一种逐孔起爆爆破处理废弃采空区方法与流程

本发明属于一种废弃采空区处理方法，即采用爆破技术对废弃采空区处理，消除废弃采空区引起的地质灾害。

背景技术：

矿产资源的开采在地表以下留有“空洞”，不同采矿方法开采资源后残留的采空区范围和形态有所差别，近年来我国对矿产资源的需求增加，矿山的开采强度相应增加，由于废弃采空区的坍塌造成事故频发，严重威胁着周围居民的人身和财产安全，同时也对生态环境造成危害，

2016年4月19日北京房山区(北纬39.9度、东经115.8度)煤矿造成的塌陷，引发2.7级地震，未发现人员伤亡；2016年3月23日22时10分，同煤集团同生安平煤业公司5号煤层8117综采工作面发生采空区大面积垮落形成暴风安全事故，造成19人遇难；2015年1月4日榆林麻黄梁镇二敦村发生煤矿采空区塌陷事故引发2.5级地震；2015年12月25日山东平邑县废弃石膏矿采空区坍塌，引发4.0级地震，路面出现大面积断裂塌陷，造成人员伤亡和严重社会影响；2013年6月23日随州市随县一处采空区发生塌陷事故，导致6名工人被埋。2005年11月6日，河北省邢台县石膏矿发生坍塌事故，事故共造成31人死亡，33人受伤，尚有4人下落不明；

目前处理采空区的方法，主要有(1)充填法，即在开采过程中或开采结束后，用充填材料对采空区充填，利用充填材料支承采空区围岩，防止采空区坍塌。如专利(CN102606205A)公开了地下采空区的原位处理方法；(2)空场法，即通过留设矿柱或人工支柱支承采空区围岩，防止采空区坍塌，随着地下水或开采扰动矿柱或支柱失效，仍会存在采空区坍塌的风险。(3)崩落法，即通过人工或自然地压破坏采空区围岩，诱发采空区的部分围岩冒落充填采空区，该方法存在围岩冒落不能充分填满采空区，仍存在采空区坍塌的风险。

如何有效处理采空区，又能防止采空区坍塌造成在灾害，申请人提出采用逐孔起爆爆破处理废弃采空区方法，即通过爆破手段破坏采空区围岩，同时降低爆破震动和采空区围岩坍塌造成的地质灾害，限制逐次起爆炸药量和垮落围岩的岩石量，实现处理采空区。

技术实现要素：

为了克服现有采空区处理方法和已有专利技术所存在的不足，本发明在于提供一种逐孔起爆爆破处理废弃采空区方法，防止废弃采空区坍塌造成在灾害，同时降低爆破震动和废弃采空区围岩坍塌造成的地质灾害。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种逐孔起爆爆破处理废弃采空区方法，由①废弃采空区危险性评价，②确定废弃采空区范围，③爆破参数设计，④废弃采空区爆破处理效果评价组成。

废弃采空区危险性评价分为以下两种情况：

①废弃采空区上覆稳定岩层厚度计算及危险性评价：

$H=\frac{L}{8}\×\frac{\mathrm{\ρ}gL+\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2{g}^2{L}^2+16{\mathrm{\σ}}_x(p+p_1)}}{{\mathrm{\σ}}_x}$

式中，H废弃采空区上覆稳定围岩厚度，m；L废弃采空区最大跨度，m；ρ废弃采空区上覆岩层加权平均密度，kg/m³；σ_x废弃采空区上覆岩层加权平均许用抗拉强度，KN/m²；β上覆岩体移动角，°；p地面设备冲击载荷，KN/m²；p₁地面建筑物对废弃采空区上覆岩层的单位压力，KN/m²；

危险性评价标准：H≤H_s，即废弃采空区上覆稳定围岩厚度H小于或等于废弃采空区上覆实测围岩厚度H_s时，必须对废弃采空区上覆围岩采用逐孔起爆爆破处理；

②采用顶板围岩垮落法处理废弃采空区充填厚度危险性评价：

H₁＝H_k+H_c

式中，H_k空隙高度，m；H_c岩块充填厚度，m；H₁垮落带高度，m；M开采矿体厚度，m；K_s岩石碎胀系数，取1.05-1.5；α矿体倾角，°；

危险性评价标准：H_k≥K_sH，即废弃采空区残留空隙高度大于或等于废弃采空区上覆稳定围岩厚度与岩石碎胀系数的乘积时，必须对废弃采空区上覆围岩采用逐孔起爆爆破处理；

