銅坑礦井下大爆破地震和沖擊災(zāi)害預(yù)防與控制

銅坑礦井下大爆破地震和沖擊災(zāi)害預(yù)防與控制

2005年4月28日，銅井成功實(shí)施了多種采礦開采技術(shù)的聯(lián)合大爆炸。垂直深孔主要由束狀井組成，中深孔和小埔室之間的聯(lián)合微差大爆炸。設(shè)計(jì)爆破范圍為細(xì)脈帶礦體560~650m水平,12#~14#線之間的大14#采場(chǎng)、大12#采場(chǎng)及其對(duì)應(yīng)的625~650m水平隔火礦柱,爆破崩落礦巖總量為77萬(wàn)t,總裝藥量為146.6t,屬B級(jí)爆破。細(xì)脈帶礦體628m水平以上曾用無(wú)底柱分段崩落法開采,由于FeS2、C與O2的復(fù)合作用,于1976年發(fā)生礦巖自燃火災(zāi),為防火災(zāi)下延,628~650m礦段被留作隔火礦柱,570~628m中段采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ɑ夭?因充填質(zhì)量不高,且余下13.5萬(wàn)m3空區(qū)未充填,自1988年起,局部垮塌和巖層移動(dòng)時(shí)有發(fā)生,致使570m以上殘存約246萬(wàn)t礦石處于危險(xiǎn)地壓和火災(zāi)威脅狀態(tài)中難以回收。為最大限度地回收細(xì)脈帶礦體剩余的礦石資源,根據(jù)大14#、大12#采場(chǎng)已有的工程條件及上述的大爆破要求,設(shè)計(jì)采用下向大直徑束狀深孔爆破為主,輔以中深孔和小硐室崩落的技術(shù)方案:570~625m水平礦段為束狀深孔爆破區(qū);625~650m水平隔火礦柱采用小硐室爆破;560~570m水平礦段為塹溝底部結(jié)構(gòu)。束狀深孔鑿巖水平和小硐室均位于635m水平。由于淺采區(qū)的影響,從635m水平下鑿的部分深孔不能打到570m水平,對(duì)這部分礦石,利用原570,584m水平已布置的中深孔并補(bǔ)充部分Φ100mm孔,與束狀深孔一起起爆,一次崩落。此次爆破為了實(shí)現(xiàn)確保560~570m塹溝底部結(jié)構(gòu)、主要作業(yè)井巷及通風(fēng)、供電等系統(tǒng)設(shè)施的完好等安全目標(biāo),加強(qiáng)對(duì)大爆破震動(dòng)和沖擊等主要災(zāi)害的預(yù)防和控制至關(guān)重要。1大爆炸和地震災(zāi)害的預(yù)防和控制1.1爆破試驗(yàn)結(jié)果爆破中常用震動(dòng)速度表示震動(dòng)強(qiáng)度,震動(dòng)速度經(jīng)驗(yàn)公式為:v=K(Q1/3R)(1)v=Κ(Q1/3R)(1)式中:v為震動(dòng)速度,cm/s;Q為同時(shí)起爆的最大藥量,kg;R為測(cè)點(diǎn)至爆源中心距離,m;K、α為與介質(zhì)、場(chǎng)地條件有關(guān)的常數(shù)。爆破測(cè)震試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在12#~14#線附近的礦體中。爆破試驗(yàn)束孔由5個(gè)單孔組成,孔徑100mm,孔深2.0m,為垂直巷道邊幫的水平孔。采用多孔粒狀銨油炸藥連續(xù)偶合裝藥,每孔裝藥4kg,共裝藥20kg,導(dǎo)爆索起爆。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。經(jīng)測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果及分析計(jì)算,得出K=403.75,α=2.07。1.2爆破震動(dòng)安全距離計(jì)算根據(jù)式(1)和實(shí)測(cè)的K=403.75,α=2.07,Q=10000kg及我國(guó)一般采用的巷道和構(gòu)筑物破壞臨界震動(dòng)速度v值,即可計(jì)算出需保護(hù)對(duì)象的爆破震動(dòng)安全距離S,如對(duì)巖石不穩(wěn)定但支護(hù)良好的巷道v=20cm/s,S=91m。