大抵抗线、变抵抗线条件下集束孔精细化爆破技术

王湖鑫，熊代余，陈 何

(1.东北大学，辽宁 沈阳 110819；2.北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

我国金属非金属矿山存在大量未经处理的采空区。据统计，截至2015年底，全国金属非金属地下矿山共有采空区12.8亿m3[1]。采空区使矿山开采条件恶化，给矿山生产和安全带来严重影响，同时造成严重的矿产资源破坏和浪费。采空区已成为影响我国金属非金属矿山安全生产最主要的危害源之一。近年来，我国矿山企业已认识到采空区的危害并积极开展治理工作。在处理采空区的同时，应尽可能回收采空区周边的残矿资源，使采空区治理由单纯的投入变为生产行为，不仅有利于提高资源利用率，而且也有利于提高企业处理采空区的积极性。

在处理采空区过程中，经常面对大抵抗线、变抵抗线爆破条件，爆破效果难以控制的技术难题。本文以我国某锡矿采空区治理与残矿回采为例，集束孔精细爆破实现大抵抗线、变抵抗线条件下的爆破，为类似矿山开采提供参考。

1 项目背景

某锡矿山原来采用空场法，经过多年开采，形成了大量的采空区。采空区的上下盘以及间柱存有大量的高品位残矿资源。近年来，采空区地压活动日渐频繁，成为矿山安全生产隐患，亟需开展治理。同时，对采空区周边的残矿资源尽可能进行回收，避免资源的浪费。

2 开采技术条件及存在问题

该矿采空区主要位于570～635 m水平，635～650 m为顶柱，顶柱以上为垮落体覆盖层，如图1所示。

由于长期受应力集中影响，采空区周边岩体及巷道受到破坏，原有工程恢复难度大、投入高。破碎的矿岩中形成作业空间困难。在采空区处理过程中，只能尽量在保存较为完好或者恢复难度小的巷道以及在部分相对较完好的矿岩中形成凿岩硐室，进行凿岩作业。在爆破时，经常面对大抵抗线的情况。目前，地下矿山最大孔径165 mm，最小抵抗线3.5～5 m，采用常规的方式无法进行有效爆破。

由于暴露时间长，采空区上下盘发生垮落，采空区形状不规整，从而导致采用崩落回收残矿时，抵抗线复杂多变。如果以大抵抗线进行爆破设计，则会导致小抵抗线部分药量过大，过度破碎，浪费炸药；如果以较小抵抗线进行爆破设计，则导致大抵抗线部分无法崩落或者形成大块，造成资源的浪费。针对不同的抵抗线情况，进行布孔方式与装药结构调整，实行精细化爆破，能够有效地解决这个问题。

3 技术方案的选择

为避免对采空区多次扰动，恶化处理环境，宜采用整体崩落方式对采空区周边残留矿石资源进行回收，该方法效率高、安全性好。经过对该矿开采技术条件进行研究，决定采用以集束孔为主、局部辅以中深孔和小硐室一次起爆的区域整体崩落采矿法处理隐患区域，同时回收残矿资源[2]。该方案以区域内采空区群为补偿空间，把残留矿体崩落至采空区，再在底部集中出矿。

根据矿山矿岩稳固性以及现有工程的完整可利用程度，确定在635 m水平集中布置凿岩硐室，在凿岩硐室打下向大直径集束孔，炮孔直径165 mm。底部结构布置在550 m水平，采用堑沟出矿，区域整体崩落法方案见图2。

下面以集束孔JS1为例，对大抵抗线、变抵抗线集束孔精细化爆破设计进行详细说明。

3.1 大抵抗线集束孔爆破

图1 部分采空区剖面图Fig.1 Profile of partially goaf

图2 集束孔区域整体崩落方案图 Fig.2 Regional overall caving plan with bundle-hole blasting

图3 不同形式的集束孔布孔方式Fig.3 Different forms of hole arrangement for bundle-hole

如图4所示，炮孔直径d=0.165 m，炮孔深度H=60 m，从上到下，抵抗线可以大致分为四个部分。第Ⅰ部分，W1=12 m，H1=10 m；第Ⅱ部分，W2=10 m，H2=7 m；第Ⅲ部分，W3=6 m，H3=26 m；第Ⅳ部分，W4=11.5 m，H4=17 m。