废弃采空区范围确定的内容：收集矿山开采资料，测绘实际废弃采空区范围，钻探验证确定废弃采空区边界，为后期逐孔起爆爆破施工提供安全的作业环境；

①测绘实际废弃采空区范围，综合运用地球物理探测和三维激光扫描系统C-als测定废弃采空区埋藏深度、高度及范围等参数，得出了废弃采空区形态特征及展布延伸状况，为合理的废弃采空区处理方案提供了依据；

②钻孔勘探，根据前期资料及地球物理探测确定废弃采空区的范围，钻孔须穿透下部空区，确定空腔高度，准确判断废弃采空区形态及展布延伸情况；

逐孔起爆爆破参数由调整孔网参数、装药结构、连线方式，起爆顺序组成，具体包括：

①装药结构，当爆破钻孔施工出现漏浆，停止钻孔施工，对孔底充填1.0m粘土，采用间隔装药，即安装炸药4.0m及延期雷管，安装空气间隔器4.0m，再安装有效炸药长度及延期雷管，安装空气间隔器6.0m，再安装炸药10.0m及延期雷管，孔口填塞高度为20-40倍的钻孔直径；

②爆破网络采用并联连线方式，炮孔内的延期雷管之间采用串联连线方式；每个炮孔内的延期雷管并联连接到主导爆索上；

③起爆顺序，靠近孔底延期雷管延时采取600ms，靠近孔口延期雷管延时上部625ms的孔内微差爆破，孔外延期雷管延时间隔采用25ms，起爆点采用瞬发雷管，其他孔外延期雷管延时间隔依次增加25ms；

④因废弃采空区顶板岩石存在上下两个自由面，为使爆破岩渣充分回填至空腔内，应以下部自由面为岩石挤压方向。根据该废弃采空区的空间形态、炮孔深度、炮孔与空区边界距离，以及周边正常孔装药量和岩石力学性质进行调整；

废弃采空区爆破处理效果的验证，采用塌落深度来衡量，即实际测量的塌陷深度与理论计算的塌落深度相比较评价是否达到预期效果。

废弃采空区塌陷爆破深度的计算公式：

H₀＝(h+H)-HK_s(1-α)

式中，H₀为爆堆塌落深度，m；h为废弃采空区空腔平均高度，m；H为废弃采空区顶板平均厚度，m；K_s为岩石松散系数，取1.05-1.5；α为周边孔引起土岩净抛出系数，一般取5％。

本发明的有益技术效果在于：

①防止废弃采空区的坍塌造成人员和财产损失的事故。

②逐孔起爆爆破废弃采空区上覆岩体，防止整体坍塌造成的地震次生灾害。

附图说明

图1覆盖层满足施工条件下炮孔与废弃采空区关系立面示意图

图2覆盖层满足施工条件下炮孔与废弃采空区关系平面示意图

图3薄覆盖层的炮孔与废弃采空区关系立面示意图

图4薄覆盖层的炮孔与废弃采空区关系平面示意图

图5逐次起爆网络图

图6装药结构示意图

图中：1-炮孔 2-矿柱 3-废弃采空区 4-裂隙发育层 5-上覆围岩 6-导爆索 7-废弃采空区边界 1-1-孔底回填 1-2-炸药 1-3-空气间隔器 1-4-延期雷管 1-5-孔口填塞 1-6-孔内导爆管

