CN104074543A - 一种处理大型地下采空区的方法 - Google Patents

Abstract

一种处理大型地下采空区的方法，包括1、对发现的空区顶板钻超深孔，通过激光三维扫描详细了解采空区的形态；2、通过矿区内实地工程地质调查及矿岩力学参数试验，对各种岩体的稳定性进行研究，确定了不同采空区分布状况及岩层条件时的露天矿边坡保安层安全技术参数；3、对较厚的顶板，采用分层同次处理，下部分层超前于上部分层崩落。本发明在太钢(集团)岚县矿业公司袁家村铁矿应用以来，共处理15个采空区，处理效果良好，消除了安全隐患。本发明对露天金属矿山采空区处理，尤其是较厚顶板的采空区处理有较强的指导意义，值得推广应用。

Description

一种处理大型地下采空区的方法

技术领域

本发明涉及一种处理金属露天矿较厚顶板采空区的方法，尤其涉及一种露天台阶深孔爆破崩落顶板充填采空区的方法。

背景技术

目前，国内大部分金属露天矿采用深孔爆破崩落法处理采空区，其方法是：在了解空区形态的基础上，预定一定的顶板厚度，采用露天深孔爆破崩落法充填空区，达到处理采空区的目的。存在的不足是：

1、传统的采空区勘察技术只能给出二维结果，需要经验进行分析辨识且成本高昂、危险性大、费工费时，很多情况下不实用也不可行；采空区处理技术人员在不了解采空区的空腔形态下处理，给安全生产留下隐患；

2、采空区顶板保安层厚度多依据采空区处理技术人员个人经验，且无根据不同采空区分布状况及岩层条件时的保安层安全厚度；

3、无成熟的较厚顶板(厚度约为30～50米左右)采空区处理方案及应用实例；

4、施工过程中，钻孔及吊孔质量难以得到保证，漏药现象较普遍，严重影响爆破效果，并为将来的采空区铲装遗留安全隐患。

发明内容

解决了现有采空区处理技术中的不足，本发明提供一种金属露天矿采空区的处理方法，它施工更加安全，处理效果更好。

本发明的技术方案是：金属露天矿采空区的处理方法，其特征是包括下述内容：对采空区顶板钻孔，对采空区空腔内进行激光扫描并生成采空区空腔内的三维形态图，计算保安层的厚度并预留保安层，设计爆破方案，爆破前施工，对采空区顶板进行爆破处理，爆破后评价。

所述对采空区进行超深钻孔，即在采空区顶板采用潜孔钻机钻孔，钻孔深度是穿过顶板使三维激光扫描系统进入采空腔内；

所述对采空区空腔内进行激光扫描并生成采空区空腔内的三维形态图，即将英国MDL公司开发的“空腔自动激光扫描系统(C-ALS)”置于空腔内部，利用前部微型激光扫描仪，测量空腔的三维形状及表面反射性；利用英国MDL的ModelAce软件套件，处理激光扫描“点云”数据集，形成三维渲染框架模型；利用SURPAC软件真实还原采空区形态，并根据实际布孔割剖面，确定逐孔孔深及最小抵抗线；

所述计算保安层的厚度并预留保安层的方法：即通过选取岩芯、现场取样并进行室内试验，室内试验项目分别是单轴抗压强度试验、巴西法抗拉强度试验、测量弹性模量和泊松比实验。

分析出不同采空区跨度条件下，各种岩性预留保安层厚度，并进一步回归分析得出预留保安层厚度与采空区跨度关系如下：

(1)石英磁铁矿的表生氧化产物：h＝0.643b-0.633；

(2)闪石石英磁铁矿的表生氧化矿石：h＝0.695b-0.183；

(3)赤铁矿、磁铁矿：h＝0.683b-0.944；

(4)磁铁矿：h＝0.865b-0.45；

(5)绿泥片岩：h＝0.635b+0.117；

(6)变辉绿岩：h＝0.552b+0.228；

(6)灰岩：h＝0.697b-0.122；

(7)砾岩矿：h＝0.712b-0.123；

上述各式中，h为保安层厚度，单位是m；，b为采空区最大跨度，单位是m。

备注：保安层需承担的最大载荷为顶板的自身重力及露天采矿过程同时在采空区顶部作业的设备：1台WK20电铲(850t)、2台贝拉斯7530汽车(371*2t)及1台D8N推土机(38t)。

由于采空区顶板岩性一般为多种岩层组合，在确定采空区保安层厚度时，可根据岩层组合特征和推荐的各种岩性预留保安层厚度进行换算。

3、考虑到采空区所处位置及安全因素考虑，需提前对较厚的顶板的采空区进行处理。

处理思路：将采空区顶板分层同次处理，下部分层超前于上部分层崩落；为确保崩落过程不发生卡住，在顶板中部加强掏槽。

本发明的有益效果:

