露天开采地下采空区穿爆技术研究与应用

王辉

摘 要：本文针对露天开采地下采空区穿爆技术存在的问题进行探究，从而提出了改进穿爆技术的方案和措施，通过新技术的实施应用，新的穿爆技术克服了爆破中较高的大块比率和根底问题，同时提高了电铲效率，降低了炸药用量，适合推广应用。

关键词：露天开采 采空区 牙轮穿孔 爆破

中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）09-0-02

引言

在完成第一次矿体开采后，会在开采区形成采空区，受上覆压力、地下水等的作用，采空区的矿柱与两侧的矿层软化，一旦采空区的矿柱遭到破坏、变形，使得地表发生沉陷、开裂以及塌陷，极有可能损坏设备和伤害作业人员，非常不利于露天作业，而矿山开采过程中会有爆破震动，这会导致采空区围岩岩体裂隙，也有可能引起地表贯通或老窿积水的连通，造成突水事故的严重危害。由此，矿体开采破坏了采场区原始应力状态，采场区会重新分布应力，矿柱失稳经常发生，一旦矿柱所受应力过大，就会有断续的发散突变，危害极大，必须要采取有针对性的防治技术，防治采空区坍塌、地下突水等事故。

我国的露天采矿有许多未知的地下采空区，在以往的露天开采中未能将记录采空区的开采高度、开采面积等信息资料，而人工进入采空区进行探查的条件不足，这为矿体开采带来难度。我国地下开采矿体经常会发生一些采空区灾害事故，威胁到作业人员的人身安全，也会严重破坏到生态环境，不利于矿山企业的可持续发展。在对露天开采实施穿爆技术时，其穿爆环节存在极大的组织难度，在采空区状况不明时，就更会影响到爆破效果，使得铲装、运输工序作业更加难，届时增加爆破成本。本文主要是探讨地下采空区的穿孔爆破技术，从而克服地下采空区对生产造成的安全隐患。

一、露天开采前期处理遇到的问题

露天开采受到开采规模、采场地质条件、扩采深采等的影响，特别在矿山扩采作业中，更会受到历史上非正常开采所遗留下的问题的影響，加大矿山开采成本和开采技术难度。由此，先要解决历史开采特别是采空区的遗留问题，才能进一步开展下一步工作。当下，我国的各大露天矿山的扩建正在高速发展，如何合理布局开采空间、设计爆破保障了矿山开采扩建的进度，而扩建工程中，穿爆工序已经有了举足轻重的地位。影响穿爆工序的是地下采空区的不确定性因素，具体情况如下：

第一，在缺乏对采空区的开采高度、开采面积等信息的情况下，使得原有的采空区作业只能在摸索中进行，从而会在采空区的地方做正常孔网的穿孔工作，待完成爆区设计孔作业之后，才开始对逐个测量所有已经穿透的空区孔，当掌握采空区的情况后，再进行采空区部位的再次作业，在此过程中要对空区部位适当地加密孔网。第二，完成爆区设计作业后，做好相关爆破准备工作，就可以进行爆破施工。在爆破作业中，需要先把气体间隔器安装到孔底，或者是将适当长度的木电柱装入孔内到适当高度，安装好以后再回填适当的岩渣，以免后期在装药时不会将火药撒漏进采空区内，最后在爆区范围内连线起爆。

以上的穿孔、爆破施工作业存在很多问题，会使得爆破施工非常被动，需要采取相关的补救工作，适当进行加密孔网，这较难符合下道工序的需要，具体的问题如下：

第一，爆破施工前有很多穿透孔作业，且孔壁非常粗糙，出现很多尖锐凸出的地方，影响到气体间隔器的安装入孔，这对于木电柱下孔有同样的难度，导致了安装间隔器和木电柱的时间延长，浪费施工时间。同时，在对炮孔装药时，由于很难控制好炸药装入的高度，导致炸药容易漏入空区，导致空区内所漏进的炸药产生爆轰，甚至会影响正常起爆，造成续开采的安全隐患，需要采取一些补救工作，无疑增加了爆破成本。最后，穿孔、爆破后，在采空区会形成大量的根底和大块，必须要经过处理清除大量的根底和大块，否则会影响到电铲的铲装效率，从而增加铲装成本。

第二，在钻孔中通常会采用牙轮钻机穿孔，然而会有很多费孔产生，且对空区部位的穿孔作业中会有夹杆现象发生，直接将钻杆折断，或者是钻机的钻头和稳杆器直接脱落入空区内，不利于选矿厂过铁安全。

二、方案研究及技术实施

由于采空区是不确定的，这为穿爆带来难以预计的影响和后果，因而必须要经过前期的详细探查来确定空区的形态。目前用来探测空区形态的方法有很多可以选择浅层地震影像法、高密度电阻率法或者瞬变电磁法等都可以达到较好的效果。在对空区的形态进行基本探测之后，还需要使用牙轮钻机进行进一步的探测验证，最终根据探测的结果有选择分区的进行穿爆作业，要结合空区的地形根据爆炸强度来详细的计算每个孔的炸药量，设计科学合理的爆破网络，实现爆破的预期效果，具体的可以按照以下步骤来实施。