圖1為爆區(qū)大爆破簡(jiǎn)化模型。根據(jù)公式(1)即可計(jì)算出爆破地震波在主要控制點(diǎn)的震動(dòng)速度,從中找出受地震危害較大的保護(hù)對(duì)象,如560~570m塹溝底部結(jié)構(gòu),以便考慮相應(yīng)的防護(hù)措施。1.3主振頻率和振動(dòng)頻率爆破地震波的主振頻率(或主振周期)為:f=k[Q1/3logR]1/2(2)f=k[Q1/3logR]1/2(2)式中,k為系數(shù),對(duì)于硐室爆破k取0.8~5.0;對(duì)于臺(tái)階爆破k取5.0~50。藥量大時(shí)系數(shù)取小值,反之取大值。根據(jù)上式,可計(jì)算出不同距離和炸藥量條件下爆破地震波的主振頻率。地震波引起的地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率為:f=[kfc7/5sQ1/3]?[Q1/3R]2/5(3)f=[kfcs7/5Q1/3]?[Q1/3R]2/5(3)式中:kf為頻率系數(shù),kf=0.01-0.03;cs為巖石的橫波波速,m/s。取巖石的橫波波速為3200m/s,可計(jì)算出不同距離和炸藥量條件下地面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)頻率。計(jì)算表明,距爆破點(diǎn)越近,炸藥量越少,地面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)頻率越高。隨著距離增加,爆破地震波的主振頻率降低;炸藥量越多,地面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)頻率越低。1.4結(jié)構(gòu)和爆破振動(dòng)的影響(1)采用分區(qū)微差爆破,控制最大一響藥量小于10t,降低爆破地震效應(yīng)。(2)起爆順序中采用了跳段設(shè)計(jì),確保相鄰起爆段之間有足夠的延時(shí)時(shí)間,防止爆破震動(dòng)可能產(chǎn)生的疊加加強(qiáng)作用。(3)采用從下至上,從中間到兩邊的爆破順序,確保先在爆區(qū)中部形成爆破破碎帶,隔離后續(xù)上下盤爆破地震波。(4)爆破地震對(duì)井下工程結(jié)構(gòu)的影響主要是在爆區(qū)下方的560~570m塹溝底部結(jié)構(gòu)。因此,在大爆破前,用中深孔爆破形成底部12m高的出礦塹溝,使上部爆區(qū)與下部巖體隔離開,并在570m水平礦體下盤用中深孔爆破形成預(yù)裂減震縫,共同形成垂直方向的減震帶。(5)根據(jù)爆破動(dòng)載影響礦柱穩(wěn)定性的研究,爆破動(dòng)載使臨近礦柱安全系數(shù)相對(duì)下降百分?jǐn)?shù)為泥質(zhì)灰?guī)r礦柱下降23%,大扁豆灰?guī)r礦柱下降39%。此次大爆破對(duì)井下采場(chǎng)支撐體系的影響:大爆破主震頻率為15~20Hz,按震速確定的危險(xiǎn)范圍在85m區(qū)域內(nèi)。因此,對(duì)危險(xiǎn)范圍內(nèi)的關(guān)鍵礦柱四周堆碴,以提高其穩(wěn)定性。(6)撤離距爆破點(diǎn)200m范圍內(nèi)的所有設(shè)備。如撤離各水平1#、3#風(fēng)井、及所有溜井口附近設(shè)備。并對(duì)需保護(hù)的設(shè)施進(jìn)行支護(hù)加固。(7)以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度為主要判據(jù),參考爆破地震波的主振頻率特征,劃分地面爆破震動(dòng)影響區(qū):以大爆破爆心在地表投影為中心,400m為半徑的區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū),800m為半徑的區(qū)域?yàn)榫鋮^(qū)。