人工放顶在采空区处理中的应用

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(太原西山石膏矿，山西 太原 030027)

引言

太原西山石膏矿开采的是以湖泊相沉积的石膏矿床，开采层位厚度大、稳定性好，围岩以白云岩、白云质泥灰岩为主，岩性强度中等，开采方法采用房柱式开采，规格为：矿房10 m×10 m，矿柱8 m×8 m，开采区每采5个矿房，留设10 m左右的连续矿柱，确保回采期和空区放顶以及其他开采区的安全。开采石膏矿体位于海拔1 050～1 250 m之间。

西山石膏矿人工放顶可追朔到20世纪80年代初期，当时西山石膏矿接管了日本在侵华战争时期开采过的矿山。为消除采空区对生产安全的威胁，提高矿产资源开采回收率，同时为采空区下部矿组资源的开发创造条件，西山石膏矿对采空区进行了人工放顶处理。经过几十年来的研究、试验、实施，获得了对采空区人工放顶处理的基本数据，并付诸实施于大的采空区人工放顶处理。

上庄采空区位于西山石膏矿新矿区的西南部，是当地农民于20世纪80年代初乱采滥挖遗留下的无规划的采空区，面积约4.8万m2，严重威胁到新建矿山的开采安全。为了消除采空区的威胁和尽可能多地提高采空区的矿石回收量，西山石膏矿对其进行了人工放顶处理和资源回收。本文对该采空区人工放顶处理方法、施工技术与安全措施进行介绍。

1 采空区处理方案

1.1 采空区处理的一般方法

采空区处理(含矿石回收)采用后退式，南北挤压式，即从采空区西南部开始将采空区分成10个片区(见图1)，按片区的具体位置合理安排处理顺序。

图1 采空区的片区划分

片区划分原则为：

(1)放顶跨距大于直接顶板的最小跨距。

(2)采空区内有断层、褶皱等地质构造时，充分利用构造弱面作为放顶边界。

(3)选择有足够支撑能力的矿柱作为放顶界的隔离带，其支撑能力应满足放顶前原岩压力的3～4倍(进行原岩压力计算)。

(4)考虑放顶所产生的冲击气流及岩层垮落振动对相邻采空区的影响，一次放顶面积不宜过大。

(5)放顶采空区的几何形状与顶板垮落有密切关系，方形和矩形有利于崩落，应充分加以利用。

1.2 采空区的处理顺序

采空区处理本着缩短工期、合理配备设备、连续作业、保证施工安全的原则，结合现场的实际情况，片区划分的顺序为：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ，按从里到外、从两端到中间的顺序进行。

1.3 施工工艺

在所划分的片区中，逐个片区按从里向外的顺序先爆破底板矿石，然后缩采矿柱。矿柱最好以3 m×3 m为限，最小应≮2 m×2 m，再利用底板和缩采矿柱爆破的炸堆挑落顶板护顶矿石，并布设强制崩落的炮孔于整个片区，最后进行矿石的回收。底板回采爆破与矿山采矿方法相同，这里不再赘述。

2 矿柱缩采爆破

缩采矿柱时采用浅眼爆破，根据现场具体情况，有关的凿爆参数，参照现场回采的爆破参数确定。并控制好一次装药量，防止整个矿柱被破坏。一次装药量按(1)式计算：

Q={[f(n)1/3v/K]2/3r}3/a

(1)

式中：K——随岩石物理力学性质变化系数，根据现场情况取K=70；r——震动点到爆破点的距离，m；v——岩石颗粒破坏时的震动速度，取v=12 cm/s；f(n)——爆破作用指数函数，f(n)=1；a——安全系数，取a=1.5。

3 崩柱切顶爆破

崩柱切顶爆破是采空区处理中的主要爆破工作，关系到放顶的效果。其目的是通过该爆破，按预定的范围安全而有效地将支撑矿柱崩倒，将顶板切割槽爆破出来，实现顶板的自然塌落并充满采空区，同时又不能对邻近采空区产生影响，因此，凿爆参数的计算与选取非常重要。

3.1 凿岩参数选取

3.1.1 最小抵抗线w

(1)切顶眼：其最小抵抗线按(2)式计算：

w=Lm+1/2Lz

(2)

式中：Lm——炮孔装药深度，m；Lz——炮孔堵塞长度，m。 炮孔的深度一般为护顶矿的厚度+10%的超深，但必须通过下面的(3)式进行校验。

n=2/3×(πΔd2/L2·q)1/3

(3)

式中：L——炮孔深度，m；Δ——装药密度，1 kg/m3；q——单位炸药消耗量，0.5～0.7 kg/m3；d——炮孔直径，dm。 如果n<0.8，则适当调整炮孔装药的深度，使n≥0.8。

(2)矿柱深孔：其最小抵抗线按(4)式计算：

w=d(7.85ΔI/m·q)1/2

(4)

式中：Δ——装药密度，1 kg/m3；I——深孔装药系数，取I=0.8；d——深孔直径，m；m——炮孔系数，对于扇形孔，孔底取m=1.2，孔口取m=0.4；q——单位炸药消耗量，1～1.1 kg/m3。3.1.2 孔间距(a)与排距(b)

(1)切顶眼：根据药包齐发爆破理论，两个药包间距等于最小抵抗线时，拉槽效果最佳。即：

a=b=w

(5)

(2)矿柱线眼：平行布置炮孔，一排上下布置2个炮孔。孔间距与排距取值为：

a=1.5w

(6)

b=w

(7)

(3)矿柱深孔：

a=b=mw

(8)

3.1.3 堵塞长度

(1)顶板眼：

Lm=L/2

(9)

(2)矿柱浅眼：Lm=(L-L2)/2

(10)

(3)矿柱深度：

Lw=0.8w

(11)

3.2 爆破药量的计算

根据切顶面积和矿柱大小不同，分别确定其爆破药量。

3.2.1 单位炸药量取值范围

(1)切顶眼：0.5～0.7 kg/m3。

(2)矿柱浅眼：0.45～0.55 kg/m3。

(3)矿柱深眼：1～1.11 kg/m3。

3.2.2 单位炸药量计算

(1)切顶眼、矿柱深孔的爆破药量按(12)式计算：

Q=LzπΔd2/4

(12)

(2)矿柱线眼的爆破药量按(13)式计算：

Q=qw2L

(13)

式中：L——矿柱宽度，m。3.2.3 总装药量

总装药量按(14)式计算：

Q总=∑Qi

(14)

式中：n——炮眼(孔)总数；Qi——单个孔装药量，kg/m3。

3.3 爆破震动范围控制

相对来讲，崩柱和切顶爆破的点多，一次爆破药量大。为确保顶区周围采空区的安全，每次起爆的最大药量按(15)式进行控制。

V=k/f(n)1/3(Q1/3r)1.5

(15)

式中：r——实际保护点到爆破点的距离，m。 要求爆破点爆破时的震动速度<14 cm/s。

3.4 爆破网络

为了保证爆破工作安全可靠，便于对网络进行检查，减少爆破震动，一般采用高能起爆毫秒微差爆破。为了保证安全准爆，每个孔内安放两个并联电雷管，孔向实行串联。起爆顺序为：矿柱→片区四周顶板→片区中部顶板。

4 结语

西山石膏矿经过多年来数次的采空区人工放顶实践，使得采空区达到了人工放顶的预期效果，不仅消除了矿山的不安全隐患，同时对采空区遗弃的资源进行了回收，创造了经济效益，同时为下一矿组的开发利用打下了基础。