露天采場高陡邊坡下深部采空區的爆破處理研究

解治宇 李翰林 房洪亮 韓連生 張德輝 沙成滿

（1.鞍鋼集團礦業有限公司，遼寧鞍山114001；2.遼寧科技大學礦業工程學院，遼寧鞍山114051；3.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

根據初步統計，截至2015年底，中國有色金屬非金屬地下礦山共有采空區12.8 億m3，且地下礦山采空區塌陷引發的安全事故接連發生，造成了重大人員傷亡和財產損失［1-3］。鞍本地區作為我國最大的BIF型鐵礦集中區，其鐵礦資源量/儲量占全國總量的1/4，由于日偽時期的掠奪式開采和礦業整合開發前的無序開發和偷采濫挖，在一定深度空間遺留了大量隱伏采空區。上述采空區的存在給鐵礦山規?；穆短扉_采帶來極大的生產安全巨大隱患，制約了露天采場資源安全高效開采。

上述現象在富鐵礦發育的弓長嶺地區特別典型，尤以其中的大砬子采區最為突出。露天鐵礦大砬子采區位于弓長嶺二礦區東南端，是一個開采多年的露天老采區，處于生產的中老年期。目前，在大砬子采區擴幫開采的南幫+280 m 標高采礦平臺高陡邊坡下探測發現了大量隱伏采空區，呈不規則多層狀分布，且已探明的采空區范圍大、跨度廣和形態復雜，并已經嚴重影響了礦山安全生產。本研究以大砬子采區多層采空區為研究對象，利用LS_DYNA 軟件建立爆破處理的數值計算模型，模擬在爆破荷載作用下采空區的塌陷過程［4-8］，并對模擬結果進行分析，在此基礎上提出合理有效的采空區治理方案，開展多層采空區現場爆破處理研究［9-13］，為類似礦山采空區安全處理提供理論依據和實踐參考。

1 研究區地質概況

研究區處于弓長嶺鐵礦二礦區端部，構造上位于區域構造弓長嶺背斜北翼，礦區西北端以寒嶺斷裂為界，東南到地質勘探線30號剖面的大砬子，全長4 850 m，面積4.01 km2，其中大砬子采區（24～30號勘探線之間）即為研究區（圖1）。弓長嶺鐵礦帶構造發育，褶皺、斷層齊全，它們控制著礦床的形成與分布［14］。鐵礦帶整體呈NW走向，長約12 km，但由于受寒嶺斷裂、偏嶺斷裂等一系列近平行的NE 向斷層的影響，鐵礦帶被切割分為一礦區、二礦區、三礦區、老嶺—八盤嶺礦區（包括老弓長嶺、獨木、啞叭嶺和八盤嶺）。弓長嶺鐵礦帶整體為一NW 向反S 型褶皺，但NE向斷層將NW向鐵礦帶錯斷成為斷陷區和斷隆區。斷陷區由于下降而有利于含鐵巖系保存，斷隆區由于上升遭受剝蝕強烈而不利于含鐵巖系保存［14］。

弓長嶺二礦區地層屬于茨溝組，位于寒嶺斷裂與老嶺斷裂之間，處于斷陷區。二礦區含鐵巖系呈單層狀殘留體產于大片混合花崗巖中，巖層走向N20°～60°W，傾向NE，傾角60°～85°。含鐵巖系兩端受斷層影響產狀有些變化，其北西端受寒嶺斷裂影響，地層走向變為N80°W，傾向SE；在其東南端因受老嶺斷裂影響，產狀變為SN走向，向東陡傾斜［14］。

2 露天采場采空區爆破處理數值模擬研究

2.1 采空區概況

本研究爆破處理采空區位于大砬子采場南幫+280 m 標高采礦平臺下方40～70 m，采空區地面投影面積約5 000 m2，按采空區平均厚度30 m 計算得最小體積為15 萬m3，影響安全作業面積達上萬平方米（圖1）。本研究通過鉆孔式三維激光掃描探測獲取采空區的三維點云數據［15-17］，而后采用地學建模技術形成采空區的三維虛擬實體。探測成果顯示，該平臺的采空區主要呈不規則的多層狀分布特點（圖2）。

