大宝山矿采空塌陷区安全采矿爆破技术

叶图强，陈晶晶

(广东宏大爆破股份有限公司，广东 广州 510623)

大宝山矿长期以来民采泛滥，以至于2004年在露天采场出现了三次规模较大的塌方。目前国内对塌陷区周边矿石的安全开采技术研究非常少，没有形成完整的较为成功的开采技术体系，多数遇到此类情况会在安全生产的压力下放弃开采[1]。采矿集中在采空塌陷区域，受其影响，露天采场北部施工进展缓慢，导致向铜选厂供矿十分紧张，储备矿量严重不足，解决采空塌陷区矿石的安全高效开采尤为重要。在施工组织过程中遇到一系列很有代表性的问题，比如采空塌陷区回采矿石安全问题、塌陷区钻孔不到位、漏药现象普遍、爆破效果不佳，进而使采空塌陷区矿石回采工作受到影响。但是经过近三年来的摸索实践，我司技术人员通过采取一系列措施解决了上述问题，取得良好的效果[2]。

1 采空塌陷区采矿难点及思路

1.1 采空塌陷区采矿的技术难点

经过分析，认为影响采空塌陷区回采矿石的主要难点有以下几个方面。

1) 采空塌陷区内存留未塌的小型空区和大型空区垮塌后周边残余区域，这对露天采场的安全生产构成了不小的威胁。

2) 采空塌陷区钻孔较难，成孔率低，按照正常台阶爆破施工难度很大。

3) 因采空区造成爆破泄能，爆破后大部分区域基本不动。

4) 由于钻孔时炮孔容易与采空塌陷区连通，装药过程中容易发生漏药[3]现象。

1.2 安全采矿爆破的技术思路

针对上述技术难点，采取相应的4种技术途径加以解决。

1) 首先要解决的是如何确保露采采场塌陷区内安全施工的问题。经过技术人员不懈的努力，采用GY-200-1型工程钻机和宣化CM351潜孔钻机联合勘探施工解决[1]。

2) 对于钻孔不到位问题，经过许多次的观察试验，大胆采用降低台阶爆破高度，辅以挖掘机、液压破碎锤、手持风动凿岩机综合利用加以处理。

3) 对于爆破后大部分区域基本不动，经分析是因为爆破泄能，考虑采用降低爆破密集系数，减少爆破能量的过早泄放。

4) 对于漏药现象，应针对具体情况分析，采用吊装解决。

2 采空塌陷区安全采矿爆破技术

2.1 采空塌陷区的勘探技术

由于大宝山矿经历过几次比较大型的塌方，可能存在未塌的小型采空区或者塌而不实的空区边缘区域，这些对露天采场的安全生产构成了不小的威胁。采空塌陷区的施工难点在于防控，所以工程开工前后各专业技术人员经过许多次会审，共同制定采空塌陷区的勘探计划。制定勘探计划的原则是“有疑必探，有矿必探，勘探先行”，确保安全生产(图1)。考虑到民采都是选取矿石品位较高的矿体进行开采，所以采空区勘探工作重点放在富矿体区域。利用GY-200-1型工程钻机进行生产勘探的同时，稍微调整下孔位布置，亦可进行采空区的超前勘探。由于生产勘探孔网较大，不足以满足安全生产的要求，所以决定采用移动方便的高风压潜孔钻机进行辅助勘探，深度可达40m，孔网布置为10m×10m，重点区域可做加密处理[3-5]。经过三年多的实践，大宝山露天采空塌陷区勘探工作未发生一起安全事故。

图1 采空区现场勘探图片

2.2 采空塌陷区穿孔爆破技术

因为采空塌陷区钻孔较难，大宝山露天采场成孔率低，按照正常台阶爆破施工难度很大。大宝山露天采场采用的是中高风压潜孔钻机，由于以下原因总是无法钻进至设计深度。

1) 钻孔进尺缓慢。裂隙发育，高压气体无法把岩屑吹出孔外，钻头在孔底重复破碎以致进尺极慢。

2) 卡钻埋钻几率大。采空塌陷区松散体较多，钻进的过程中经常卡钻，随着钻进深度的增加，卡钻埋钻的几率增大。

3) 塌孔现象很严重。虽然在钻进过程中采用泥浆护壁，但是效果不明显，有时候钻进到了设计深度，提钻上来后再量孔就只剩下6m左右。经过许多次的钻孔数据统计分析，孔深普遍在4～7m左右，而正常台阶高度为12m。

基于以上情况，作业时将原台阶分成两个台阶进行穿孔爆破，爆后采用挖掘机甩料至下个台阶(图2)，并挑选出大块，辅助液压破碎锤和手持式风动凿岩机综合利用加以处理，在下一台阶进行挖装作业。