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

废弃采空区灾害的形成

由于地下矿石被采出，在自然地表下形成空区，同时围岩原有的应力平衡状态被改变，采空区(3)上覆围岩(5)将有不同程度的变形和破坏，当采空区(3)暴露面积达到一定范围、上覆围岩(5)受到开采影响、地下水对上覆围岩(5)的软化等作用，废弃采空区(3)残留的矿柱(2)及上覆围岩(5)的破裂，引起上覆岩体的移动和变形会扩展到地表，当破裂上覆围岩(5)的不足以支承上覆岩体的载荷时，形成废弃采空区(3)上覆岩体的整体坍塌，从而破坏地表建筑物，造成环境问题，大量岩石落入废弃采空区(3)造成的冲击，引起次生地震灾害。

废弃采空区危险性评价

空场法开采作为一种常用的采矿方法，在矿山生产中被广泛使用，主要是依靠留设矿柱(2)支承上下盘围岩，控制地压和防止上覆围岩(5)的坍塌，残留矿柱(2)在地下水、采动影响、爆破震动等作用下，矿柱(2)的强度会降低，甚至破坏，废弃采空区(3)上覆围岩(5)失去矿柱(2)支承作用，废弃采空区(3)上覆围岩(5)就有坍塌风险，对于这类废弃采空区(3)上覆围岩(5)坍塌危险性评价标准：H≤H_s，即废弃采空区(3)上覆稳定围岩厚度H小于或等于废弃采空区(3)上覆实测围岩厚度H_s时，必须对废弃采空区(3)上覆岩层采用逐孔起爆爆破处理。

当采用自然垮落法管理采场地压时，随着矿石的开采，部分上覆围岩(5)自然垮落，破碎的岩石体积增大，充填到采空区(3)，如果破碎的上覆围岩(5)能完全充填，依靠破碎的岩石支承未垮落的上覆围岩(5)，则不存在采空区(3)整体坍塌的风险；若破碎的上覆围岩(5)不能完全充填，且废弃采空区(3)残留空隙高度大，则存在废弃采空区(3)整体坍塌的风险，上覆围岩(5)垮落法处理废弃采空区(3)充填厚度危险性评价标准：H_k≥K_sH，即废弃采空区(3)残留空隙高度大于或等于废弃采空区(3)上覆稳定岩层厚度与岩石碎胀系数的乘积时，必须对废弃采空区(3)上覆岩层采用逐孔起爆爆破处理。

确定废弃采空区范围

采空区(3)的形成是在矿石被采出后形成的，开采设计资料是矿山开采的依据，通常采空区(3)范围和开采设计是一致的，但随着时间的延长采空区(3)残留的矿柱(2)破坏失效和上覆围岩(5)的破坏，废弃采空区(3)范围也会变化，则需要测绘实际废弃采空区(3)范围，综合运用地球物理探测和三维激光扫描系统C-als测定废弃采空区(3)埋藏深度、高度及范围等参数，得出了废弃采空区(3)形态特征及展布延伸状况，为合理的废弃采空区(3)处理方案提供了依据；根据前期资料及地球物理探测确定废弃采空区(3)的范围，钻孔须穿透下部空区，确定空腔高度，准确判断废弃采空区(3)形态及展布延伸情况。

爆破参数设计

逐孔起爆爆破参数由调整孔网参数、装药结构、连线方式，起爆顺序组成，具体包括：

废弃采空区(3)上覆稳定岩层厚度能满足爆破作业安全施工要求时，在废弃采空区(3)的自然地表布置凿岩设备及施工作业，钻孔施工顺序采用从中间向周围施工垂直炮孔(1)；当钻孔内的泥浆流失量超过正常损失，即认为钻孔施工到废弃采空区(3)上覆围岩(5)裂隙发育层(4)，对钻孔孔底回填(1-1)1.0m粘土，并挤压密实；进行下一个钻孔，依次施工完所有设计钻孔，并对每个钻孔的孔底回填(1-1)。

装药作业，按照设计的装药结构，依次装填孔底炸药(1-2)、延期雷管(1-4)和导爆索(1-6)，空气间隔器(1-3)，孔中段炸药(1-2)、延期雷管(1-4)和导爆索(1-6)，空气间隔器(1-3)，孔中段炸药(1-2)、延期雷管(1-4)和导爆索(1-6)，孔口填塞(1-5)；依次对所有钻孔进行装药作业。

