孟 彪 賈世杰 趙國強(qiáng)

（1.新疆雪峰科技（集團(tuán)）股份有限公司；2.新疆雪峰爆破工程有限公司）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，礦山企業(yè)秉承國家綠色發(fā)展理念是可持續(xù)發(fā)展的不二選擇［1］。綠色礦山建設(shè)從技術(shù)層面包括生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的改造升級、露天邊坡治理、歷史遺留地下空區(qū)的處理等，其中，地下空區(qū)處理涉及地表協(xié)同開采，是近年來的研究熱點。目前，國內(nèi)外常用崩落法、充填法進(jìn)行空區(qū)處理［2］。何斌全等［3］利用充填法處理柿竹園高?？諈^(qū)群，并采用微震監(jiān)測地下采區(qū)和GPS 監(jiān)測塌陷區(qū)巖移，建立礦山協(xié)同開采的動態(tài)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；張琪［4］針對不同類型的采空區(qū)提出同步豎拉槽深孔崩落法和深孔定向聚能崩落法技術(shù)，可一次性處理單層或多層空區(qū)；李建華等［5］制定程序化空區(qū)監(jiān)測方案，在露天采礦中形成生產(chǎn)與安全預(yù)警為一體的采空區(qū)協(xié)同治理技術(shù)；王燕［6］針對急傾斜多層礦體提出井下開采下盤礦體后露天開采上盤礦體的協(xié)調(diào)開采技術(shù)，有利于露天開采排卸巖石而又深井開采卸壓等。

結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有的成果，進(jìn)行國內(nèi)某露天礦山北區(qū)邊坡開采協(xié)同地下空區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)研究。隨著露天開采深度增加，該礦山北區(qū)邊坡地下空區(qū)對地表開采作業(yè)形成不良影響，具體表現(xiàn)在邊坡巖石垮落、地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。尤其是露天臺階上有爆破作業(yè)任務(wù)時，地下存在大規(guī)模的空區(qū)嚴(yán)重威脅地表安全生產(chǎn)進(jìn)度。為保證該露天礦生產(chǎn)作業(yè)人員及設(shè)備安全，亟需制定地下空區(qū)處理方案。

1 礦山概況

該露天礦山境界標(biāo)高為+1 735 m，工作臺階高度為12～15 m。經(jīng)過10余年的露天深凹開采，現(xiàn)開采水平至+1 510 m，開采深度達(dá)200 m 以上。由于20 世紀(jì)當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的井下無序開采行為，遺留大量空區(qū)。根據(jù)該露天礦山空區(qū)探測資料，現(xiàn)露天礦地下空區(qū)面積約50.6 萬m2，體積約526 萬m3。地下空區(qū)空間、形態(tài)等方面的特征：①地下采空區(qū)大小不等、形狀極不規(guī)范，多層貫穿；②隨著開采延深，大部分空區(qū)已經(jīng)處理，僅剩采場北區(qū)邊坡下空區(qū)較為集中，處理難度較大。區(qū)內(nèi)主要以石英巖、長英角巖斷裂含水層為主，單位用水量0.003～0.224 L/s·m，對露天礦床開采影響不大。礦區(qū)內(nèi)以輝綠巖和花崗巖為主，礦巖傾角60°～80°，巖石普氏硬度f=8～12，裸露巖體風(fēng)化程度較高?？諈^(qū)易引發(fā)的危害如下。

（1）地下采空區(qū)存在時間超過30 a，部分距離地表較近的空區(qū)上部巖層已經(jīng)垮塌，采空區(qū)支承體風(fēng)化損傷，穩(wěn)定性較差。

（2）危巖體為目前最具有危害的安全隱患，已經(jīng)存在位移變化，威脅到未來生態(tài)修復(fù)和礦山建設(shè)。

針對露天采場北區(qū)地下空區(qū)產(chǎn)生的一系列不良災(zāi)害，該露天采場臺階爆破設(shè)計可分為正常臺階推進(jìn)、地下空區(qū)協(xié)同地表工作面推進(jìn)2種爆破方式。