2.2 采空區爆破數值模擬及分析

2.2.1 采空區的數值計算模型

根據采空區平面分布圖（圖1），作一條經過采空區的剖切線A-A'（圖3），由其切出的剖面可通過軟件LS_DYNA 開展爆破數值模擬計算［18-21］。由剖面圖所切的空區剖面建立的二維理論計算模型如圖4 所示。在模型左、右、下3 個面上施加無反射邊界條件以模擬無限巖體，并在底面邊界施加X、Y、Z 方向的位移約束，模型上表面均為自由邊界，對整體模型施加-Y 方向的重力，重力加速度為9.8 m/s2。巖體和填塞材料選用HJC 模型，采用高能炸藥材料和狀態方程*EOS_JWL 模擬乳化炸藥，選用NULL 模型和線性多項式模擬空氣材料。巖石和填塞材料采用Lagrange 算法，炸藥和空氣采用ALE 算法。起爆時，采用孔中起爆的方式，預留空區頂板厚度為3 m，采用排距7 m，為節約計算成本，排間延期時間設置為17 ms。

2.2.2 數值模擬結果及有效應力分析

由不同時刻采空區在爆破荷載作用下的有效應力云圖（圖5）可知，炸藥起爆后爆破應力波對炮孔右側和下側巖體的作用較強，這兩部分巖體所受到的有效應力較大，原因是炮孔右側和下側方向的抵抗線最短，爆轟波優先從這兩個自由面溢出，有利于達到理想的工程爆破效果，即促使采空區塌陷和臺階發生破壞。

應力波遇到自由面發生反射，形成反射拉伸波，產生反向拉應力，自由面處的巖體發生片落。前排炮孔能為后排炮孔創造出新的自由面，應力波在3個自由面之間來回反射、疊加，巖體在復雜的多重因素作用下發生破壞。右側臺階坡面的破壞主要是第一排炮孔炸藥爆炸作用的結果，后排炮孔也會對坡面產生影響，但主要是使破碎后的巖體產生側向位移。隨著后排炮孔對采空區頂板的持續作用，空區頂板應力集中的區域越來越多，頂板受到的最大應力為124.6 MPa，超過了巖體的屈服強度。

起爆后50 ms 時，也就是第3 個炮孔起爆后16 ms，爆轟波對上部邊坡的作用范圍最廣，這一時刻應作為判斷邊坡是否穩定的最不利時刻。爆炸進行到70 ms 時，第一排炮孔下方的頂板出現了貫通裂隙。隨著時間的推移，采空區左上角出現了較嚴重的應力集中，上部邊坡的尖角部位也出現了小范圍的應力集中現象，在進行現場爆破時對其應引起足夠重視。由圖5（h）可知：爆炸進行到0.1 s時，應力集中的部位在炮孔中心連線處、炮孔底部和空區的左上角，應力集中部位的最大應力達到125.7 MPa，遠大于巖體的抗拉強度，因此這部分巖體發生屈服。在后續采礦作業過程中，應特別注意空區左上角出現的應力集中現象，做好監測和防護措施，必要時可進行二次爆破，消除隱患。

特別是起爆后50 ms 是爆破應力波對邊坡底部作用范圍最大的時刻，故本研究據此來分析爆破荷載作用對上部邊坡穩定性的影響。由圖6可知：淺色區域巖體的有效應力值為47.41 MPa，超過了巖體的動態抗拉強度，巖體處于屈服狀態，深色區域的有效應力值小于41.92 MPa，巖體不會發生屈服。邊坡底部巖體的屈服范圍僅限于比空區邊界大2 m 的范圍內，該范圍內部分巖體達到了屈服強度。因此邊坡在爆破荷載作用下整體處于穩定狀態，不會發生邊坡失穩的次生災害。為了更準確地了解各個部位巖體的受力情況，取3 個部位的代表單元作為監測點，這3 個部位分別為：空區預留頂板中、炮孔之間的部分，代表空區頂板應力薄弱部位；炮孔填塞部分之間的部位，代表易出現大塊巖石的部位；空區左邊界以上部位，代表伸入坡面的采空區頂板。監測點位置和單元編號如圖7所示。