爆破前,撤出危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)所有人員設(shè)備,并完成固定設(shè)施的加固處理;警戒區(qū)內(nèi)人員撤出房屋,以保證安全。2爆炸聲振動(dòng)的預(yù)防和控制2.13pa時(shí),k值的測(cè)定硐室爆破的空氣沖擊波安全距離為:R=KQ??√(4)R=ΚQ(4)式中,R為安全距離,m;K為系數(shù),按爆破作用指數(shù)n和被保護(hù)對(duì)象允許的超壓選取,當(dāng)允許超壓為20~51Pa時(shí),K值按表2選取。井下大爆破空氣沖擊波超壓為:△p=146(ηQV)1/3+920(ηQV)2/3+△p=146(ηQV)1/3+920(ηQV)2/3+4400(ηQV)(5)4400(ηQV)(5)式中,Q為最大一響藥量,kg;V為由爆區(qū)到觀察點(diǎn)的巷道總體積,m3;η為炸藥爆炸轉(zhuǎn)化為空氣沖擊波的系數(shù),夾制條件下的深孔爆破η=0.3~0.35。按Q=10~20t,η=0.3~0.35,V=2000m3計(jì)算,△p=7.97~17.74kPa。2.2爆破順序和設(shè)施布置(1)控制最大一響分段藥量,進(jìn)行合理裝填結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),降低爆破空氣沖擊波強(qiáng)度。如采取控制最大一響分段藥量<10t,硐室堵塞距離>4m,束孔堵塞長(zhǎng)度為4m等技措。(2)采用從下至上,從中間到兩邊的爆破順序。根據(jù)對(duì)銅坑礦井下沖擊波傳播的衰減模型研究,兩邊相向起爆時(shí)可最大限度地抵消沖擊波強(qiáng)度。(3)按計(jì)算需保護(hù)對(duì)象的超壓,設(shè)計(jì)不同形式的阻波墻,以起到吸波降震作用。如分別在570,584,598,613,625,635m水平通爆區(qū)的上下盤沿脈道中建阻波墻。(4)按夾制條件下沖擊波的情況分別計(jì)算設(shè)施的超壓,設(shè)計(jì)不同形式的堆碴,以起到吸波降震作用。如實(shí)施大爆破前,先將560~570m底部塹溝爆破堆碴,并使爆破影響范圍內(nèi)的溜井充滿廢石或礦石,以降低沖擊波對(duì)560m水平出礦巷道和溜井的影響程度。(5)為防止沖擊波的危害,礦井地表通道出口處,特別是斜坡道口50m內(nèi)不得有人員設(shè)備。2.3執(zhí)行效果經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),爆破效果良好。大爆破未對(duì)井巷、通風(fēng)工程及地表建筑物等產(chǎn)生破壞,爆下礦巖塊度符合出礦要求,爆下可出礦量?jī)r(jià)值上億元。3爆破震動(dòng)試驗(yàn)復(fù)雜爆破工程條件下的金屬地下礦山,有時(shí)需同時(shí)采用幾種不同裝藥工藝進(jìn)行聯(lián)合大爆破作業(yè)。為了高效地回收礦產(chǎn)資源,確保主要井巷、底部出礦結(jié)構(gòu)及通風(fēng)、供電等系統(tǒng)設(shè)施的完好,加強(qiáng)對(duì)大爆破震動(dòng)和沖擊等主要災(zāi)害的預(yù)防和控制是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的前提。通過(guò)爆破震動(dòng)試驗(yàn),可實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破地震和沖擊有害效應(yīng)較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),依此采取相應(yīng)的技措。采用分區(qū)微差爆破和控制單段起爆藥量、優(yōu)化爆破順序、爆破前用爆破方法使爆區(qū)與需保護(hù)的井巷工程巖體之間形成預(yù)裂減震帶、對(duì)危險(xiǎn)范圍內(nèi)的