图4 集束孔JS1抵抗线变化情况Fig.4 Change of burden of bundle-hole JS1

集束孔抵抗线由式(1)确定[4]。

W=9d[(2.17N-1)Δ/q]1/2(1)

式中：W为抵抗线，m；d为炮孔直径，m；N为炮孔个数；Δ为装药密度，t/m3；q为炸药单耗，kg/t。

由式(1)可得式(2)。

(2)

式(2)中各参数意义与式(1)相同。采用2号岩石乳化炸药，Δ取0.94 t/m3，该矿生产炸药单耗q=0.37 kg/t，d=0.165 m。代入图4中抵抗线最大的部分W1=12 m，得N1=12.3，取N1=12。

集束孔JS1孔数由抵抗线最大部分确定，因此N=12。

考虑到凿岩硐室的稳固性，硐室跨度不宜太大，集束孔JS1布置为如图5所示的方形集束孔。单孔之间距离5～8倍的炮孔直径[3]，取5倍的孔径0.825 m。炮孔距离硐室边壁最小距离1.5 m，凿岩硐室宽度4.65 m。

3.2 变抵抗线集束孔装药结构设计

炮孔采用导爆索全长起爆方式，装药结构如图6所示(图中已略去导爆索、起爆药包、雷管)。

图5 集束孔JS1布置方式Fig.5 Arrangment of bound-hole JS1

图6 集束孔JS1装药图Fig.6 Charging structure diagram of boundle-hole JS1

根据式(2)计算结果，集束孔JS1从上到下，其抵抗线及对应的孔数如下所述。

N1=12.3，取N1=12；N2=8.7，取N2=9；N3=3.4，取N3=4；N4=11.5，取N4=12。

具体装药结构如下：①炮孔上部堵孔长度3 m；②第Ⅰ部分：装药长度L1=H1-2.5 m=7 m，N1=12，装药孔1#～12#；③第Ⅱ部分，装药长度L2=H2=7 m，N2=9，装药孔4#～12#，1#～3#孔充填物间隔；④第Ⅲ部分，装药长度L3=H3=26 m，N3=4，装药孔4#～5#、10#～11#，其他孔充填物间隔；⑤第Ⅳ部分，L4=H4-2.5=14 m，N4=12，装药孔1#～12#；⑥底部堵孔长度3 m。

根据抵抗线长度，对装药孔孔数进行调整，既保证了崩落对象垮落，又使得爆破能量均匀分布，防止过度破碎，充分利用爆破能量。

4 实施效果

该矿共布置集束孔28组，总孔深8 523 m，辅以小硐室11个，中深孔1 918.3 m，总炸药量150 t，成功进行了采空区处理，崩落矿量77万t，炸药单耗0.195 kg/t。

通过对进路口崩落矿岩实地观察，爆堆块度<300 mm，块度较好。从爆破过程和地表与井下观察情况来看，地表产生了连通冒落区的崩落区。井下各水平通爆区进路口均见爆堆，没有产生局部拒爆和悬顶现象。矿山在区域整体大爆破崩落后，即开始放矿。安排2台铲运机出矿，每天出矿2 500～3 000 t。该次爆破成功地处理了矿山安全隐患，并回收残矿资源，缓解了矿山的生产压力，给矿山创造了可观的经济利益。

5 结 论

1) 在处理采空区的同时，应兼顾残留资源的回收；采用整体崩落方式对采空区周边残留矿石资源进行回收，可以避免多次回采对采空区造成的扰动，效率高，安全性好。

2) 采空区由于暴露时间长，发生垮落，周边矿岩受应力集中影响发生破坏，在残矿回收中，常面临大抵抗线、变抵抗线问题。采用集束孔，通过对布孔方式及孔数的调整，可以实现大抵抗线条件下的爆破。在装药设计中，通过对集束孔内装药孔数的调整，实现对变抵抗线爆破条件下的精确控制爆破，确保爆破能量均匀分布，既保证爆破效果，又充分利用炸药能量。