆破硐室對稱于天井分布，爆破時在各硐室中集中裝藥進行爆破，利用巨大的爆破能量將前方懸頂崩落。該方案示意圖如圖6所示。

圖6 硐室爆破處理懸頂方案示意圖

該方案施工程序繁瑣，天井施工安全性也較差，而且集中大量爆破還容易對后排中深孔及眉線造成破壞，除非是在其他方案均未奏效的情況下，否則不考慮采用該方案。

3.2 懸頂處理方案的確定及其實施效果

在同時考慮了西二采區(qū)6#進路的懸頂形態(tài)、規(guī)模，以及相鄰進路的實際生產(chǎn)情況和采場需要盡快形成臺階式回采局面的基礎(chǔ)上，最終決定采用側(cè)向傾斜孔的方案處理本次懸頂事故。由于6#進路已經(jīng)超前7#進路3排中深孔的距離，因此具備在7#進路向6#進路懸頂部位打側(cè)向傾斜孔的條件，這樣既可以較為便捷可靠地處理懸頂事故，也不會影響采場階梯式回采局面的形成。經(jīng)過測量技術(shù)人員對懸頂進行實測，最終確定從7#進路向懸頂部位打2排側(cè)向傾斜孔，每排包含4個炮孔，炮孔深度在14～22 m，最終使這兩排炮孔穿過懸頂部位及其周邊拱腳處，7#進路中施工完成的側(cè)向傾斜孔如圖7(a)所示。為避免側(cè)向傾斜孔在爆破時將本分段的桃形礦柱破壞，在裝藥時只對孔底穿過懸頂及拱腳的部位進行裝藥即可。為進一步確保能夠順利處理懸頂，在對這2排側(cè)向傾斜孔進行爆破時，同時也對6#進路第11排中深孔進行爆破。本次爆破后，出礦136鏟(占第11排炮孔崩礦量的130%)后礦堆仍然十分飽滿，如圖7(b)所示，眉線口被完全封堵，看不到任何空場，而且礦堆中偶爾發(fā)現(xiàn)有少量廢石與礦石一起被放出，這表明上分段的覆蓋層廢石已經(jīng)達到本分段。根據(jù)現(xiàn)場的種種跡象可以判斷，通過采取側(cè)向傾斜孔方案，6#進路的大規(guī)模懸頂事故已得到安全處理。

(a)從7#進路打2排側(cè)向傾斜孔

(b)6#進路懸頂處理后出礦136鏟時的爆堆狀態(tài)

4 結(jié)論

對龍首礦西二采區(qū)1 580 m分段6#進路第5-第10排炮孔爆破后出現(xiàn)的大規(guī)模懸頂事故原因進行了分析，采取了相應(yīng)的處理措施，得到以下主要結(jié)論：

a.西二采區(qū)礦石較為破碎，前一排扇形炮孔爆破后易對后一排炮孔的孔口造成破壞，導(dǎo)致該排炮孔被崩落的礦石掩埋而無法裝藥，因而只能再后退一排進行裝藥，便出現(xiàn)裝1排炸藥崩2排礦石的現(xiàn)象，這樣做的直接后果是炮排爆破時由于正前方的夾制作用過大而無法有效將炮排內(nèi)礦石完全推向前方崩散，炸藥爆破能量只能向爆破排面的下方以及后方釋放，造成后排孔孔口被破壞，同時發(fā)生懸頂、推排事故。因此，及時調(diào)整爆破參數(shù)，采取眉線加固措施，積極驗孔、疏孔和補孔，以減少破碎礦石對眉線的破壞，盡可能避免裝1排炸藥崩2排礦石的情況發(fā)生，是預(yù)防懸頂事故頻發(fā)的有效措施。

b.實踐證明，側(cè)向傾斜孔方案是一種行之有效的懸頂處理方法，該方案不僅工序簡單、作業(yè)安全性好、施工成本較低，而且處理懸頂?shù)目煽啃院统晒β室草^高，可以作為礦山后期處理懸頂事故的首選方案。

c.西二采區(qū)在后期回采過程中應(yīng)盡快在各進路之間形成階梯式回采局面，這樣的好處是一旦有某條進路發(fā)生懸頂或者炮孔被埋無法裝藥的情況，可以靈活地從相鄰進路中補打側(cè)向傾斜孔，以保證排面爆破效果或及時處理懸頂事故。