圖7所示的10個測點監測結果分別如圖8所示。

由圖8（a）可知：預留頂板處的巖體所受到的有效應力遠大于巖體本身的抗拉強度，403962 點的有效應力在起爆后60 ms 時已經達到71.31 MPa，巖體處于屈服狀態。而其他兩點（400024 點和433361點），所受到的有效應力達到80 MPa，并且還在不斷增大，這說明在爆破荷載作用下，空區頂板的破壞過程既不是一蹴而就的達到破壞狀態，也不是單因素作用產生的破壞，頂板巖體首先受到爆轟波和反射拉伸波的巨大破壞，頂板不會完全塌陷，隨后巖體在疊加應力波、爆生氣體、碰撞以及重力等綜合作用下發生破碎和塌陷，巖體的塌落過程是以秒來衡量的。由圖8（b）可知：對比空區頂板預留部分的應力，位于炮孔頂部之間的巖體所受到的有效應力較小，421793 點的應力峰值為66.51 MPa，小于預留部分應力最小的點349250 點（71.31 MPa），是因為對于炮孔炸藥來說，炮孔底部與采空區自由面的距離小于炮孔填塞，因此炸藥對空區頂板預留部分的作用更強，有利于空區得到有效處理，在采空區實際工程處理中，炮孔填塞可以適當加長。第一排和第二排炮孔填塞之間的巖體，在起爆后極短時間內的有效應力隨即達到了峰值37.50 MPa，之后在70 ms 之前，都維持在較高的水平，然后下降，這部分巖體達到了屈服強度。第二排和第三排炮孔填塞之間的巖體，在起爆后37.6 ms 時達到了有效應力峰值67 MPa，處于屈服狀態，但之后有效應力迅速下降，100 ms 時已經下降到10 MPa，低于巖體的屈服強度，這部分巖體在爆破后容易出現大塊巖石，塌落后隨即填充采空區。由圖8（c）可知：當采空區的形狀存在尖角或直角時，在角的部位會產生應力集中現象，有效應力峰值為66.81 MPa，范圍以交點為中心，半徑3 m 以內。其他各點距離最后一排炮孔11.6 m且位于坡底，有效應力變化趨勢一致，大小相近，起爆后40 ms 時達到了峰值54.98 MPa，巖體發生屈服，說明采空區得到了有效處理。

基于上述理論數值模擬研究，可以得出采空區處理的最佳爆破參數，即空區預留頂板厚度3 m，孔間延期時間42 ms，排間延期時間75 ms。

3 露天采場采空區現場爆破處理實例

3.1 采空區爆破崩落處理原則

針對大砬子采場采空區空間分布特點和頂板厚度變化規律（圖1、圖2），并依據上述采空區爆破處理數值模擬研究成果，提出了分區、分層處理多層不規則采空區的原則（圖9）。首先，針對頂板厚度≤41 m的區域，如圖9（a）中I 分區，可采用一次爆破誘導空區冒落，爆破后產生的松散巖石將順著空區底板的坡面充填部分剩余空區，并可通過鉆探驗證充填程度，而后研究進一步處理方案。其次，頂板厚度為41～72 m 的區域，如圖9（a）中陰影區域II 和III 分區，實施分層崩塌處理。第一分層高度15 m，待該階段處理形成+260 m 標高水平后，剩余部分則與IV 分區同水平進行穿孔爆破處理，可滿足一次性崩塌處理條件。同時，為確保處理效果，空區邊界用切割爆破處理。具體實施時，切割孔穿孔深度按照比空區頂板厚度少3 m 進行設計，孔位在空區內比空區邊界收縮5 m，并采用耦合裝藥，裝藥高度按照20 m 設計。切割孔內側按照三角形布孔方式布置輔助孔，孔網參數設計為7 m×7 m，穿孔深度比切割孔淺18 m，最大限度的改善空區頂板破碎程度。特別值得一提的是，每次安全爆破處理結束后，都應對未爆破空區區域進行補充勘探，以確定未爆破空區頂板變化在可控范圍內，后續再對下次爆破的采空區區域實施穿孔爆破作業。

