高陡边坡下民采空区处理技术分析

时间：2024-09-03

陈晶晶，张兵兵，蓝宇，韩振，张岗涛，方翔

(1.宏大爆破有限公司，广州 510623；2.广东省大宝山矿业有限公司，广东韶关 512100)

采空区一直是威胁矿山安全生产的重要隐患，其具有极强的隐蔽性，传统的探测手段很难确定其赋存特性。尤其在地采转露采的矿山或露井联合开采的矿山中，如何有效消除采空区的安全隐患及彻底处理采空区，已引起了许多专家学者的关注。目前，钻孔勘探、三维激光扫描、探地雷达、高密度电磁法等均已应用于采空区探测方面。杨靖[1]分析了地质雷达在露天矿采空区探测的可行性，比较了50 MHz和100 MHz下采空区的情况，较为准确地确定了采空区的范围。张德辉等[2]在采空区探测方面综合采用了高密度电阻率法、瞬变电磁法，快速准确地确定了弓长岭矿的浅部和深部采空区的个数及规模。刘博文等[3]通过对目前露天矿采空区探测现状的分析，提出了面式探测与点式探测相结合的技术手段，并给出了稳定性评价标准，确定了分类、分级处理的技术方案。崔晓荣等[4-6]采用了物探、钻探及三维激光扫描相结合的探测技术，测得的采空区规模及相关参数与实际情况较为吻合，为有效处理采空区提供了保证。周文勇[7]模拟分析了采空区存在时的边坡稳定性，发现临近边坡的地下采空区存在显著的应力集中现象，坡面上有明显的拉伸破坏区域，对边坡稳定性影响极大。董慧明[8]综合采用实验室力学实验、安全顶板厚度理论计算及现场边坡稳定性监测的手段，分析了采空区对边坡稳定性的影响。赖秀英等[9]利用有限元分析软件研究了民采空区走向与边坡稳定性的关系，得出民采空区走向与边坡面斜交时,边坡失稳的可能性最大，平行或垂直时,对边坡稳定性影响不大。采空区处理方法主要有强制爆破崩落法、充填法、封闭法等，基于应用范围而言，爆破处理更为广泛。耿智园等[10]模拟分析了炮孔排距、起爆时间对采空区的影响程度，认为炮孔排距不应超过7 m。倪景峰等[11]综合采用数理统计和现场实测的方法，通过分析孔网参数、装药结构、连线方式等对采空区爆破的影响，验证了爆破方案的可行性。方翔等[12]从爆破的作业流程方面分析了采空区爆破的施工要点，并进行了爆破实施效果的评估分析。宋子岭等[13]采用LS-DYNA软件模拟了孔底填塞长度及起爆位置对采空区爆破的影响，结合现场实践得出2 m的填塞长度与中间起爆技术相结合，爆破效果较好。陈晶晶等[14]以大宝山矿某层采空区为背景，从爆破参数、起爆方式、起爆网路及施工安全性出发，成功解决了采空区的安全隐患。

综上所述，采空区的探测技术应用较为成熟，而在高陡边坡下民采空区的处理方面仍存在一定的不足，故如何有效消除民采空区对边坡的影响，具有一定的研究意义。

1 工程背景及施工难点

大宝山露天矿山占地规模大，富含铁、铜、硫、铅、锌等矿石，开采价值极高。矿山开采时间长，早期采用井工开采，由于生产计划的无序性，导致地下矿体赋存位置遗留了较多的采空区，严重威胁着矿山的安全生产。此外，由于早期矿石价格较高，民采、盗采现象屡禁不绝，在地下遗留了许多无参考资料的采空区，对矿山的安全生产威胁极大。后期为了提高矿石利用率及改善施工环境，采用了露天开采模式，而地下遗留的采空区成为了威胁矿山安全生产的重要危险源。基于大宝山开采残留且未处理采空区数目众多的情况，并与许多科研机构联合，进行了采空区的普查统计，摸清了较多采空区的位置及相关参数，但受制于民采、盗采的情况，且无相关地质资料可以参考，其采空区仍是威胁矿山开采的安全隐患。因此如何利用钻孔勘探及三维激光扫描技术较为准确地确定民采空区的相关情况，是需要及时解决的一大难题。

在生产期间，为了确保施工的安全性，不定期地在矿石品位较高的位置处，通过打设一定数目、深度为30 m左右的钻孔，用于排查采空区或民采空区的位置。大宝山露天矿台阶高度为12 m，以深孔爆破为主，709平台某工作面富含高品位的铅锌矿，且边坡坡度大，属于高陡边坡。分析几个钻孔资料，判断出地下可能存在采空区。但通过参考相关地质资料，并没有发现该位置处的采空区情况，基本上可以认定为民采空区。为了消除安全隐患及回收高品位矿石，必须对该民采空区进行及时有效地处理。

2 三维激光扫描技术

由于民采空区的隐蔽性，传统的钻孔勘探等探测手段难以准确探明地下采空区的具体情况，基于这一难题，采用了三维激光扫描技术。

1)三维激光扫描技术原理。地采转露采的矿山地下赋存有一定数目的采空区，地下矿岩体及空洞区域的介质均存在差异性，其对激光的反射率也并不相同。通过向现场疑似采空区的钻孔内投放三维激光扫描仪至一定深度，探头可在空洞内部发射激光，其遇到矿岩体、矿柱或空洞区都会发生反射，再通过配备的软件显示出大致的情况，后期再通过技术处理，有效地获取采空区的位置及赋存特征等。