2 協(xié)同處理方案設(shè)計

若露天采場臺階工作面下存在單層或多層空區(qū)，協(xié)同處理過程涉及多種爆破方式。以多層空區(qū)處理為例，臺階推進(jìn)時可分為3 個部分：①單層采空區(qū)處理（圖1），②側(cè)翼斜孔分次處理空區(qū)（圖2），③最終臺階爆破設(shè)計。

2.1 正常臺階爆破設(shè)計方案

在進(jìn)行正常臺階推進(jìn)爆破時先對作業(yè)平臺面進(jìn)行初始平整，提前修好運(yùn)輸?shù)缆?，?zhǔn)備好爆破需用的材料，能夠滿足鉆機(jī)施工要求。采用垂直中深孔爆破，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

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2.2 單層采空區(qū)處理方案

單層采空區(qū)處理時穿孔設(shè)計包括探測孔、周邊炮孔，均垂直水平面向下穿孔。具體孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計如表2所示。探測孔穿透空區(qū)，探不到采空區(qū)時探測孔孔深為24.0 m。

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空區(qū)上方炮孔穿至距離采空區(qū)頂板2.0 m，位于采空區(qū)邊部和采空區(qū)內(nèi)礦柱上的炮孔適當(dāng)加深1.0～2.0 m。

使用的炸藥均為現(xiàn)場混裝乳化炸藥。根據(jù)設(shè)計孔深，裝藥結(jié)構(gòu)可分為2 種情況：①孔深小于15.0 m的炮孔采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)；②孔深超過15.0 m的炮孔采用分段間隔裝藥方式。另外，打透采空區(qū)的炮孔應(yīng)先吊孔堵塞，在下部采用巖粉充填2.0 m 后再進(jìn)行裝藥（圖3）。

2.3 側(cè)翼斜孔分次處理空區(qū)

側(cè)翼揭露斜孔逐漸推進(jìn)法適用條件：采空區(qū)頂板厚度小于最小安全厚度，無法在頂部進(jìn)行采空區(qū)處理。方案的主要特征：首先在滿足頂板最小安全厚度臺階采用單層采空區(qū)處理的方法崩落第一層采空區(qū)，再將臺階推進(jìn)至下一層采空區(qū)側(cè)翼，布置斜孔崩落采空區(qū)頂板，然后再一次將臺階推進(jìn)至采空區(qū)側(cè)翼，布置斜孔崩落頂板，直至采空區(qū)處理結(jié)束。

（1）孔網(wǎng)參數(shù)。穿孔采用高風(fēng)壓潛孔鉆進(jìn)行，采空區(qū)側(cè)翼臺階穿孔區(qū)域包括正常臺階、空區(qū)邊部臺階，正常臺階炮孔呈三角形錯開布置，采空區(qū)邊部布置 2～3 排斜孔進(jìn)行加密。其中，I 區(qū)、II 區(qū)、III 區(qū)依次為采空區(qū)由近至遠(yuǎn)的區(qū)域（圖4）。

（2）探測孔。在第一排與第二排炮孔內(nèi)應(yīng)設(shè)計一定數(shù)量的探測孔，探測孔間距為15 m 左右；探測孔應(yīng)穿透采空區(qū)，其余斜孔上方炮孔穿至距離采空區(qū)頂板1.5 m。

（3）裝藥結(jié)構(gòu)。采用現(xiàn)場混裝乳化炸藥，孔內(nèi)采用連續(xù)柱狀裝藥結(jié)構(gòu)，打透采空區(qū)的炮孔應(yīng)先吊孔堵塞，在下部采用巖粉充填1.5～2.0 m 后再進(jìn)行裝藥，孔口采用細(xì)巖粉密實充填，充填高度為3.5 m。

（4）爆破方式。炮孔深度小于15 m（臺階高度），爆破以前端臺階坡面為自由面進(jìn)行側(cè)向爆破。爆破網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)碼電子雷管孔內(nèi)延時起爆，控制排采用17 ms雷管，傳爆列采用42 ms雷管。