爆破网络，按照设计顺序用主导爆索(6)起爆点雷管，第一个钻孔孔外雷管，第二钻孔孔外雷管，依次连接其他孔外雷管，即形成炮孔(1)内的延期雷管(1-4)之间采用串联连线方式；每个炮孔(1)内的延期雷管(1-4)并联连接到主导爆索(6)上，最终形成起爆网络；

起爆顺序，靠近孔底和孔中段延期雷管(1-4)延时采取600ms，靠近孔口延期雷管(1-4)延时上部625ms的孔内微差爆破，孔外延期雷管(1-4)延时间隔采用25ms，起爆点采用瞬发雷管，其他孔外延期雷管(1-4)延时间隔依次增加25ms。

废弃采空区(3)上覆稳定岩层厚度不能满足爆破作业安全施工要求时，凿岩设备及施工作业布置在废弃采空区(3)边界上覆围岩(5)移动范围之外，钻孔施工采用倾斜方式，钻孔的孔底均位于废弃采空区(3)上部岩层内，首先施工内圈钻孔，其次第二圈钻孔，依次向外施工；靠近采空区(3)的内圈钻孔倾角与水平面的夹角小，其次第二圈钻孔倾角与水平面的增大，其他圈的钻孔夹角依次增加；每圈之间孔底间距控制在30-40m范围内。

当钻孔内的泥浆流失量超过正常损失，即认为钻孔施工到废弃采空区(3)上覆围岩(5)裂隙发育层(4)，对钻孔孔底回填(1-1)1.0m粘土，并挤压密实；进行下一个钻孔，依次施工完所有设计钻孔，并对每个钻孔的孔底回填(1-1)。

装药作业，装药作业顺序由靠近采空区(3)的内圈向外圈依次施工，按照设计的装药结构，依次装填孔底炸药(1-2)、延期雷管(1-4)和导爆索(1-6)，空气间隔器(1-3)，孔中段炸药(1-2)、延期雷管(1-4)和导爆索(1-6)，空气间隔器(1-3)，孔中段炸药(1-2)、延期雷管(1-4)和导爆索(1-6)，孔口填塞(1-5)；依次对所有钻孔进行装药作业。

爆破网络，按照设计顺序用主导爆索(6)起爆点雷管，第一个钻孔孔外雷管，第二钻孔孔外雷管，依次连接其他孔外雷管，即形成炮孔(1)内的延期雷管(1-4)之间采用串联连线方式；每个炮孔(1)内的延期雷管(1-4)并联连接到主导爆索上，最终形成起爆网络。

起爆顺序，靠近孔底和孔中段延期雷管(1-4)延时采取600ms，靠近孔口延期雷管(1-4)延时上部625ms的孔内微差爆破，孔外延期雷管(1-4)延时间隔采用25ms，起爆点采用瞬发雷管，其他孔外延期雷管(1-4)延时间隔依次增加25ms。

因废弃采空区(3)顶板岩石存在上下两个自由面，为使爆破岩渣充分回填至空腔内，应以下部自由面为岩石挤压方向。根据该废弃采空区(3)的空间形态、炮孔(1)深度、炮孔(1)与空区边界距离，以及周边正常孔装药量和岩石力学性质进行调整。

废弃采空区爆破处理效果评价

评价塌陷爆破效果的指标为塌陷率、塌陷深度、以及大块率、飞石、爆破震动，目前主要以塌落深度来评价废弃采空区(3)爆破处理效果，即实际测量的塌陷深度与理论计算的塌落深度相比较评价是否达到预期效果。

废弃采空区(3)塌陷爆破深度的计算公式：

H₀＝(h+H)-HK_s(1-α)

式中，H₀为爆堆塌落深度，m；h为废弃采空区(3)空腔平均高度，m；H为废弃采空区(3)顶板平均厚度，m；K_s为岩石松散系数，取1.05-1.5；α为周边孔引起土岩净抛出系数，一般取5％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工程技术人员在本发明的技术范围内，可做一些变换，如改变废弃采空区危险性评价方法、确定废弃采空区范围、修改爆破参数设计和废弃采空区爆破处理效果评价等，都应该作为侵犯本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应该以权力要求书的保护范围为准。