2)扫描结果分析。在697平台的一个探测孔位置(坐标为71 204.4,17 483.5,696.9)进行了三维激光扫描，探测至692.5 m标高时，发现探穿采空区，测得采空区高度为5.4 m(见图1)。通过以往扫描结果并参考地质资料分析，认为该空区与2014年扫描的采空区为同一采空区。

图1 民采空区Fig.1 Civil goaf

通过点云的坐标转换，将其投射在平面图上，显示出该采空区的位置(见图2)，表明该采空区存在扩大的现象。根据已知数据，可得民采空区各参数平均值如表1所示。

图2 民采空区的平面位置Fig.2 Plane position of the civil goaf

表1 民采空区相关参数

通过地质资料查询发现，该采空区所在范围并没有采空区资料，因此可以判定该采空区为民采盲空区，且扫描区域相比2014年扫描采空区面积向南部扩大了约40 m2。东部采空区于2014年曾发生塌陷，经后期扫描结果得知该区域下部并未完全塌陷，依然存在采空区。该区域经过4年多的现场巡查，也并没有发现垮塌迹象，因此，更需要高度重视该采空区的稳定性。

根据生产经验及科研机构提供的采空区稳定性判定经验公式：

h=0.71b-1.02

(1)

式中：h为最小保安层厚度，m；b为采空区最大跨度，m。

通过分析跨度与顶板厚度的对应关系，计算得最小保安层厚度为11.05 m，小于采空区最大跨度，表明采空区需尽快处理。

3 爆破方案

由钻孔勘探及三维激光扫描结果可知，该采空区绝大部分位于高陡边坡下，还有一部分存在边坡的正下方，对处理技术的要求较高。基于这一情况，决定在685平台的上方打设一些斜孔，深度达到采空区下方；并在685平台根据三维激光扫描结果，分区域布置不同数目的钻孔。由于该民采空区南部的顶板厚度较小，存在严重的安全隐患，使得采空区中部无法布置钻孔，故只是在南部边缘位置布置了少量的钻孔，很大程度上加剧了该民采空区的处理难度。考虑到这一实际情况，在进行爆破设计时，做了相应的技术调整，以期达到较好处理该民采空区的目的，即一方面要满足采空区处理的要求，另一方面也要达到大规模出矿的目的，二者呈现互补状态。

1)钻孔布置。本次采空区处理的炮孔分为边坡深孔(10号孔～13号孔)、边缘切割孔(7号孔,14号孔)、加密孔(2号孔，16号孔)、正常孔。由于部分采空区在高陡边坡下，故在709平台边坡设计了4个边坡深孔。根据扫描结果，计算出达到采空区的孔深在24 m以上，角度在80°～85°之间。考虑到三维扫描可能存在一些误差，现场施工时以钻孔打穿为准。打钻结果显示，只有一个深度在24.5 m的钻孔未打穿，其余3个钻孔均打穿，与设计较为吻合。在采空区的北部布置了一些边缘切割孔，孔网密度较小，起到切割采空区边界的作用。在采空区的南部布置了加密孔，但现场施工发现，钻孔在8 m左右已打穿，甚至出现设计钻孔在4.5 m处已打穿的现象。基于安全的考虑，不再向里推进打钻。在北部靠近采空区中部的位置处，布置了正常的炮孔，以打穿为准，现场打钻结果表明均打穿。

此外，考虑到采空区打钻的安全性，并未在采空区中部进行布孔。为了达到处理该采空区的目的，在采空区上部平台布置了较多的深孔，通过爆破振动及挤压作用达到预期处理效果。炮孔布置如图3所示。

注：“24.5未穿”等表示钻机所钻深度，且未打穿；“11.5～15”等表示采空区孔洞深度范围。图3 民采空区的炮孔布置Fig.3 Arrangement of the blasting hole in the civil goaf

2)装药量及填塞长度设计。基于安全角度考虑，本次爆破在采空区辐射范围内，炮孔均采用加大装药量的处理方式[15]。炮孔直径为140 mm，基本按垂直布设，孔网参数为4 m×4.5 m，打穿的深孔在底部进行2.5 m的沙袋分割，上部填塞长度为4 m。采用混装铵油炸药进行耦合装药，2根110 mm的乳化炸药作为起爆药包，4 根导爆管雷管进行传爆。未打穿的炮孔进行正常装药。切割孔及加密孔也加大药量，单孔最大药量达234 kg，在采空区东部用挖机人为制造辅助自由面，直至挖机遇到坚硬岩层无法施工为止，其长度4 m、宽度1.2 m、深度2.5 m。

3)爆破网路设计。基于及时高效处理采空区的前提，采空区上部的炮孔爆破网路连接有所差异，北部的切割孔及打穿炮孔、南部的加密孔及边坡深孔采用同一段别的雷管，实现同时起爆的目的。综合利用挤压作用及爆破振动效应，起爆点设置在采空区中部，其余正常炮孔采用延迟时间更长的雷管进行引爆，起到进一步加强爆破振动的效果。

4 效果分析

采用引爆装置起爆后，通过远程监控设备可以看到采空区中部位置呈现明显的沉陷状态，表明爆破振动作用及周边岩体的挤压效应已使该位置成功崩落。为了确保安全，等待30 min后，前往现场查看处理效果。高陡边坡下的局部采空区位置呈现明显的塌陷情况，采空区中部充填效果较好，明显地隆起。其他位置处，大致表现为抛物线形态，表明该民采空区的处理效果良好。但现场检查时，发现爆区中部岩层的块度相对其余位置较大，可能是因为爆破单耗设计较小所致。在后期挖机施工时，为了再次确保施工安全，在原采空区的四周采用测量仪器进行放点，挖机先从外向里进行矿石挖采作业，施工状态良好，再次表明了该民采空区的处理效果良好。