自2012年4月起至今，共处理15处空区，每处空区代码分别为：1755-10-空1、“补海”采空区、1755-1-空3、1755-1-空4、1755-1-空5、1755-1-空6、1740-10-空7、1725-1-空9、1725-1-空10、1740-1-空11、1740-1-空12、1740-1-空13、1740-1-空14、1740-1-空15、1725-10-空17。，其中1740-10-空7为已知发现的较大、较深的空区，采用本发明有效的对空区进行了处理，处理效果良好。及时消除了安全隐患，为企业带来了不可估量价值。

附图说明

图1是本发明实施例的装药结构示意图。

图中，1—孔口回填段；2—上部装药段；3—中部间隔回填；

4—下部装药段；5—底部回填段；6—375ms澳瑞凯雷管；

7—400ms澳瑞凯雷管。

具体实施方式

实施例：以1740-10-空7为例。

1、通过三维激光扫描报告了解1740-10-空7的形态。

由三维建模复合图可以看出：空区为葫芦状多层空区，采空区参数如表1所示：

表1采空区参数

2、根据矿岩结构确定合理的保安层厚度及空区处理时机。

根据长沙矿山研究院提供的《太钢袁家村铁矿采空区上部露天开采稳定性及采空区处理技术研究总结报告》中主要为赤铁矿，其次为磁铁矿，保安层厚度计算公式：

h＝0.683b-0.944

式中，h为保安层厚度，m；b为采空区最大跨度，m。

1740-10-空7的最大跨度为44m，计算得到保安层厚度为29.1m。从剖面图上可以看出空区顶板到1725水平的最小垂直距离为29m，基本接近保安层厚度，因此选在1725水平钻孔进行深孔爆破处理该空区。

3、爆破方案设计。

(1)单耗。根据以往空区处理的经验：爆破作用指数n>1,为加强抛掷爆破，炸药单耗取相同部位正常台阶深孔爆破炸药单耗的1.3倍。1740-10-空7上部相同部位的炸药单耗为0.61kg/m³，且爆破效果良好。因此本次爆破处理1740-10-空7炸药单耗取0.80kg/m³。

(2)装药结构。空区顶板上方的炮孔采用间隔装药，分上下两段装药，下段孔底部回填3m，为了保证装药充填系数大于75％，上下分段选在中部1708.5m—1711.5m之间进行间隔，上部回填3.5m，采用细岩粉密实充填；空区周边辅助孔采用连续柱状装药，孔上部回填高度3.5m。采用乳化药卷作为起爆药，孔内装多孔粒状铵油炸药。

(3)孔网参数。根据袁家村铁矿在10号镜铁矿位孔网布置经验以及结合初定的0.80kg/m³的炸药单耗，施工用Φ140mm潜孔钻机，采用三角形布孔，孔距3.5m,排距3.5m，空区顶板上方的炮孔孔深为钻机穿透顶板的自然深度；空区周边辅助孔孔深为15m，超深2.5m。

(4)药量计算。在进行单孔药量计算时，前排孔采用Q＝q·a·W₁·H,后排孔采用Q＝k·q·a·b·H求得。

式中，q为单位炸药消耗量(kg/m³)；a为孔距(m)；b为排距(m)；W₁为底盘抵抗线(m)；H为台阶高度(m)；k为考虑受前面各排孔的矿岩阻力作用的增加系数,k＝1.1～1.2。

爆区计划炸药消耗量为42t，乳化药包768kg，多孔粒状铵油41.2t。平均炸药单耗为0.8kg/m³。

3.3确定起爆孔

由于只有台阶上部平台和地下采空区2个临空面，而且空区顶板体积远小于空区体积，爆破的总体设计思路是：通过爆破强制崩落地下采空区顶板，向下充填采空区，在地表形成塌陷坑洞，所以起爆选择在空区顶板几何中心以掏槽爆破的方式起爆。根据空腔的垂直剖面图、水平剖面图和孔网布置图，36号孔所对空腔体积较大，爆破崩落体下落通道较宽，且正对通道中心，爆破时不易发生堵塞，因此起爆点选定为36号孔。同时，为了保证掏槽效果，采取以下措施：

(1)36号孔作为掏槽孔，孔径选取Φ250mm。

(2)36#孔与周围的156#、157#、158#、159#孔同时起爆，以加大掏槽效果。

3.4起爆网路和起爆顺序

爆破网路为复式网路，采用澳瑞凯非电毫秒延期雷管起爆，地表网络为行列式地表逐孔起爆网路，孔间采用65ms雷管，排间采用42ms雷管,156#、157#、158#、159#采用17ms雷管；空区顶板上方炮孔采用孔内上下分段间隔起爆，下分段采用375ms雷管，上分段采用400ms雷管，空区周边辅助孔采用400ms雷管，孔内外微差相结合，孔内自下而上起爆，上下分层自起爆点向四周扩散。