1.空区状态探测

浅层地震影像法、高密度电阻率法和瞬变电磁法等空区探测技术已经在实践中得到了十分广泛的应用且取得了较好的效果，因而可以任意选择上述一种空区探测技术来对空区的形态进行探测。通过探测可以充分探明采空区下的空区的形态、数量以及分布等参数为后期的穿爆网络的设计提供基础数据上的支撑。上述方法不仅实施起来方便灵活简单可靠，在探测循序渐进的过程中解译软件还可以根据解译的现实状况对其解译的结果进行不断的修正与优化逐渐实现对空区形态等参数的解译。

2.牙轮钻机穿孔作业

2.1在空区位置进行穿孔作业时，采用牙轮钻机所钻第一个孔必须要钻透以用来探测空区探测的结果是否准确是否存在较大的误差。根据实际钻孔的情况所得到的数据来对空区探测的结果进行一定程度的修正，修正之后继续进行验证直到验证结果与空区探测的结果一致为止。在验证无误之后可以将修正后的最终结果作为空区位置分布的最终结果，接着对其他位置进行穿孔这些孔不要穿透，钻孔的深度为整个空区深度的四分之三即可，然后结合空区的形态、位置以及钻孔的深度等参数来综合设计穿爆网络。

2.2 如果在采空区内部有矿柱存在，那么也必须要对矿柱进行钻孔且钻孔位置选择在其中心。但是如果矿柱的直径超过6米，要在对矿柱成分进行分析的基础上 ，要在上述穿孔数量的基础上增加50%的穿孔密度，但是在装药的过程中不必每个孔都装药可以采取隔行装药的方式，在其底部采用具有高爆炸能力的岩石炸药而在其上部可以采用普通的炸药以用来克服穿爆所产生的大块的岩石。endprint

2.3结合采空区的探测结果然后在其周围直径约3米处设置一圈全段高的穿孔 ，并且每个穿孔的深度都要保障在3米以上，并且穿孔与穿孔之间的孔距应当为正常孔距的70%以用来应对采空区的根底，这部分钻孔同样采用隔行装药的方式，其装药方式也以之前相同在其底部采用高爆炸力的岩石炸药，在其上部采用普通的炸药以用来克服大块的岩石。

2.4如果条件允许，一个空区尽可能的采取一次穿爆完成，如果不一次穿爆那么在爆炸的过程中空区极有可能产生坍塌影响下一步的穿孔，会形成大量的大块和根底，下一步的穿爆工作将难以进行。

3.爆破网络设计与计算

在前面已经阐述过空区爆破的过程中必须要有一部分钻孔穿透空区，而部分的钻孔深度要保持在空区顶层厚度的四分之三处，这种方式便于填充炸药。而对于空区的爆破也不能按照传统的爆破方式来计算炸药的使用量，炸药的使用量不仅要结合空区的位置、形态以及分布还要结合穿孔的深度位置以及爆破网络的设计等来综合确定。

对于空区位置钻头的穿孔来讲 ，要从距离顶板1.5米的区域安装一个顶板隔离装置，然后再该装置上填充上岩渣，确保天空岩渣后空气隔离器的高度为顶板高度减去1.5米之后的四分之一的位置，在经过上述处理完毕之后进行炸药装填，炸药装填的使用量按照以下方式来计算。根据穿孔的直径以及炸药的密度参数来计算炸药线密度，线密度与孔直径和装药密度有关。根据岩石的性质与成分、炸药的爆破力、钻孔直径结合经验来确定单孔炸药的使用量，使用量为线装药密度与孔深度乘积的三分之二。根据现场的实际情况结合经验来确定炸药填充的高度一般讲填充的深度设置为钻孔深度的三分之一。结合孔深与线装药密度来确定单孔最大的装药量。然后计算单孔的爆破面积以及单孔的爆破体积，单孔爆破体积为孔距与排距和顶板高度的乘积。根据弹孔爆破面积与单孔爆破体积来综合确定单孔的爆破量，如果单孔的爆破面积较大需要对单孔的爆破面积进行调整 ，调整之后再重新计算单孔爆炸的负担面积 ；如果单孔爆破面积较小同样需要对其进行调整然后对单孔爆炸的负担面积进行重新的计算。最终根据布孔的情况以及单孔爆破的负担面积来计算孔距以及排距。在施工完成之后根据线装药密度以及孔距和排距以及顶板高度参数来确定单孔的装药量。此外在空区位置还有不需要钻透的炮孔，要结合孔的深度以及炸药的类型以及炸药的单耗等诸多参数来综合对炮孔网络进行设计和布置，计算方式与钻透的炮孔的计算方式一致在采空区的边界线处的炮孔的炸药装填采用普通的装填方式而不用考虑空区特殊地形因素。在炸药装填完成之后需要进行爆破作业，在爆破的过程之前必须要根据现场的实际情况以及施工的顺序等因素来综合确定各孔起爆的顺序，起爆顺序确定的原则为没有空区的位置优先进行爆破，如果具备起爆的条件那么矿柱上的穿孔最好采取同时起爆的方法。起爆网络设计如下图所示：

