CN101413774A - 大跨度空区顶板硐室爆破最佳厚度的确定方法及爆破方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大跨度空区顶板硐室爆破最佳厚度的确定方法及其爆破方法，该方法仅适用于采空区顶板岩体处于稳定状态时。该方法的步骤为首先计算满足采空区地采安全生产的缓冲垫层厚度，接着计算爆破振动安全允许距离，再计算大爆破施工的安全厚度，最后根据大爆破施工的安全厚度大于等于地采安全生产的缓冲垫层厚度要求，确定采空区顶板硐室爆破最佳厚度，并开挖巷道，放置炸药，实施条形硐室爆破。本发明提供的大跨度空区顶板硐室爆破最佳厚度，既能保证作业安全，又能尽量减少爆破工程量，缩短施工周期，减小投资。
Description
技术领域：
本发明涉及矿山开采中的爆破方法，特别是大跨度空区顶板硐室爆破最佳厚度的确定方法及其爆破方法。
背景技术：
在进行地下矿山开采过程中，一般采用空区法开采，其采空区的跨度一般为20M-50M，当采空区的跨度大于50M时，即为大跨度空区。
为保护地下开采作业的安全，必须在采空区下方矿体顶板上形成一定厚度的缓冲垫层。在以往的生产实践中，通常采用如下方法充填采空区，从而形成缓冲垫层：
1、尾砂充填法，即在尾矿库建立砂泵站，通过管道将尾砂输送至采空区形成设计需要厚度的缓冲垫层。
2、干式充填法，即在地面建立采石场，将剥离的废石通过充填井运至采空区进行充填，形成设计需要厚度的缓冲垫层。
3、爆破充填法，即在采空区周边的岩体内布置集中药室或进行深孔爆破，将爆破的岩石抛至采空区，形成设计需要厚度的缓冲垫层。
上述三种方法充填采空区，一个共同的缺点是：施工周期长(一般半年以上)、管理复杂、投资大，充填成本高。且前二种充填方法对矿山环境保护还会造成一定影响，第三种方法在采空区周边的岩体内布置集中药室，或进行深孔爆破，这样对采空区周边岩体的稳定性影响很大，造成很大安全隐患，同时集中药室的设置高度很难确定，因为既要满足地采作业安全的缓冲垫层厚度要求，又要能满足施工安全的安全厚度要求。如果设置高度选择不好，既不能保证作业安全，又可能增加爆破工程量，延长施工周期，增大投资。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是，针对现有大跨度空区顶板硐室爆破最佳厚度难以确定的不足，提供一种既能保证作业安全，又能尽量减少爆破工程量，缩短施工周期，减小投资的大跨度空区顶板硐室爆破最佳厚度的确定方法及爆破方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大跨度空区顶板硐室爆破最佳厚度的确定方法，包括下列步骤：
(1)、进行采空区顶板岩体稳定性分析，当采空区顶板岩体处于稳定状态时，实施下一步，如果采空区顶板岩体不处于稳定状态，则终止此方法；
(2)、参照B.P伊缅尼托夫提出的缓冲层厚度计算经验公式：hb＝0.74kcH1.25L0.02(F0/F)，计算满足采空区地采安全生产的缓冲垫层厚度hb，式中：
kc-缓冲层岩石粗糙系数，H—缓冲层至顶板高，F0—顶板崩落层面积，L—顶板崩落层厚度，F—顶板暴露面积；
(3)、计算爆破振动安全允许距离R＝(K/V)1/a×Q1/3，式中：
Q—延时爆破最大一段炸药量，
V—保护对象安全允许振速，
K—与地形、地质条件有关的系数，
a—与地形、地质条件有关的衰减指数；
(4)、计算大爆破施工的安全厚度ha＝R×A，式中：A为安全系数，其取值范围为1.3-1.8；
(5)、根据大爆破施工的安全厚度ha≥地采安全生产的缓冲垫层厚度hb，确定采空区顶板硐室爆破最佳厚度h，即从空区顶板至爆破硐室的中心线距离：当ha≥hb时，h＝ha；当ha<hb时，h＝hb。
本发明还公开了：一种大跨度空区顶板硐室爆破方法，包括下列步骤：
(1)、进行采空区顶板岩体稳定性分析，当采空区顶板岩体处于稳定状态时，实施下一步，如果采空区顶板岩体不处于稳定状态，则终止此方法；
(2)、参照B.P伊缅尼托夫提出的缓冲层厚度计算经验公式：hb＝0.74kcH1.25L0.02(F0/F)，计算满足采空区地采安全生产的缓冲垫层厚度hb，式中：
kc-缓冲层岩石粗糙系数，H—缓冲层至顶板高，F0—顶板崩落层面积，L—顶板崩落层厚度，F—顶板暴露面积；