3.5最小安全距离确定

(1)爆破飞散物最小安全允许距离。

据硐室爆破个别飞石计算公式

R_f＝20K_fn²w

式中，R_f为爆破飞石安全距离，m；K_f为安全系数，取1.5；n为爆破作用指数，取1；w为最小抵抗线，取6.5m。计算得到爆破飞散物最小安全允许距离195m。

(2)空气冲击波最小安全允许距离。

据爆破冲击波的安全允许距离经验公式

$R_k=25\·\sqrt[3]{Q}$

式中，Q为最大一响药量，kg。本次设计最大一响药量为2340kg，计算得到爆破冲击波的安全允许距离为332m。

综合考虑爆破飞散物安全允许距离及爆破冲击波安全允许距离，本次爆破最小安全距离为332m。

4、方案施工。

4.1钻孔

2台Φ140mm潜孔钻机按如下情况钻孔：

(1)采空区上部穿透为止；

(2)采空区边缘部位钻孔深度，根据经验公式

h₀＝h₁-h₂+3

式中，h₀为计划穿孔深度,m；h₁为孔口标高,m；h₂为空腔底板标高,m。

(3)采空区外部辅助孔按正常台阶钻孔。其中，孔深：15m；超深2.5m。

4.2验孔

穿孔过程中时时对采空区成孔进行验收，作详细记录并与炮孔所在剖面做对比。对孔深不符合原始设计要求的异常孔判断是否需要补打。并在所有的孔穿完后形成验孔总结，为逐孔药量的计划提供依据。

4.3吊孔、装药、回填

对圈定的采空区范围所有穿透的炮孔进行吊孔，用编织袋扎成球状型(或圆柱型)，用铁丝吊至孔底有空区处向上拉动至空区顶板上方约0.3m处拉近铁丝并固定好，先用较大石块填充后用岩粉充填，不断探测充填长度，直至设计回填高度。

装药过程中按照逐孔设计药量表装药，所有孔装药结束后，统计装药量。

回填时采用岩粉充填，且回填段高度满足设计要求。

5、爆后效果评价。

此次对1740-10-空7共钻孔159个，装药42t，爆破后顶板完全塌落，边缘整齐，形成直径约30米的塌陷区，爆破取得了预期效果。

Claims (5)

1.一种处理大型地下采空区的方法，其特征是包括下述内容：(1)对采空区顶板钻孔；(2)对采空区空腔内进行激光扫描并生成采空区空腔内的三维形态图获得采空区空腔参数；(3)根据采空区顶板矿岩结构确定保安层厚度；(4)对采空区顶板进行爆破处理。

2.根据权利要求1所述的一种处理大型地下采空区的方法，其特征是所述对采空区空腔内进行激光扫描，是将英国MDL公司开发的“空腔自动激光扫描系统”置于采空区空腔内部，利用前部的微型激光扫描仪，测量采空区空腔的三维形状及表面反射性；利用英国MDL公司配套的ModelAce软件，处理激光扫描“点云”数据集，形成三维渲染框架模型；利用SURPAC软件真实还原采空区形态，并根据实际布孔割剖面，确定逐孔孔深及最小抵抗线。

3.根据权利要求1所述的一种处理大型地下采空区的方法，其特征是所述采空区空腔参数包括采空区最大长度，采空区最大跨度，采空区扫描到最大高度，采空区人工测绳探测到最大高度，最小顶板厚度，底板最低标高，采空区面积，采空区体积，顶板体积。

4.根据权利要求1所述的一种处理大型地下采空区的方法，其特征是所述采空区顶板矿岩结构是通过选取岩芯、现场取样并进行室内试验获得，室内试验项目分别是单轴抗压强度试验、巴西法抗拉强度试验、测量弹性模量和泊松比实验。

5.根据权利要求1所述的一种处理大型地下采空区的方法，其特征是所述保安层厚度计算公式分别是：

(1)石英磁铁矿的表生氧化产物：h＝0.643b-0.633；

(2)闪石石英磁铁矿的表生氧化矿石：h＝0.695b-0.183；

(3)赤铁矿、磁铁矿：h＝0.683b-0.944；

(4)磁铁矿：h＝0.865b-0.45；

(5)绿泥片岩：h＝0.635b+0.117；

(6)变辉绿岩：h＝0.552b+0.228；

(6)灰岩：h＝0.697b-0.122；

(7)砾岩矿：h＝0.712b-0.123；

上述各式中，h为保安层厚度，单位是m；，b为采空区最大跨度，单位是m。