2.4 最終臺階爆破設(shè)計

采用臺階再造法時，最終邊坡下采空區(qū)應(yīng)采用預(yù)裂爆破、緩沖爆破、微差爆破相結(jié)合的多功能控制爆破方案崩落采空區(qū)以形成最終邊坡。

（1）鑿巖設(shè)備及孔徑。采空區(qū)上方作業(yè)要求設(shè)備重量小、機(jī)動靈活，選用高風(fēng)壓潛孔鉆機(jī)進(jìn)行穿孔，孔徑為140 mm。

（2）孔網(wǎng)參數(shù)。處理臺階下的采空區(qū)采用預(yù)裂爆破方案，設(shè)計采用三角形布孔，孔網(wǎng)參數(shù)為4.0 m×5.0 m?？紤]現(xiàn)場巖體發(fā)育，確定預(yù)裂爆破孔間距ɑ為1.4～1.6 m，線裝藥密度q為0.9～1.3 kg/m。

（3）炮孔參數(shù)。預(yù)裂爆破分為前排主炮孔、后排預(yù)裂孔。根據(jù)采空區(qū)資料和施工的探測孔情況，前排主炮孔位于空區(qū)上方時，應(yīng)穿孔至空區(qū)頂板2 m處，全部為垂直孔；穿孔區(qū)中部礦柱上孔深設(shè)計按臺階高程變化考慮。后排預(yù)裂孔傾向于水平面上垂直預(yù)裂線，按北區(qū)前期預(yù)裂孔爆破的經(jīng)驗，后排預(yù)裂孔的超深為0.5 m。設(shè)計前后排炮孔參數(shù)見表3。

（4）炸藥及裝藥方式。預(yù)裂爆破采用的2#巖石乳化炸藥，以消除或縮小炮眼周圍形成的巖石粉碎圈。主爆破采用現(xiàn)場混裝乳化炸藥。預(yù)裂孔采用不耦合裝藥方式，孔口1 m以上用穿孔形成的巖粉堵塞。

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（5）爆破及網(wǎng)絡(luò)。為降低爆破地震效應(yīng)對邊坡的破壞，主爆孔、緩沖孔以產(chǎn)生新自由面為出發(fā)點確定微差時間。

3 工藝要求

3.1 正常臺階施工

（1）在進(jìn)行正常臺階推進(jìn)爆破時先對作業(yè)平臺面進(jìn)行初始平整，提前修好運(yùn)輸?shù)缆?，?zhǔn)備好爆破需用的材料，能夠滿足鉆機(jī)施工要求。

（2）穿孔時超深1 m，孔位誤差不超過0.2 m，孔深誤差不超過0.5 m。

（3）炮孔驗收包括孔深、孔徑、標(biāo)高的核查，統(tǒng)計亂孔、透孔數(shù)量。

3.2 空區(qū)處理協(xié)同開采施工

（1）臺階已經(jīng)下降至滿足采空區(qū)頂板最小安全厚度要求和設(shè)備穿孔要求的臺階水平時，先平整場地，提前準(zhǔn)備黃泥、水等施工輔助材料，以滿足鉆機(jī)施工要求。

（2）穿孔現(xiàn)場施工要求與正常臺階穿孔要求一致，穿孔施工必須先探測孔，禁止邊打探測孔邊打非探測孔。

（3）施工時需有專人觀測，出現(xiàn)異常情況及時撤離，進(jìn)行安全評估及采取排險措施后可恢復(fù)施工。

4 結(jié) 語

協(xié)同方案預(yù)期可剝離出該礦山北區(qū)協(xié)同開采區(qū)域50 m×200 m（寬×長）范圍的礦石，為礦山創(chuàng)造較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。必要時根據(jù)現(xiàn)場爆破施工實際效果及時優(yōu)化爆破方案，以期安全、高效、低成本推進(jìn)露天臺階工作面。