(3)、计算爆破振动安全允许距离R＝(K/V)1/a×Q1/3，式中：
Q—延时爆破最大一段炸药量，
V—保护对象安全允许振速，
K—与地形、地质条件有关的系数，
a—与地形、地质条件有关的衰减指数；
(4)、计算大爆破施工的安全厚度ha＝R×A，式中：A为安全系数，其取值范围为1.3-1.8；
(5)、根据大爆破施工的安全厚度ha≥地采安全生产的缓冲垫层厚度hb，确定采空区顶板硐室爆破最佳厚度h，即从空区顶板至爆破硐室的中心线距离：当ha≥hb时，h＝ha；当ha<hb时，h＝hb。
(6)、在采空区上方距顶板最佳厚度h处布置相互平行的条形药室；
(7)、开挖巷道，以解决冲击波问题；
(8)、放置炸药，实施爆破。
下面对本发明进行进一步说明：
所述步骤4中的安全系数A根据顶板岩石的硬度系数确定，一般为均质、致密坚硬，硬度系数f＝12～16的花岗岩、玄武岩、辉绿岩等时，A取1.3；均质、中硬，f＝6～8的大理岩、石灰岩、斜长岩等，A取1.6；不均质、节理裂隙较发育、中硬，f＝5～6的千枚岩、石灰岩、斜长角闪岩、石英砂岩等，A取1.8。
该采空区顶板硐室爆破最佳厚度h也就是采空区上方顶板距药室的距离，在本发明中，确定采空区顶板硐室爆破最佳厚度后，就在采空区上方距顶板的最佳厚度上布置相互平行的条形药室，该条形药室采用小断面(巷道宽×高＝1.3M×1.7M)，浅眼微差爆破，减少施工过程对采空区顶板稳定性的影响；同时在条形药室施工过程中，采用声波仪、多点位移计进行定期监测，及时预报顶板岩体的稳定性，保证了大爆破实施过程的安全。
本发明首先进行采空区顶板岩体稳定性分析，当空区顶板岩体处于稳定状态时，确定既满足地采作业安全的缓冲垫层厚度要求，又能满足施工安全的安全厚度要求，即寻找出能满足2个安全厚度要求的最佳厚度。同时在最佳厚度上开挖小断面条形药室，条形药室暴露的空间小，一次爆破使用的炸药量少，条形药室的施工对空区顶板岩石的稳定性不至造成安全影响。该方案的优点是：利用破碎岩石的自重充填采空区，炸药单位消耗量小，充填料垫层分布均匀，施工周期短，投资省，成本低，管理方便，能适应不规则空区顶板的爆破要求。
附图说明：
图1为本发明大跨度空区顶板硐室爆破最佳厚度的确定方法的流程示意图。
图2为本发明一较佳实施例的条形药室平面布置示意图。
图3为图2的A-A剖面示意图。
具体实施方式：
如图1-图3所示，在第一较佳实施例中，采空区顶板崩落层面积F0为13000m2，缓冲层至顶板高H为40m，顶板崩落层厚度L为20m，顶板暴露面积F为14800m2，缓冲层岩石粗糙系数kc＝6.6×0.1da，da取0.5，da是与岩石艰硬及粗糙程度有关的系数，da变化范围为0.4-0.6。首先采用有限单元法模拟在岩体重应力场作用下，对采空区四个剖面的应力分布情况进行分析，其剖面上的点应力安全系数均大于1.0，证明采空区顶板岩石整体是稳定的；接着计算满足采空区地采安全生产的缓冲垫层厚度hb＝0.74kcH1.25L0.02(F0/F)＝19.3m(该公式为B.P伊缅尼托夫提出的缓冲层厚度公式)；再根据GB6722-2003爆破安全规程确定延时爆破最大一段炸药量Q为9kg，保护对象安全允许振速V为10cm/s，与地形、地质条件有关的系数K为250，衰减指数a为1.8，计算爆破振动安全允许距离R＝(K/V)1/a×Q1/3＝12.44m(该公式为公知公式)；由于该采空区顶板为均质、中硬，f＝6～8的石灰岩，故取安全系数A为1.6，计算大爆破施工的安全厚度ha＝R×A＝12.44m×1.6＝20m；最后，根据大爆破施工的安全厚度ha≥地采安全生产的缓冲垫层厚度hb，确定采空区顶板硐室爆破最佳厚度h＝ha＝20m。确定最佳厚度后，在采空区上方距顶板20m处开挖条形药室，共布置T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13、T14等14个条形药室，其断面均为高1.7m，宽1.3m，并开挖释放冲击波的巷道，同时在条形药室中布置硝铵炸药7.73t，铵油炸药154.77t，实施爆破，达到了施工过程安全、投资省、充填效果好的目的。