3.2 采空區安全爆破處理

本研究以IV 分區為例進行采空區安全爆破處理流程分析。

（1）爆破處理孔網參數。采空區爆破采用孔徑為250 mm 的牙輪鉆機和孔徑為200 mm 的潛孔鉆機聯合鉆進，并根據巖石的可爆性以及數值模擬結果，爆破孔網參數取7 m×7 m，并按照矩形孔網或者三角形孔網布置。炮孔深度按照設計的預留空區頂板厚度為3 m，最大孔深達35 m。對于已經穿透頂板的炮孔，裝藥前將氣體間隔器放置在頂板底部上方2 m處或吊袋固定在頂板底部。炮孔填塞長度一般不低于孔徑的25 倍，按照5～7 m 設計，對于炮孔深度在30 m 以上的超大深度炮孔，可取填塞長度為7～10 m。針對IV 分區，涉及到的爆破處理采空區面積約2 500 m2，設計炮孔64個。

（2）爆破處理炸藥參數。采空區爆破處理主要采用乳化銨油炸藥，炸藥的爆轟性能經過具體現場試驗確定。在現場試驗時，選取合理的裝藥長度和填塞長度，并在孔底放置兩發400 g 起爆具。起爆后如監測到振動數據，則說明炸藥可完全爆轟；如果只觀察到水柱噴出，而無振感，則說明炸藥處于爆燃狀態，并沒有完全爆轟。通過現場試驗得出每個炮孔平均需要裝填乳化銨油炸藥400 kg，總藥量為25 600 kg，預計爆破量可達108 000 t，延米爆破量為58.8 t/m，總米道為960 m，平均炸藥單耗為0.237 kg/t。

（3）爆破處理的起爆方式。采空區爆破處理均采用高精度毫秒導爆管起爆方式，具體為孔中起爆，每個炮孔1 發500 g 起爆彈和2 發澳瑞凱高精度導爆管，爆區外連接50 m 導爆管。同時，根據上述數值模擬結果和現場處理條件，孔間延期時間取42 ms，排間延期時間取75 ms。在炮孔沒有穿透空區頂板的前提下，如果孔內無水，則優先選裝起爆能量較大的乳化銨油炸藥。具體起爆順序按照正常臺階爆破方式進行，臨近臺階自由面的炮孔先起爆，后逐孔起爆，以確?？諈^頂板徹底坍塌，大塊率控制在1%以內，同時不留根底，控制爆破震動。

通過上述采空區爆破處理流程和參數設計，對大砬子采區高陡邊坡內的不規則多層采空區進行了安全處理，實現了采空區處理的數值模擬計算與現場安全處理有機結合，保障了礦山安全生產。同時，在安全處理采空區的前提下釋放了部分鐵礦資源，取得了經濟效益與安全效益的雙重收益。

4 結 論

（1）采空區爆破模擬成果顯示起爆后50 ms，即第3 個炮孔起爆后16 ms，爆轟波對上部邊坡的作用范圍最廣，并隨著時間的推移在采空區左上角出現了較嚴重的應力集中，爆炸進行到0.1 s 時，應力集中在炮孔中心連線處、炮孔底部和空區的左上角，其最大應力可達到125.7 MPa，遠大于巖體的抗拉強度，可使部分巖體發生屈服。

（2）提出了分區、分層處理深部多層采空區的方案，對于頂板厚度小于41 m 的區域可一次爆破誘導空區冒落，且爆破后產生的松散巖石將充填剩余部分空區。對于頂板厚度為41～72 m 的采空區區域，可實施分層崩塌處理，并需在空區邊界進行切割爆破處理。

（3）提出了合理可行的大砬子多層采空區爆破處理參數，即爆破處理孔徑250 mm，孔網7 m×7 m，孔中起爆方式，空區預留頂板厚度3 m，孔間延期時間42 ms，排間延期時間75 ms，平均炸藥單耗0.237 kg/t，并在采空區進行了爆破實施，使得采空區得到了安全有效治理。