露天煤矿采空区快速治理的爆破技术张春

露天煤矿采空区快速治理的爆破技术张春

张春

中国葛洲坝集团易普力股份有限公司平朔项目部山西朔州036000

摘要：随着煤炭整合的深入，小煤窑私挖滥采得到了有效地遏制，但已给煤田造成了不可逆的破坏，尤其是近年以来，露天煤矿开采进程中，旧巷道、硐室形成的采空区塌陷、自燃已成为最大的安全隐患。为实现露天煤矿采空区的安全过渡，同仁们从勘探和治理等多方面做了很多努力。经过实践证明，煤巷采空区在揭露后，长期与氧气接触会大大提高其自燃的可能性，给穿爆工程带来很大的安全隐患。因此，露天煤矿采剥工程，在保证安全、精细施工的前提下，如何经济快速的剥离大规模采空区，成为一个亟待解决的难题。

关键词：露天煤矿；采空区；快速治理；逐孔起爆

引言：由于采空区在台阶底部增加了自由面，岩石破碎块度良好，且相较于普通深孔台阶爆破节省了炸药用量。逐孔起爆网路最大限度减小了爆破振动，炮孔在预制混凝土填塞段处形成反向爆破漏斗，起爆过程中没有出现冲炮，几乎没有飞石。爆后整个台阶呈现塌陷状，无大块岩石需二次机械处理，剥堆挖运后能清晰辨识采空巷道轮廓。文章主要针对某地区露天煤矿采空区快速治理的爆破技术方面进行分析，希望能给相关人士提供重要的参考价值。

1.工程概况

某地区煤炭进出口集团河曲旧县露天矿位于河曲县城东南27km处旧县乡范家梁村、硬地峁、何家焉一带，行政区划属河曲县旧县乡，其地理坐标为北纬39°05′１８″～39°09′45″，东经111°09′55″～111°13′50″。露天矿开采涉及到爆破工程的主要是坚硬表土层、基岩层、风化基岩层以及煤顶板的剥离。根据物探结果，首采区西部存在多处采空巷道，已探明的采空区区域如图１所示。

图1.露天西部采空区范围：

目前该采空区区域地表为12＃煤顶板，标高为970ｍ，往下约7.5m为赋存厚度2.5m的12＃煤，其下分别为13＃煤顶板和13＃主煤层。采空巷道主要存在于13＃主煤层内，少部分存在于上部各岩层内。

2.采空区处理方案选择

2.1难点分析

此次采空区范围已通过物探探明，13＃煤、12＃煤及采空巷道上部砂夹石都存在不同程度的采空区，部分采空区上覆岩层厚度极小，盲目运用传统采剥方法，易造成采空区塌陷事故，给人员和机械带来极大的安全风险。地下采空巷道存在多年，环境相对封闭，暂时无自燃和高温情况发生。但采空区内散煤较多，煤质易燃，且采空区域较大，拖沓处理极易造成散煤与空气充分接触发生自燃，增大采空区治理难度，所以要求快速治理采空区。

2.2方案选择

露天煤矿剥离工程出现采空区，通常的方法有：①封闭采空区域；②矸石充填采空区；③注浆加固采空区；④爆破塌落采空区。在露天矿生产过程中，综合考虑到煤炭回采率、采煤经济效益以及采空区处理时间等多方面因素，以爆破塌落采空区方法最为经济高效，且提高煤炭回采。根据采空区物探结果和采空区上覆岩层安全厚度计算，结合现场机械铲运能力和安全生产要求，决定采用高台阶一次处理的爆破方法，最大穿孔深度达24.5m。该方案充分利用采空区形成的爆破新自由面，采用悬吊预制混凝土堵孔、大孔网参数爆破方式，具有材料简单、操作便捷等特点，不增加充填、注浆等新工序，能有效降低爆破单位炸药消耗量，同时增大单次爆破区域，从而高效快速通过采空区域，不影响露天矿正规循环作业。

