无侧向自由面相邻采空区处理技术分析

方 翔，陈晶晶，韩 振，张兵兵，蓝 宇，张岗涛

(1.宏大爆破有限公司，广州 510623；2.广东省大宝山矿业有限公司，广东 韶关 512100)

采空区隐蔽性强、形态不规整，传统的探测手段难以确定其存在形态及参数，严重威胁了露天矿山安全开采。而三维激光扫描仪、探地雷达、高密度电磁法等先进的探测设备和手段，相比传统钻孔勘查，具有探测范围广、可视化效果好、精度高等优点，在采空区安全隐患排查中，得到了越来越广泛的应用。

崔晓荣等[1]采用三维激光扫描技术测得的采空区规模及相关参数与实际情况较为吻合，为有效处理采空区提供了保证。马志敏[2]基于探地雷达操作简单、精度高的特点，分析了其工作原理，将其应用在隐蔽采空区探测中，得到了采空区的形状及分布情况，为采空区的探测提供了新思路。赵奎[3]采用高密度电法分析了采空区的电阻率分布情况，得到了采空区的位置及相关参数，验证了高密度电法的可行性，有利于采空区的精准预测。马法成[4]通过微震监测系统成功预测了采空区失稳时间及所在区域，降低了采空区的危险程度，具有较好的预测能力。在采空区稳定性分析方面，李玉飞[5]建立了采空区顶板的力学模型，基于能量守恒原理及突变理论，得到了顶板安全厚度的计算公式，并进行了现场验证，理论计算的结果与实际较为接近。李真[6]利用理论分析得到了采空区顶板安全厚度，采用模拟软件分析了采空区应力的变化规律，并进行现场验证，其变化规律处在合理范围内。王运敏等[7]将三维激光扫描技术获取的采空区点云，导入到Dimine软件中生成了采空区的实体模型，并通过FLAC3D软件模拟了采空区的应力及变形情况，为分析采空区的稳定性提供了有效参考。采空区的处理手段较多，但露天矿山较常用的是强制爆破处理。崔晓荣等[8]通过比较采空区的不同处理手段的优缺点，认为爆破处理更为有效，并提出了露天矿采空区的治理模式。刘维东[9]给出了采空区顶板最小安全厚度与跨度的关系，并在采空区现场处理中采用爆破技术成功消除了采空区的安全隐患。周文勇[10]以某地采转露采的矿山采空区为背景，通过比较不同种采空区处理方案，最终得出采用强制爆破法，治理效果较好。林谋金[11]依据三维激光扫描得出的采空区参数，结合经验公式评价了采空区顶板的稳定性，采用局部爆破法成功消除了采空区的安全隐患，并对采空区的填充效果进行了评估，确保了后续施工的安全性。贾宝珊等[12]采用正常深孔爆破技术，一次性成功治理了多层采空区，消除了采空区的安全隐患，处理效果良好。

综上所述，采空区探测手段种类日趋丰富，应用技术较为成熟，可为采空区治理提供有效的技术支撑。但受制于地质环境，有一些采空区处理不存在自由面，增加了处理难度。如何在无侧向自由面的条件下，有效治理相邻采空区，具有一定研究意义。

1 工程背景

大宝山露天矿为多金属矿山，地下蕴藏着丰富的铁、铜、铅、锌等矿石，经济价值较好。早期矿山采用井工开采，地下各类巷道及未处理的采空区较多。后期为了提高矿石采出率，改用了生产效果更好的露天开采模式，井工开采遗留的采空区则成了巨大安全隐患。

一般而言，自由面的存在是采空区得以有效处理的一大关键，自由面个数多，分布范围大，使得采空区的处理更为有效便捷。自由面破坏了岩层的完整性，由原来的三向受力状态，转变为双向受力或单向受力状态，降低了岩层的强度，有利于爆破能量的集中释放。但对于特殊地段无侧向自由面时，采空区的处理难度就加大了。由于早期地采无序，大宝山矿存在多个无侧向自由面采空区。

大宝山露天矿台阶高12 m，矿岩开采以中深孔爆破为主，在北部721 m平台某工作面下方存在编号为700的相邻采空区(见图1)。二者的距离较近，相互影响，且无侧向自由面，但该工作面矿石品位较高，需要进行有效回收利用。

图1 相邻采空区(平面)Fig.1 Adjacent goaf(plane)

2 三维激光扫描技术

采空区有效治理需要准确了解其赋存状态及参数，最为常用的探测手段是三维激光扫描技术,使用该技术在探测孔内获取采空区的三维图像(见图2)，快速确定采空区现状。其原理是利用矿岩及空洞对激光反射的差异性，通过人工向已打穿的钻孔内投放三维扫描仪，几分钟即可探明地下采空区的坐标位置、深度、范围等参数，并显示在电脑上，然后对采空区参数进行输出、建模，生成可视化效果好的采空区三维模型。