在第二较佳实施例中，该实施例与第一较佳实施例相比大致相同，只是该采空区顶板为均质、致密坚硬，硬度系数f＝12～16的花岗岩，这时可取安全系数A为1.3，这样计算大爆破施工的安全厚度ha＝R×A＝12.44m×1.3＝16.17m；为满足地采生产安全所需缓冲垫层厚度19.3m的要求，同理可确定采空区顶板硐室爆破最佳厚度为19.3m。在采空区上方距顶板19.3m处开挖条形药室实施爆破后，同样实现了施工过程安全、投资省、充填效果好。
在第三较佳实施例中，该实施例与第一较佳实施例相比大致相同，只是该采空区顶板为不均质、节理裂隙较发育、中硬，f＝5～6的千枚岩，这时可取安全系数A为1.8，这样计算大爆破施工的安全厚度ha＝R×A＝12.44m×1.8＝22.39m；同理可确定采空区顶板硐室爆破最佳厚度为22.39m。在采空区上方距顶板22.39m处开挖条形药室实施爆破后，同样实现了施工过程安全、投资省、充填效果好。
Claims (4)
1、一种大跨度空区顶板硐室爆破最佳厚度的确定方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)、进行采空区顶板岩体稳定性分析，当采空区顶板岩体处于稳定状态时，实施下一步，如果采空区顶板岩体不处于稳定状态，则终止此方法；
(2)、参照B.P伊缅尼托夫提出的缓冲层厚度计算经验公式：hb＝0.74kcH1.25L0.02(F0/F)，计算满足采空区地采安全生产的缓冲垫层厚度hb，式中：
kc-缓冲层岩石粗糙系数，H—缓冲层至顶板高，F0—顶板崩落层面积，L—顶板崩落层厚度，F—顶板暴露面积；
(3)、计算爆破振动安全允许距离R＝(K/V)1/a×Q1/3，式中：
Q—延时爆破最大一段炸药量，
V—保护对象安全允许振速，
K—与地形、地质条件有关的系数，
a—与地形、地质条件有关的衰减指数；
(4)、计算大爆破施工的安全厚度ha＝R×A，式中：A为安全系数，其取值范围为1.3-1.8；
(5)、根据大爆破施工的安全厚度ha≥地采安全生产的缓冲垫层厚度hb，确定采空区顶板硐室爆破最佳厚度h，即从空区顶板至爆破硐室的中心线距离：当ha≥hb时，h＝ha；当ha<hb时，h＝hb。
2、根据权利要求1所述的大跨度空区顶板硐室爆破最佳厚度的确定方法，其特征在于，所述步骤(4)中的安全系数A根据采空区顶板岩体的硬度系数确定：均质、致密坚硬，硬度系数f＝12～16的花岗岩、玄武岩、辉绿岩时，A取1.3；均质、中硬，f＝6～8的大理岩、石灰岩、斜长岩时，A取1.6；不均质、节理裂隙较发育、中硬，f＝5～6的千枚岩、石灰岩、斜长角闪岩、石英砂岩时，A取1.8。
3、一种大跨度空区顶板硐室爆破方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)、进行采空区顶板岩体稳定性分析，当采空区顶板岩体处于稳定状态时，实施下一步，如果采空区顶板岩体不处于稳定状态，则终止此方法；
(2)、参照B.P伊缅尼托夫提出的缓冲层厚度计算经验公式：hb＝0.74kcH1.25L0.02(F0/F)，计算满足采空区地采安全生产的缓冲垫层厚度hb，式中：
kc-缓冲层岩石粗糙系数，H—缓冲层至顶板高，F0—顶板崩落层面积，L—顶板崩落层厚度，F—顶板暴露面积；
(3)、计算爆破振动安全允许距离R＝(K/V)1/a×Q1/3，式中：
Q—延时爆破最大一段炸药量，
V—保护对象安全允许振速，
K—与地形、地质条件有关的系数，
a—与地形、地质条件有关的衰减指数；
(4)、计算大爆破施工的安全厚度ha＝R×A，式中：A为安全系数，其取值范围为1.3-1.8；
(5)、根据大爆破施工的安全厚度ha≥地采安全生产的缓冲垫层厚度hb，确定采空区顶板硐室爆破最佳厚度h，即从空区顶板至爆破硐室的中心线距离：当ha≥hb时，h＝ha；当ha<hb时，h＝hb。
(6)、在采空区上方距顶板最佳厚度h处布置相互平行的条形药室；
(7)、开挖巷道，以解决冲击波问题；
(8)、放置炸药，实施爆破。
4、根据权利要求3所述的大跨度空区顶板硐室爆破方法，其特征在于，所述条形药室断面的巷道宽为1.3M，高为1.7M，且在布置条形药室过程中，定期监测顶板岩体的稳定性。
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