在采空塌陷区进行分台阶爆破还有另外几个优点：①矿石贫化率、损失率与台阶高度成正比。因此，在矿山其他开采参数一定的情况下，降低台阶高度可大幅度减少矿石贫化与损失；②可降低最大装药量和最大单响药量，降低爆破飞石等有害效应[6]。

在采空塌陷区采用分台阶爆破技术可创造可观的经济效益。虽然采用分台阶穿孔爆破技术降低了台阶高度，并增加了甩料环节，穿孔和铲装作业成本增加了，但是因采矿量持续稳定，采空塌陷区内矿石可选性好，通过进行科学合理的配矿，铜选厂的金属回收率从50%提高到85%左右。同时因金属回收率高，矿石开采的边际品位从原来的0.4%减低到0.2%～0.3%，进一步促进了矿产资源的有效利用。

统计数据显示，采空塌陷区穿孔爆破施工环节月平均增加成本约计4万～5万元/月，但因分台阶爆破技术提高了资源回收率、降低了铜的边际品位，综合增创经济效益200余万元/月。

图2 分台阶爆破原理

2.3 爆破泄能问题的解决

在工程刚开始的数次爆破实践中，经常出现爆破后爆区基本不发生明显变化的现象。分析认为，造成这种情况的根本原因是结构面对爆破产生了泄能作用。根据爆破漏斗原理，炸药爆炸后的能量总是往最薄弱的自由面作用[7]，所以采取单耗基本不变，加大最小抵抗线，减小孔间距的方法改善爆破效果。

由于地质条件的不确定因素，很难根据表层准确判断台阶内部的情况，所以只能从数学概率上进行处理。就是在岩石结构条件相同的情况下，尽可能减少因岩石结构造成的不良影响。大宝山采用的方法是，在控制爆破单耗基本不变的情况下，调整爆破系数m。即适当减小孔间距，相对增大排距。爆破系数从原来的m=a∶b=1.8调整为m=a∶b=1.5(爆破效果评价如表1)。

表1 爆破效果评价

2.4 炸药泄露问题的解决

前期在装药过程中，经常出现炸药泄露的现象。炸药泄露轻则造成少量炸药的损失，若不注意，很有可能因下部集中药包药量较大而出现安全事故。造成这种情况的原因是塌陷区裂隙发育，或有残余空洞等情况，爆生气体经过软弱面或软弱带泄入空洞，使炮孔的爆破压力迅速降低，从而导致其他方向的爆破径向裂隙停止继续发展，使爆破效果明显降低。遇到这种情况首先必须要知道裂隙或者空洞的位置，这就需要钻机手在钻进过程中做好记录，以便装药过程中准确的判断，装药时在裂隙或空洞的上方用麻绳或铁丝吊编织袋堵塞，再向孔内填2m左右岩粉，处理好后进行正常装药。经过实践观察，爆破效果不错，基本达到预期效果。

3 结论

自2009年底施工至今，本着“有疑必探，有矿必探，先探后进”的原则，通过采取措施不断优化塌陷区回采技术水平，有效解决了塌陷区矿石回采中的代表性问题，实现了铜矿石安全高效的回采，技术管理层面上都很有推广价值。三年来共从塌陷区回收铜矿、硫矿、铁矿约500万t，价值近13亿元人民币，且保证了铜选厂的正常运营。

虽说取得了一定的成绩，然而在一些方面仍有可提升的空间：①GY-200-1型工程钻机移动不便，钻进时间较长，潜孔钻机在破碎地层的钻进能力受限，所以亟待一种新型高效的采空区勘探设备的出现；②采空塌陷区的近区开采理论研究还有待进一步的深入；③采空塌陷区残余空区的确认研究还有很大的提升空间。

大宝山矿采空塌陷区安全采矿爆破技术主要是为了解决盗采形成的采空塌陷区，它对类似露天采场下有不明盗采采空塌陷区的矿山具有一定的借鉴意义。

[1]崔晓荣，叶图强，陈晶晶.采空区采矿施工安全的组织与管理[J].金属矿山，2011,40 (11):150-154.

[2]陈晶晶，蓝宇.复杂环境中采空区爆破处理实践[J].金属矿山，2013，42(1):64-65(79).

[3]叶图强，陈晶晶，王铁.露天开采复杂采空区的危险性探测与分析[J].中国矿业，2012,21(1):87-89.

[4]过江，古德生，罗周全.金属矿山采空区3D 激光探测新技术[J].矿冶工程,2006,26(5):16-18.

[5]李夕兵，李地元，赵国彦，等.金属矿地下采空区探测、处理与安全评价[J].采矿与安全工程学报，2006,23(1):24-28.

[6]毛荐新,张传舟,曹祖武,等.开采技术因素对露采矿石损失与贫化的影响[J].金属矿山，2002(10)：6-9.

[7]申卫峰，单承质.降低深孔台阶爆破中大块率和根底的措施[J].煤矿爆破，2010(1)：31-33.