注：数字为采空区的坐标位置；X、Y为空间坐标。图2 采空区扫描结果Fig.2 Goaf scan result

通过三维扫描，可了解采空区顶板厚度的分布情况；根据软件后期处理，可得到相邻采空区各项参数(见表1)，为分析采空区的稳定性提供了依据。

表1 采空区的相关参数Table 1 Related parameters of goaf

通过查询原有地质资料，发现该采空区面积相较于早期扫描(183.4 m2)增大一倍，扫描结果显示地下空区的形态很不规则，故在后期处理时应关注采空区顶板变薄的情形。

依据矿区长期的采空区处理经验及科研机构提供的公式[13]：

h=0.71b-1.02

(1)

式中：h为采空区顶板安全厚度，m；b为最大跨度，m。

计算得h=13.18 m，而该采空区的顶板厚度为24.7 m和24.1 m，表明该采空区处于相对安全状态，但出于出矿需要，应尽早有效处理隐患。

3 爆破方案设计

基于该相邻采空区所在上部平台不具备布置辅助自由面的情况，采用原地崩落采空区顶板，在721 m平台进行钻孔作业，在两采空区所在位置进行爆破，并且要求采空区范围内的钻孔尽可能打穿采空区顶板，在此基础上，需要设计合适的爆破网路和装药方式。

3.1 相邻采空区钻孔布置

考虑到721 m平台下方的两个采空区(700-1#、700-2#)规模较大，为了确保施工效果，应布置较多的钻孔，实现采空区的全覆盖。并结合三维激光扫描结果，保证钻孔打穿率达90 %以上。根据实际需要，本次相邻采空区处理共施工63个钻孔，预计孔深总长度在990 m左右。最小孔深为7.1 m，最大孔深为28 m。钻孔的种类也有所不同，可分为切割孔、加密孔、正常孔，孔径均为140 mm(见图3)。

注：“20.5未穿”等表示钻机所钻的深度，且未打穿；“14～19.5”等表示炮孔深度范围。图3 相邻采空区钻孔布置Fig. 3 Drilling layout of adjacent goaf

1)切割孔。在相邻采空区的边缘及两者的中间地带，布置一定数目的切割孔，孔深不小于20 m，起到分离采空区的作用，使之独立。

2)正常孔。根据扫描结果及现场实际情况，在采空区范围内布置大量的正常孔，以钻孔打穿为准。如果不能打穿，则需要继续打设，且炮孔深度不小于20 m。

3)加密孔。考虑到采空区规模大，为了确保爆破振动及挤压作用效果，在正常孔与正常孔之间、切割孔与切割孔之间、正常孔与切割孔之间进行适度调整，布置少量的加密孔，炮孔深度不小于20 m，起到局部爆破振动效应增强的作用，从而崩落采空区。

3.2 装药量

由于该相邻采空区不存在侧向自由面，故在药量上有所加大，用于增大爆破振动效应[13]。钻孔孔径为140 mm，垂直穿孔，采空区范围内的钻孔采用连续装药，其中孔底吊孔填塞2.5 m，上部填塞4.5 m，双发雷管起爆。吊孔时位置大于孔底50 cm，以保证底部有效的填塞，防止冲孔。实际设计中，单孔最大药量为189.28 kg，总药量达8 432.26 kg，爆破规模较大，部分炮孔深度及装药量如表2所示。起爆位置在采空区中部，采用毫秒延时起爆，起爆网路连接如图4所示。根据实际需要，采空区炮孔延时时间有所不同，共采用段别为MS2～MS10的非电导爆雷管起爆。

表2 部分炮孔深度及装药量Table 2 Part of blasthole depth and charge amount

图4 起爆网路Fig.4 Detonation network

4 应用效果分析

现场起爆时，通过监控发现采空区有明显沉陷现象。等待30 min后，该相邻采空区边缘地带存在明显下凹、拉裂现象，布置的切割孔及加密孔有利于采空区的顶板崩落。由于岩石松散系数的存在，爆破后岩石较为松散，且采空区的高度并不是很大，导致两采空区的中部呈现局部隆起状态，较为符合预期。通过现场721 m平台的检查及上部平台的俯视观察，表明该爆破施工方案成功消除了无侧向自由面相邻采空区的安全隐患。

在相邻采空区的分离处存在明显地分割现象，塌陷现象较为明显，表明通过增强爆破振动效应，起到了良好的作用，消除了相邻采空区中间地带的安全隐患。此外，相比较其余位置，采空区中部岩石块度较小，表明中部药量偏大，在以后处理类似采空区时可适当降低中部装药量。

5 结语

掌握自由面的个数及范围是处理采空区的关键难点之一，而无侧向自由面的存在，无形中增加了相邻采空区的处理难度，需要进行有效探测及爆破处理。

1)通过分析无侧向自由面相邻采空区的处理难度，采用三维激光扫描技术探明了该位置相邻空区的分布情况，结合采空区稳定性评价公式及消除安全隐患的目的，认为该相邻采空区需要及时处理。

2)给出了钻孔布置方式，考虑到爆破振动效应及岩石间的挤压作用，将其分为切割孔、加密孔及正常孔，并进行了装药量设计，在采空区中部进行起爆。

3)现场检查结果表明，该相邻采空区的实施效果呈现中部隆起，边缘凹陷，中间地带分割的现场，考虑到采空区中部高度不大，符合实际情况，为类似采空区的处理提供了参考。