3.爆破设计

3.1采空区预处理

从经济和实效方面考虑，采空区预处理中摒弃了空气间隔柱和吊袋式孔底填塞，采用悬吊预制混凝土填塞柱处理方法，使填塞材料与周围岩层波阻抗相匹配，并提高了采空区预处理的效率，节约了施工成本。根据地质勘探图纸，利用彩带表明采空区大致区域，并安设采空区危险警示牌，避免其他机械、人员进入；在采空区区域内采用红色塑料袋装土来表明拟穿孔具体位置，精确设计炮孔孔网参数。为了精细施工，进行专项培训钻机司机，穿孔的同时指派专人对炮孔进行深度、角度验收，对打穿至采空区的炮孔进行塑料袋填塞标记，并在图纸上表明炮孔拟爆破深度。专人制作混凝土炮孔填塞柱，埋设铁丝，并填塞编织袋，使其与炮孔耦合；将混凝土填塞柱悬吊至设计爆破深度，并固定。然后填50cm土，重新记录填塞后炮孔深度，为药量计算提供数据[1]。

3.2爆破参数

第一，孔网参数。深孔爆破以梅花形方式布孔，采用φ140MM钻机钻孔，选取钻孔直径D＝140mm。为加快采空区处理速度，采用连续装药结构。炮孔布置采用排间延时爆破方法，前排孔间延时小于50ms，排间延时小于70ms。根据处理后采空区炮孔深度，选定炮孔深度Ｌ＝24.5m；因炮孔底部为松软煤层，不设炮孔超深；底盘抵抗线W＝（25～35）D＝30×0.4m＝4.2m；根据工程经验，孔距ａ选取6m；排距ｂ＝ａ＝6ｍ[2]；填塞长度L1＝4.5m；装药长度L2＝L－L1＝20m；对大块石利用卡车运输至指定场地进行二次破碎加工，杜绝在爆区原地进行二次爆破解小，防止爆破飞石及冲击波危害。第二，装药参数。根据类似松动爆破工程经验和反复核算结果，选定单位炸药消耗量ｑ＝0.3kg／m3；单孔最大装药量Q＝a×b×H×q＝6×6×24.5×0.3kg≈265kg。拟采用梅花形布孔，每排炮孔３０个，单次起爆炮孔排数为５排，一次共计处理采空区炮孔150个，则总药量Q总＝39.75t。第三，网路设计。为确保爆破施工安全和取得良好的爆破效果，并综合考虑起爆网路的经济效益，深孔爆破采用非电高精度导爆管雷管起爆网路。由于单孔药量较大，使用逐孔起爆更有利于爆破有害效应的控制。由于采用连续装药结构，孔内采用双发600ms高精度导爆管雷管，其中1发雷管布置在底部，使炸药爆炸形成朝向采空区内的反向漏斗，1发雷管布置在炮孔中部，破坏上覆岩层的整体性。主控排选用25ms高精度导爆管雷管，排间选用42ms高精度导爆管雷管。采空区区域较大时可采用以采空区为中心的环形起爆方式，采空区域较小时采用传统台阶爆破起爆网路同样能取得较好的爆破效果[3]。

结论：

简而言之，文章针对小煤窑私挖滥采破坏煤田完整性，在井工煤矿改露天煤矿后形成大范围的采空区，塌陷、自燃等地质灾害给剥离工程带来很大的安全隐患。以山煤集团河曲旧县露天煤业有限公司首采区基建工程中大规模采空区治理为例，结合采空区易陷落坍塌、上覆岩层厚度不均匀、处理时间紧张等特点，运用预制混凝土柱填塞贯穿炮孔，采用高精度非电导爆管雷管起爆网路，使用逐孔起爆技术，对采空区区域进行穿煤一次处理。并在利用爆破手段快速剥离露天煤矿大规模采空区的同时，获得了快速处理采空区的经验。

参考文献：

[1]衣方，李泽华，李孝林，等．露天矿采空区综合治理爆破技术方案[J].露天采矿技术，2018，33（3）：65－68．

[2]顾毅成，史雅语，金骥良．工程爆破安全[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2019．