起爆网络如上图1所示，其中包括空区的区域位置的钻孔位置的设计以及分布，从中可以看到钻孔的距离以及钻孔的排距等参数。在上图中空区为中间不规则多边形区域，而大的多边形不规则区域的中间具有两个小的不规则区域，这两个小的不规则区域为矿柱。矿柱中钻孔的位置分布也可以从上图中看出。大的多边形区域以外的区域为采空区的边界区域。从整体上来看非采空区也就是采空区的边界区域钻孔的距离以及排距相对于采空区都要小，而采空区钻孔的距离以及排距都要相对较小，从图中也可以看出采空区钻孔布置要相对较密，在爆破的时候爆破顺序应当为采空区周围的边界区域其爆破参数与普通爆破参数一致可以按照普通爆破的计算方式来确定爆破参数，然后为采空区和矿柱同时爆破爆破参数的计算根据非钻透孔和钻头孔来分别计算爆破参数，然后实施爆破作业。

三、采空区穿爆作业安全技术措施

由于露天采空区的矿坑中经常有采空区和瓦斯聚集区，会影响采空区部位的穿孔爆破作业的施工安全，由此，在穿爆施工中，需要做好相应的安全措施：

1.明确采空区的位置

尽量在前期做好资料搜集工作，掌握地面具体的塌陷位置，做好打探测孔工作，从而明确采空区的位置走向，掌握采空区的地质、水文情况。然后根据所掌握的采空区的情况，由穿爆班制定有针对性的施工方案，并安排施工。

2.设计钻孔深度

当甲方提供相关数据资料后，爆破单位需要考察现场炮区的具体位置情况，结合资料进行钻孔深度的设计。

3.选择钻机

在采空区的穿孔施工中，穿孔单位需要选择合适的钻机，最好选择质量轻的钻机，这样的钻机具有较好的灵活性。

4.实时监控

在穿孔工作过程中，其操作手必须要具备岗位证书和具备熟练的操作技术，全程应严格遵守安全操作标准，并实时监控地面震动情况，出现穿孔异常要立即撤退和向上级报告。

5.做好灾情应急防备工作

在穿孔中需要穿透采空区，并随即堵塞孔口，以免采空区进入空气而引发自燃。一旦发生火灾，立即启动应急防备工作，组织灭火，避免灾情扩大。

6.降温措施

爆破作业中需要先对孔内温度进行测量，并对超高温孔采取降温措施，将孔内温度控制住60℃以内。

7.装药顺序

先装低温孔的炸药，对于高温孔装药应应放在最后装，且要选择耐高温的炸药与器材。

四、应用后效果与推广意义

通过本次的地下采空区的穿爆技术的研究，并在实际生产中进行了应用，基本克服了露天开采地下采空区中穿爆技术的难题，在以往的穿爆技术作业中，牙轮钻机作业缺乏计划和目标，造成很多费孔和夹杆现象，而通过改进技术后，牙轮钻机的作业变成了有计划、有目标的作业方式，能够采取间隔装药的方式克服根底和大块，当满足条件时尽量采取一次穿爆完成一个空区的穿孔作业，能够较好地避免根底和大块，使得废孔率得以降低，减少设备备件的消耗；其次，爆破效果得到极大改善，爆破根底符合普通爆破的效果的标准，满足下道工序的需求，极大地提高了爆破质量。穿爆技术的改进指标如下：

1.在新的技术方案实施以后，采空区部位的爆破大块率比得到降低，具体降低了80%，并减少了50%的根底。通过技术改进，牙轮钻机在施工过程中未发生钻头、稳杆器等部件掉落空区的现象。

2.新技术的实施提高了穿爆技术的安全性，施工作业中为出现冲炮事故。

3.新技术的实施中，降低了空区部位的炸药用量，每一个爆破减少了 0.12 kg/t的炸药消耗。

4.新技术的实施降低了根底和大块的数量，使得空区部位的电铲效率得以提升，具体提升30%。

改进后的穿爆技术已经试验应用了2年，具体应用的效果良好，可以针对同类露天开采地下采空区的爆破施工中，解决类似的爆破问题。

结语

综述，露天开采地下采空区的爆破施工作业若采用穿爆技术进行作业，需要对穿爆技术的相关问题和施工难点进行研究和解决，从而改进穿爆技术技术，避免采空区部位出现较高的爆破大块率比和大量的根底，从而提高电铲效率工作效率，减少炸药用量，避免牙轮钻机施工作业中设备部件的掉落。

参考文献

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